运动基飞行训练模拟器技术研究分析

SpaceMedicine＆MedicalEngineering

Vol．24No．3

Jun．2011

运动基飞行训练模拟器技术研究分析

陈

炜，姜国华，晁建刚

*

（中国航天员科研训练中心，北京100094）

摘要：本文基于我国航天飞行训练的任务需求和发展现状，深入分析了国内外运动基模拟器在飞行训练中的应用经验和研究成果，着重讨论了运动基模拟器的技术基础以及在工程应用中的关键技术，并对运动基模拟器在我国航天飞行训练中的应用进行了展望。

关键词：飞行模拟器；运动基模拟器；航天飞行训练；模拟器技术

0837（2011）03-0229-06中图分类号：R857文献标识码：A文章编号：1002-AnalysisofMotion-basedFlightTrainingSimulatorTechnology．CHENWei，JIANGGuo-hua，CHAOJian-gang．SpaceMedicine＆MedicalEngineering，2011，24（3）：229～234

Abstract：Basedonthemissionrequirementsanddevelopmentstatusinspaceflighttrainingofourcountry，lotsofexperiencesandresearchesofmotion-basedsimulatorathomeandabroadweredeeplyanalyzed．Then

thetechnologicalbasisandkeytechnologiesinengineeringapplicationofmotion-basedsimulatorwereemphat-icallydiscussed．Finally，theapplicationprospectofmotion-basedsimulatorinspaceflighttrainingofour

countrywasputforward．

Keywords：flightsimulator；motion-basedsimulator；spaceflighttraining；simulatortechnology

Addressreprintrequeststo：CHAOJian-gang．ChinaAstronautResearchandTrainingCenter，Beijing

100094，China

飞行模拟器是可以有效且安全地在地面环境下复现真实飞行中飞行员/航天员行为的系统设，按照是否具有运动系统，又可以分为固定基模拟器和运动基模拟器。现在的航空飞行训练备

全任务的运动基模拟器已经成为其必不可少中，

的训练设备。

航天飞行训练模拟器是在地面环境下创建航天飞行环境、用于航天员任务训练的模拟设备。前苏联/俄罗斯、美国等国家从载人航天计划一开始，就建立了多种用于航天员训练的模拟器，为航天员顺利完成任务提供了有效的训练手段。我国在2002年完成了第一台全任务固定基飞行训练在一定程度上满足了训练要模拟器的研制，

［2-4］

。随着我国航天任务的不断推进，求对航天员的飞行训练要求也在不断提高，尤其是在交会对载人登月和应急返回等对手动操作能力要求接，

较高的训练中，运动基模拟器将成为航天飞行训练中必不可少的模拟设备。20世纪90年代初，为保证航天飞机与和平号空间站成功对接，美国曾利用俄罗斯的六自由度对接综合模拟器进行了

［5］

数百次实验。在登月训练中，美国航空航天局

01-27修回日期：2011-*通讯作者：晁建刚xjtucjg@163．con基金项目：中国载人航天工程基金资助

［1］

（NASA）艾姆斯研究中心将其六自由度垂直运动

［6］

模拟器应用在了大部分的登月训练任务中。本文通过总结国内外运动基模拟器在航空航天方面的应用经验和研究成果，分析归纳了其在硬件与软件方面的各项技术的研究现状，最后着重阐述了运动基模拟器工程应用中的技术难点。

1国内外研究现状

在运动基飞行训练模拟器的发展历程中，经历了机械式、电子式和数字式三个发展阶段；运动二自由度、三自由度到六自系统经历了单自由度、

由度的发展阶段；控制方式由机械式、电子式过渡到数字式；训练手段由人工型、机械型到全数字计算机模拟型；视景系统由光学透明画和电影胶片广泛采用闭路电视和摄像机投影以至到现在最流行的计算机虚拟现实的图形制作成像技术；模拟座舱从仅有部分模拟仪表发展到完整的同步式飞行仪表舱。

1965年Stewart提出了并联结构，通过六个伸缩作动器来实现运动模拟的六自由度运动平［7］台，并在随后将它应用于飞行模拟，之后这种结构的飞行模拟器由于其优异的运动特性得到了广泛的发展，并统称这种结构为Stewart运动平Cappel发明了第一架基于六自由度并台。随后，

230

航天医学与医学工程第24卷

联机构Stewart平台的飞行模拟器。而今，随着机械加工和软件技术等的不断发展，运动基模拟器由于其优越的控制性能和高载荷能力已经在航空航天、工业制造、汽车性能模拟测试、并联机床和精密定位平台等各领域得到了广泛应用。它在航天领域的发展与应用主要得益于NASA的大NASA就将六力研究。从20世纪70年代开始，

