面向民航客机非正常状态改出训练的飞行模拟器体感模拟关键技术研究

This project is focused on limited motion capability and visual-motion simulation signal synchronizing error of simulator motion platform due to the large amplitude and highly dynamical motion of aircraft upset recovery training when trainers are in the flight simulator environment. The target is to master the influence and relationship between motion cueing algorithm and motion platform physical limitation, and learn the principle between visual-motion simulation signal synchronizing error and head sEMG signal. Based on the above results, and incorporating aircraft upset information, a unified motion simulation dynamic model and a visual-motion perception interaction model are built. Furthermore, a new motion cueing system based on the above models and switched model predictive control theory is proposed. Finally, the performance of this motion cueing system is evaluated and improved by subjective and objective experiments.

在飞行模拟器环境下，针对民航客机非正常飞行状态改出训练的大幅度或大动态运动，以解决现有模拟器运动模拟系统的运动能力限制和视觉-体感模拟信号的同步误差为目标，通过理论分析和系统实验，掌握体感模拟算法和运动平台物理限制之间的影响关系，以及视觉-体感同步误差与头颈部表面肌电信息之间的规律关系，结合非正常飞行状态信息，建立统一的运动模拟动力学模型和视觉-体感感知交互模型，并以此为基础设计基于切换系统模型预测技术的新型体感模拟系统，该系统的性能将采用主观和客观实验进行评价和优化。

目前飞行安全领域对非正常飞行状态引发的事故日益关注，为此在传统全动飞行模拟机上特别增加了非正常飞行状态预防改出的训练，但目前模拟机运动系统存在空间利用率低、视觉和运动感觉不同步引起眩晕的情况，直接影响训练效果。针对这一问题，本项目基于人机工程学、自动控制、仿真建模、生物力学技术等，从“考虑非正常飞行状态切换模型的体感模拟”、“基于模型预测控制反馈和切换控制前馈的两自由度体感模拟控制器设计”、“头颈部运动规律研究和动力学模型构建”、“视觉-前庭交互感知研究”、“基于新型综合运动感知模型的体感模拟集成控制器设计”等几个方面开展了研究工作，取得了以下成果：.（1）针对各种非正常飞行状态，设计了面向任务的体感模拟算法原型，能针对飞行阶段和飞行状态的不同，自动调整洗出算法，并能自动消除在切换过程中的剧烈失真感，实现平稳过渡。.（2）设计了基于模型预测控制反馈和切换控制前馈的两自由度体感模拟控制器，综合考虑了运动平台的物理限制和不同飞行状态的运动输入特点，在运动系统限制和仿真逼真度之间进行了优化平衡设计。.（3）掌握了飞行员在飞行模拟机中训练期间头颈部典型的运动规律，通过理论分析和实验研究得到了各飞行阶段和非正常飞行状态下的头颈部运动学数据，并设计了基于运动学和表面肌电信息的头部运动预测算法，降低了视觉延迟，提升了训练质量。.（4）对飞行员视觉-前庭感知交互开展了综合性的研究。研究了在模拟器环境中，视觉系统、前庭系统和体感系统对运动的反应和工作机理，建立了感知仿真模型，并对运动感知错觉和飞行员感知操纵进行了综合建模。.（5）通过头颈部运动理论和肌肉力实验，建立了基于神经网络的头部动力学模型，并结合视觉-前庭模型，形成了综合运动感知模型。并基于新型运动感知模型，设计了体感模拟集成控制器。.（6）研究基于主客观评价对新型体感模拟集成算法进行实验测试, 并对关键参数利用模糊控制性能优化。.本课题研究为模拟仿真训练和虚拟现实领域的高逼真度运动模拟提供了一种新的优化解决方案。同时在研究过程中，对人体头颈部运动规律、人体综合运动感知机理、面向物理约束和切换状态的体感模拟算法等方面的创新研究，也为人机工程学、机器人、控制、生物力学等领域提供了一定的理论基础和技术途径。特别是可用于未来的航空航天器人机混合控制、远程医疗和康复、虚拟现实等新兴的研究领域。