簡述飛行模擬器比力矢量運算

康峰

摘 要 在全動飛行模擬器運動系統中，對加速度的仿真是個非常重要的指標，飛行員在駕駛艙內，不僅能感受到車輛的加速度，同時還能感受到重力的加速度。三軸比力矢量的計算是建立運動系統加速度最基本的一步。

關鍵詞 比力矢量;加速度;軸系統

引言

隨著中國民航事業和中國大飛機制造業快速的發展，飛行模擬器的需求也越來越大。而我國的自主生產全動飛行模擬器發展卻非常緩慢，瓶頸就在于運動系統的仿真和其工作的穩定性。隨著現代技術不斷提高，世界各先進的模擬機生產廠如CEA;L3等的飛行模擬器運動系統，其成本越來越低，性能越來越好。本文就將對其運動系統中最關鍵的指標：加速度做出研究。

1軸系統的建立

為了描述模擬器位置和姿態必須選擇一些坐標系作為參考基準，下圖顯示了飛行模擬器運動系統應用中不同參考點和軸系統的位置，使用以下參考點和軸系統：

（1）運動參考點：運動平臺坐標系固定在運動平臺上。運動平臺坐標系的XY平面位于頂部連接平面內。Z軸向下。運動平臺坐標系的原點位于頂部旋轉接點所組成的三角形的質心，這是運動系統上關節三角形的原點稱為運動參考點。

（2）運動旋轉中心：這是駕駛員的位置。運動軟件將指令的線性和旋轉加速度轉換到這一點。

（3）車輛參考點：這里之所以定義為車輛，是因為駕駛艙中的飛行員能感覺到車輛的線速度。車輛參考點是車輛參考系統的原點。這里飛行模擬器的重心、運動旋轉中心、運動參考點都在本車輛參考系統中定義[1]。

（4）模擬器座艙重心：這是實際模擬器重力中心。重心的位置在車輛參考系統中確定，并由主計算機發送。重心也是模擬器軸線系統的原點。線性加速度和旋轉加速度是沿著和關于模擬器軸給出的。

慣性軸系統固定在地上。慣性軸系統中的偏移是根據處于中立位置的運動參考點的位置來測量的。

以上就是模擬器軸系統的建立，所有坐標系都是右手坐標系。正X向指向行駛方向，正Y向指向右側，正Z向指向下方 。

2比力及其比力矢量計算

在三維空間中，描述一個剛體運動要六軸，三軸加速度，三軸角速度。用加速度傳感器可以測量加速度的值，是測量軸向的力。

比力，就是單位質量上作用的非引力外力，通常我們用加速度計測量的不是載體的運動加速度，而是載體相對于慣性空間的絕對加速度和引力加速度之差，這就是比力。在飛行模擬器應用中，直線加速度通常由主機以比力的形式傳輸。駕駛艙中的飛行員不僅能感覺到如同車輛的線性加速度，還能感覺到重力加速度[2]。

通常情況下飛行員所感覺到的是加速度和重力加速度之間的矢量差，這和加速度計測量的一樣。當假定飛行員的質量為m時，作用于飛行員的力為m×a（由于車輛加速）和m×g（由于重力），作用于飛行員的總力矢量是m×（a-g）。這就是比力，定義為單位質量上所有力的總和。

2.1 比力矢量

這里必須沿著車軸系統解析比力矢量，以獲得比力Axb、Ayb和Azb（車身軸系統的原點位于車輛重心）。在一般線性加速度計測量是比力（a+g）不能分辨出重力加速度g和運動加速度a，一個加速度計只能測量一個方向的比力，測量矢量必須使用三個加速度計，三個加速度計垂直安裝可測量比力矢量，進而得到運動加速度。假設沿著車身軸的三個軸安裝三個線性加速度計系統。每個加速度計測量線性加速度和重力分量（比力）之差。這里大寫字母A代表比力以區分線加速度，b（body）代表駕駛員身體，用xb、yb、zb表示沿著車身軸線系統駕駛員x y z方向，使車輛線速度為（vxb、vyb、vzb）加速度計的輸出為[3]：

2.2 加速度傳感器測量傾角原理

三軸加速度以重力為輸出矢量來決定物體在空間的姿態，把加速度傳感器國定在物體水平面上，當物體姿態改變時，通過測量由于重力引起的加速度，可以計算出設備相對于水平的傾斜角度，通過分析動態的加速度，可以分析出設備的移動的方式。使作用在車身上的重力為（Fxbg，Fybg，Fzbg），當車身軸線系統相對于地球固定軸線系統的姿態表示為歐拉角φ（關于x軸）和θ（關于y軸），然后車身軸系統中的重力分量為：

3結束語

以上便是關于比力矢量的數學解析，比力Axb、Ayb和Azb是運動計算機（變量AX AY和AZ）的輸入，通過計算機洗出算法對飛機起飛過程中的水平加速和角速度信號進行洗出濾波，得到運動平臺的加速度和角速度指令信號，來控制模擬器的運動作動筒運動，從而使駕駛員不僅能感受到車輛的加速度同時還能感受到重力的加速度，這一指標在模擬器模擬飛機起飛形態時最為重要[4]。

參考文獻

[1] 王輝，朱道楊，平凡.基于模糊邏輯的高逼真度運動體感算法研究[J].系統仿真學報，2017，（3）：546-551.

[2] 董新民，王小平.飛行模擬器電動式縱向操縱人感系統的研究[C].中國航空學會第八次飛行器控制與操縱學術交流會.中國航空學會第八次飛行器控制與操縱學術交流會論文集.湖北襄樊：中國航空學會，1999：92-96.

[3] 吳重光.仿真技術[M].北京：化學工業出版社，2000：179.

[4] 王行仁.飛行實時仿真系統技術[M].北京：北京航天航空大學出版社，1998：31.