40年间自由度运动平台应用于航天飞行训练中，建立了多个运动基模拟器系统以满足不同航天任

［6］

务的训练要求，较著名的如艾姆斯研究中心的垂直运动模拟器（verticalmotionsimulatorcom-plex），vehiclesystems人-机系统研究设备（crew-researchfacility）和先进概念飞行模拟器（ad-vancedconceptsflightsimulator），以及兰利研究中心的视觉运动模拟器（visualmotionsimulator）等，为其航天事业的发展发挥了巨大作用。

目前世界上最著名的3个运动基模拟器技术研究机构分别是加拿大多伦多大学航空工程系（UTIAS）、荷兰德尔福特科技大学（DUT）和NASA的艾姆斯研究中心，他们为运动基模拟器技术的发展做出了巨大的贡献。国内对运动基飞行模拟器的研制起步于20世纪60年代末，现在较著名的研究机构有北京航空航天大学，北京航空模拟器公司以及空军哈尔滨仿真技术研究所等。其中空军哈尔滨仿真技术研究所在2000年成功地研制出了Z9直升机飞行模拟器，其六自由度运动系统、五通道视景系统等部分已接近国际先进水平

［9］

［8］

括机构的工作空间、奇异位形问题、运动误差及结

构校验、优化等方面。其中位置正解和反解是运动分析的最基本任务，而由于正解的多解性，研究主要集中在正解问题上。其方法主要有：几何法，数值迭代法，代数法及其他方法。早期的学者主

研究要通过从特殊几何结构的Stewart平台出发，

［10］

正解问题的一般性方法。数字迭代法方法简单，计算精度较高，但主要问题是算法的收敛性不

确定，且收敛速度强烈依赖于初值的选取

［11-13］

。

代数法的优点是可以求出机构的所有正解，并且不需要选定初值，但是数学推导过程极为复杂，且

［14-15］

。另外还有通过在Stew-不容易判断和理解

art平台某个部位上布置传感器，来测量平台的某

些运动参数，这样一来由于多余条件的限制，可以

［16］

大大减少解的个数。1．1．2

驱动技术

运动系统的驱动方式在很大程度上决定了系

运动精度、快速性等性能指标，也统的承载能力、是关键技术之一。

液压驱动方式的优点是抗负荷强度大，执行

器的功率－重量比大，这是目前大多数运动基模拟器采用的驱动方式。我国在这方面也取得了一些研究成果。1984年，北京航空模拟器公司与西北工业大学、秦峰航空液压公司合作研制了应用

［17］

于运动基飞行模拟器的静压伺服油缸；哈尔滨工业大学机电学院在1996年也成功研制出性能

S-87241优良的静压伺服油缸，已完全满足MIL-规范。

相比于液压驱动，电动驱动方式采用了典型

的数控技术，其突出特点就是能实现较高的运动速度和运动精度，系统的可靠性更高，但负载能力

2000年以后电较小。随着电力拖动技术的发展，

动驱动已经在很多全任务飞行模拟器上使用。

2006年，美国的MoogFCS公司和FlightSafety公司共同研制出了世界上第一台电动驱动的D级模拟器（D级是现在模拟器所能够获得的最高和最苛刻的标准），其有效负载超过10吨。

针对电动和液压等驱动方式的不足，日本率先发展了电动液动混合执行器（electrichydraulichybridactuator）组成的电动液压伺服系统，以充分发挥两种方式的优点，但其不足之处在于系统

［9］

频率响应欠佳。

。

以我国的固定基模拟器技术为基础，运动基模拟器技术中最关键的是与运动平台系统相关的技术，可以分为硬件技术和软件技术。1．1

硬件技术

硬件技术主要集中在运动系统的机构研制与运动分析以及驱动技术。1．1．1

机构研制与运动分析

首先在机构研制方面的关键点主要在设计出加工、装配工艺性好，运动范围大、精度高的球链等组件。在这方面，加拿大CAE公司、德国力士乐（Rexroch）公司、日本科学技术厅航空航天技术研究所研制的铰链组件都相当典型

［9］

。

机构运动分析目前的主要内容有机构的位置、速度、加速度分析（即正解和反解），此外还包

第3期陈炜，等．运动基航天飞行训练模拟器技术研究

231

1．2软件技术

软件技术的主要关注点是运动控制算法和动

感模拟技术（洗出算法）。1．2．1

运动控制算法

运动平台的控制算法主要分为关节空间控制

关节空间控制利用运动学和任务空间控制两种，

逆解由运动平台的目标运动位置解算出各驱动分

支的目标位置，然后对每个驱动分支进行单独的PID控制，传统飞行模拟器的并联机构控制器大Su都使用这种方案。针对关节空间控制方法，［18］

等使用了带速度估计的非线性PID方法对非外扰和摩擦力进行补偿，提高了控制性能。线性、

还有一些新的关节空间控制算法使用了平台的动力学模型来补偿运动过程的非线性，如Honegger使用虚功原理推导了Hexslide并联机构的一个简化动力学模型，并利用跟踪误差对不确定等

