高体感模拟机受限运动洗出算法及人体前庭感知模型研究

As an important simulation equipment for civil aviation flight simulator, high fidelity is the primary concerns for experts. The application will propose a high fidelity motion somatosensory algorithm which is more in line with the human body sensory characteristics, to explore the action mechanism of the vestibular system in the flight simulator, and to provide basic research for the motion control system of flight simulator. In the harsh flight conditions, the filter can’t filter out the low frequency and high frequency signal completely, the output signal does not meet the pilot's sensory law, resulting in acceleration distortion, and sometimes may exceed the pilot's sense of the threshold, resulting in false hints. Because the human body has a non-linear characteristics for motion, through the kinematic analysis of the adaptive washout algorithm and the platform, to obtain a real-time solution and meet the requirements of the motion range calculation method, avoids the possibility that washout may be beyond the scope of the motion platform, and the cost function of the adaptive washout algorithm is optimized and improved. The otolith and semicircular canal model is linearized, to obtain the perception needs of human movement, by optimizing the model, Humanoid Intelligent Control Algorithm (HICA) is used to design and optimize the structure of the washout algorithm. Via the fuzzy control to reduce the sensory error between the human vestibular and motion washout, cut down the false signal and enhance the simulation fidelity. The project establishes the motion system simulation platform through the mathematical model of the vestibular system and washout algorithm, verify the improved washout algorithm on a small motion platform or full-motion flight simulator based on the actual flight data of a civil aircraft. The study has important scientific significance for promoting the dynamic fidelity of flight simulator.

模拟机作为民航的重要模拟装备，高逼真度是专家学者关注的首要问题。本申请将提出符合人体特性的高逼真度体感算法，探究人体前庭器官在飞行模拟中的工作机理，为模拟机运动控制提供基础性研究。在恶劣飞行状况下滤波器不能完全过滤掉低、高频信号，输出的信号不符合人体感官规律，针对人体对运动感觉具有非线性的特性，通过对自适应洗出算法和平台的运动学分析，获得满足实时解算要求的运动范围计算方法，避免洗出超限。对耳石、半规管模型进行线性化处理，优化人体感知模型，获取满足人体运动的感知需要。基于优化后的感知模型，利用仿人智能控制算法设计并优化洗出算法结构。通过模糊控制减小人体前庭与运动洗出之间的感觉误差，降低虚假信号并提升模拟逼真度。本项目通过构建并优化前庭系统和洗出算法的数学模型，开展受限运动平台的仿真研究；利用实际飞行数据在小型运动平台上验证改进后的洗出算法。该研究对于提升模拟机动感逼真度意义重大。

在现代全动飞行模拟器中，运动系统是提供飞行员训练和工程研究的运动感知系统，它要求具有一定的高逼真度来仿真飞机运动。如何使得模拟器的运动效果更加逼真是一个至关重要的问题，洗出算法作为运动控制系统最为关键的部分，决定了运动平台的洗出性能，大量科研人员尝试不同方法去改进洗出算法的缺点，以此提高飞行模拟器的动感逼真度。本项目对飞行模拟器运动平台洗出算法进行了详细的研究，主要内容包括六个方面。第一、建立了飞行模拟器运动的详细数学模型，构建了六自由度运动仿真分析平台，通过对六自由度运动平台的运动学分析，建立对偶四元数变换矩阵，解决运动平台空间转动和平移难以统一的难题，并通过运动平台的反解验证变换矩阵的可靠性。第二、根据人体前庭模型，引进模糊控制理论对洗出算法的体感误差进行反馈控制，分别对洗出算法的高通加速度通道、倾斜协调通道以及高通角速度通道进行补偿，提高洗出算法的自适应性以及减少虚假暗示的幅度，从而增加运动洗出的动感逼真度。第三、对经典洗出算法的倾斜协调通道进行改进，重新设计倾斜协调通道加速度的来源，以及倾斜协调未能完全模拟的持续加速度经过加速度转换，补偿到平移加速度中，消除经典洗出算法相位延迟造成的虚假暗示，扩大运动平台的空间利用率。第四、为解决飞行员感觉滞后和提高运动可达空间范围等问题提出双路模糊自适应洗出算法，结合倾斜协调通道的双路滤波设计和高通加速度通道一维模糊自适应预测补偿线位移等技术对算法进行优化。第五、针对双路模糊自适应算法优化相位效果不明显问题，提出新型倾斜协调体感算法，以人体感官模型洗出信号误差及变化率作为模糊控制器输入补偿于倾斜协调通道，将输入参考信号与平动高频信号差值及模糊补偿合成信号代替低通滤波器输入信号，结合平动高通角加速度二次滤波补偿角位移和加速度补偿使得洗出结果逼近人体感知信号。第六、结合粒子群算法，在改进经典体感算法结构的基础上，将人体感知误差作为目标函数，对洗出算法滤波器参数进行寻优，并对比分析了经典算法、应用PSO优化的经典算法和应用PSO优化的改进算法，结果表明，经PSO优化后的洗出算法均获得了较好的洗出效果，而改进算法参数提升更明显且有更好的参数寻优性能。第七、在购置的六自由度电动运动平台基础上，开发了软硬件相互信息交联的程序软件，实现了硬件验证平台的实验条件。总结项目的研究成果，发表了中文核心期刊十三篇，并研发出几种新型洗出算法.