参数进行自适应的辨识，从而提高控制精度，但其

在某些场合对驱动分支模型的简化不具一般性，

不考虑驱动分支的动态会使控制性能下降。

Kang等［20］使用Lyapunov再设计方法综合了一个鲁棒非线性控制器，但其选取的不确定性过于保守，会影响控制器的性能。另一种控制方案为任务空间控制，它虽然需要测量或估计任务空间中的运动平台的状态信息，但由于直接以最终的控制目标设计控制器，所以可以方便地加入对不确定性和扰动影响因素的考虑，在实际环境中有更优越的性能。Ting等提出了一种任务空间中的复合自适应控制，利用Lyapunov方法保证跟踪误差和参数估计的收敛，但这种方法没有考虑未建模动态和外部干扰的影响。从实践经验看，具有高度鲁棒性的智能控制方法以及具有负载力干扰补偿的控制方法是解决该类问题的有效途径之一，这也是目前国内外研制六自由度运动系统所需研究的重点。

1．2．2动感模拟技术

由于运动基模拟器运动范围有限，为了提供与真实飞行环境接近的模拟效果，必须充分利用人的感知特性来制定运动策略。动感模拟技术，又称洗出算法，就是用来实现这个工作的，它是飞行模拟器中至关重要的环节。经典洗出算法在1970年由Schmidt和Bjorn等提出［22］。其算法中利用了人体感知的特点，如加速度低于人的前庭

［21］

［19］

阈值时，人无法感觉到运动。人体无法区分加速

度是由运动还是重力引起；利用人的感觉特性，结合运动提示和视觉提示等共同实现运动模拟。经典算法对后来洗出算法影响深远。

1975年，Parrish等［23］在经典洗出算法基础

算法中引入时变参量上提出了自适应洗出算法，

和价值函数，使价值函数最小的时变参量就是当

［24］

前的值。Sivan等1982年提出了线性最优算法，将人体的线性运动感知模拟加入到算法中，从运动感觉误差最小出发计算最优的洗出矩阵。之Shalom等［25］将视觉－前庭交互模型加入后Ish-［26］

使模型更加精准。Hwang等提了感知模型中，

出由于最优洗出算法通过重力分量模拟持续加速

度，导致飞行器和模拟器感知模型的差别，并给出了修改后模拟器上使用的感知模型和由此算出的最优洗出矩阵。随着硬件技术以及计算机技术的不断发展，尤其是动感模拟算法的逐步成熟和完

在我国航天飞行训练中应用运动基模拟器的善，

技术条件已经具备。

2应用技术难点

以典型的六自由度Stewart平台、全任务运动基模拟器为例，按照功能要求和相应的配置考虑，整个系统可分为：运动分系统，视景分系统，音响分系统，模拟座舱与操作系统，飞行器仿真系统与教员控制系统，安全检测与数据采集系统等。从安全，性能和维护成本考虑，采用电动驱动方式。各分系统通过高带宽的实时通讯网络连接，以使各路信号同步触发。通常需要两个实时通讯网络，一个实现控制输入信号与各个信息通道（运动，视景，音响等）协同工作，另一个则用于数据的采集与存储以及离线分析。同时，还需要一个实现运行软件和数据包下载的非实时网络。系统结构示意图如图1所示。忽略工程应用中与固定基模拟器相似的技术，下面只讨论运动基模拟器工程应用中的两个重要问题。2．1运动模拟的实现

图2所示为运动基模拟器的运动模拟的实现过程。首先，模拟器控制信号输入到飞行器动力模型中，模型响应后输出飞行器对应的状态信号（主要为加速度与角速度）。根据运动系统的性能，状态信号需要进行不同程度的缩放比例，使其

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航天医学与医学工程第24卷

Fig．1

图1系统结构图

Diagramofsystemarchitecture

一个是飞行器动力学模型，不同任务由于飞行器以及飞行环境的变化，需要对模型修改或建立新同样由于的模型。另一个是人体运动感知模型，飞行环境的变化，感知特性也会有变化，例如长时间微重力飞行与地面飞行时感知模型的差别。除此以外，还要建立相应的视景和音响数据库等。2．1．2

系统参数辨识与优化

在完成建模工作后，还要确定各算法的参数。

图2运动模拟的实现过程

Fig．2Theprocessformotionsimulation

这个工作通常是在一定的理论引导下，再根据相关的工程经验完成的。例如，采用三阶多项式缩比法进行缩比处理，多项式的最佳参数通常是依据主观评价得到的。洗出算法需要综合考虑运动系统运行范围和人体感知两个因素，在使感知逼真度满足要求的同时将运动限制在安全范围内。为使总体达到最优，相关滤波器的参数需要反复的分析、校验和修正，在不断实验中得到最佳

［27］值。

2．2运动系统与视景系统的同步性

最大加速度或角速度保持在运动系统可实现范围内。缩比处理后的信号将作为洗出算法的输入；洗出算法经过计算会得到运动平台的最佳状态，它可以最大程度地接近真实飞行器状态。这个状态信号经过运动转换（位置反解）后得到作动器所需的伸缩量，然后动力系统驱动平台运动，最终实现运动模拟。其中，洗出算法是运动模拟效果优劣的关键。工程实践中，运动模拟时需要完成下面两个工作。2．1．1

建模

对于一项训练任务，首先要做的就是建模。

这种同步主要为了使视景场面和运动系统提

供的运动保持一致，以免造成训练人员的感知冲突，引起运动病。我们分别从人体感知特性和系统延时两个方面分析同步性的实现要求。2．2．1

人体感知特性要求

第3期陈炜，等．运动基航天飞行训练模拟器技术研究

233

人体对运动信号和视觉信号的感知频段不

同。高频运动信号主要来自自身运动，由处于内耳的前庭器官感知，它们的主频段为0．1～10Hz，这也是人体头部正常的运动频率范围，低于0．1Hz的运动感知则主要依赖于视觉信息。所由于不需注重高频信号的以对于视景显示系统，响应速率，标准的60Hz刷新率就可以满足需要。而为了与视景系统同步，运动系统信号的更新频

［28］

率也必须为60Hz。2．2．2

迁移延时的处理

迁移延时是指从训练人员进行操作或飞行动力变化到刺激信号传达到训练人员的时间。由于运动系统和视景系统从实时网络接收到相同的控制信号，系统各自的迁移延时就成为影响同步性的关键过程

［30-31］

能运动基模拟器的水平，必须对其机构学理论进

行深入分析，在运动正解方面要有所突破，研制出先进的关节铰链组件和控制性能好、承载能力高、频响快的驱动元件。其次，对具有强变负载干扰及交联耦合干扰的控制策略要有深入研究，这对保持运动系统的平滑性至关重要。另外，在动感目前我国还停留在经典洗出算法，模拟技术方面，

国外对先进算法实施封锁。所以，只有努力创新、自主掌握先进技术，才是不断进步的关键。随着运动基模拟器硬件和软件技术的不断发展，国内外工程实践经验的日益丰富，以及我国未来航天飞行训练任务对动感逼真度需求的加强，如交会对接训练、应急返回训练以及将来的载人研制适合于我国航天飞行训练特点的登月训练，

全任务六自由度运动基模拟器，应用于各项航天飞行训练任务和人机操作性能研究中，已成为我国航天飞行训练发展中不可避免的趋势。

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。

运动系统的迁移时间是模拟器控制输入信号

下达到模拟器运动间的时间。这个时间主要由洗位置反解和D/A转换消耗。不同的洗出出算法，

以较先进的最优洗出算法为算法计算效率不同，

例，对于每个采样状态的洗出计算和位置反解需

要一帧的时间，D/A转换平均需要半帧，此时运动系统的迁移延时共需一帧半左右的时间，通常可以满足实时性的要求。

视景系统一般包括4个部分：前端计算机，几何处理器，显示处理器和显示器。前端计算机进行场景管理并负责从数据库获取图像；几何处理器完成几何转换和透视转换；显示处理器实现图像渲染。它们每个过程都要花费一帧的时间，而图像显示部分平均花费半帧。为了实现与运动系统同步，前3个部分必须以并行计算的方式进行，将它们的延时控制在一帧内。此时两个系统的迁移延时趋于一致。

由于某些原因可能造成迁移延时的不匹配，如效率较低的洗出算法，此时就需要进行延时补偿。现在延时补偿的方法已经比较成熟，主要有McFarl-and滤波器，Sobiski-Cardullo滤波器和自适应预校正器等

［30］

。

3展望

从目前的发展现状来看，要进一步提高运动

基航天飞行训练模拟器的性能，尚有许多理论与技术问题有待解决。首先，要提高我国研制高性

234

航天医学与医学工程第24卷

365-379．

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2007．CR-2007-215096，［作者简介：陈炜，男，硕士，研究方向为航天飞行训练模拟技术］