舰载机进舰着舰过程仿真建模

第2O卷第24期 2008年 l2月 系 统 仿 真 学 报◎ Journal of System Simulation 、，0I．2ONo．24 Dee．，2008 舰载机进舰着舰过程仿真建模 王延刚，屈香菊 (北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京 100083) 摘 要：简述舰载机进舰着舰过程，建立以航母一舰载机一起落架组成的多体动力学系统为核心 的进舰着舰系统仿真模型，并综合能够反映驾驶员和 LSO的行为特征的指4-*I~，同时考虑风场 扰动，海浪等外界影响因素。该模型不仅适于航母．舰载机适配性问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ，还可研究进舰着舰任务中 LSO对驾驶员行为的影响。最后通过仿真示例验证该模型的合理性和可行性。 关键词：舰载机；多体系统；着舰信号官；进舰着舰；建模 中图分类号：TP391．9；V212．1 文献标识码：A 文章编号：1004—731X(2008)24—6592．03 M odeling and Simulation of Carrier Approach and Landing WANG Yan-gang,QUXiang-ju (School ofAeronautic Science and Technology,Beijing University ofAeronautics and Astronautics，Beijing 100083，China) Abstract：The procedure of carrier-based aircraft approach and landing is described．By investigating the critical factors．a simulating model ofthe carrier approach and landing system WaS developed baSed On the carrier-airframe-undercarriage multi—body dynamics system．The Pilot control model and LSo command model were embedded．The air turbulence and carrier’S air wake were considered．The model could be applied not only tO the design of integration for the carrier-aircraft system，butalsotothe studyon effects ofLSOtothepilot．Asimulation resultofa safe carrierapproach andlanding showsthe rationality and feasibility． Key words：cartier-based aircraft；multi-body system；landing signal officer；cartier approach and landing；modeling 引 言 舰载机进舰着舰安全性是相关研究者最为关心的问题。 目前国内外的研究工作主要集中于舰载机自动着舰系统中 的控制方法【】4。，其中文献[4】对六种不同的着舰控制系统的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 方法的优劣进行比较；关于人工进舰任务下驾驶员模型 的研究有[5．6】，前者利用经典控制理论描述横侧驾驶员内外 环模型，研究舰载机着舰过程的飞行品质，后者使用滑模控 制理论建立变策略结构驾驶员控制模型，依据训练规则、驾 驶员经验以及人机耦合特性确定模型参数；文献[7]利用人工 智能方法为着舰信号官 (Landing Signal Officer，LSO)决策 提供技术支持；屈香菊、崔海亮等人采用神经网络预测甲板 运动并结合模糊控制理论，建立 LSO 的补偿指令和控制模 型[8-9]，能够提高人工进舰的成功率和安全性。然而，上述 研究成果往往针对进舰着舰过程中特定阶段的特有问题进 行简化处理，忽略舰载飞机进舰着舰过程的完整性和连续 性，所建立的模型也大都采用线化的形式，无法研究当中的 一 些关键问题，例如驾驶员与着舰信号官的协作机理，舰载 机—起落架的一体化设计；而这些都与舰载机着舰安全性紧 密相关。因此，需要突破现有的、过多简化的常规模型，建 收稿日期：2007．07—17 修回日期：2008—11-24 基金项目：航空基金 (2006ZA51004) 作者简介：王延刚(1980，)，男，河北邯郸人，博士生，研究方向为飞机 飞行动力学与控制；屈香菊(1956一)，女，河北赵县人，博士，教授，研 究方向为飞机飞行动力学与控制。 立一个较为完整的、能够考虑各种重要因素的、合理简化的、 非线性全量的进舰着舰数学模型。 本文首先介绍舰载机进舰着舰的基本过程，并从飞行动 力学的角度出发，阐述涉及的相关问题，然后对仿真系统各 模块进行 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ，并提出相应建模方法，最后给出数字仿真结 果，以验证其合理性。 1 舰载机进舰着舰过程描述 舰载机截获下滑道入口后，驾驶员根据菲涅尔透镜光学 助降系统 (Fresnel Lens Optical Landing System，FLOLS)操 纵舰载机沿下滑道下降，保持大约一3．5。的航迹角。FLOLS 系统可发出与下滑道平行的 5层不同颜色的光束，中间为橙 色光束指示理想航迹，如果驾驶员看到的是橙色光，表示飞 机已经在理想航迹上。此时，舰载飞机处在复杂的气流环境 下，除了自然风场外，还有受航母运动引发的扰流，其中最 为显著的是称为“公鸡尾”的舰尾流。另外，由于航母甲板始 终处于运动之中，幅度较大时可使舰尾抬高2m左右，很可 能会造成较大着舰偏差。这些外部影响因素给驾驶员保持下 滑航迹和精确着舰造成困难。此时，航母上的着舰信号官会 综合考虑甲板运动、飞机特性、驾驶员技术等多种因素，通 过无线电向驾驶员发出指令，要求调整飞行状态或者复飞。 与常规飞机着陆时采用的拉平技术不同，舰载飞机在助 降系统导引下采取用撞击式着舰的方式，并通过航母上的拦 阻系统强制飞机在 50~70rn的范围内减速止动。有时会发 ·6592· 第2O卷第24期 2008年12月 王延刚，等：舰载机进舰着舰过程仿真建模 VoI_2ONo．24 Dec一20o8 生制动钩没有挂到拦阻索的情况，也要由 LSO警告驾驶员 做逃逸机动。 由此可见，舰载机整个进舰着舰过程不仅受航母相对运 动、舰尾扰流、起落架动态特性等诸多因素的影响，还涉及 到驾驶员和 LSO等人的行为指令与控制，如图 1。 图 1 舰载机着舰示意图 2 建模方法 2．1航母运动建模 航母的海上运动包括前向行驶运动和海浪造成的扰动 运动。在工程实践中，一般将航母的行驶运动按照定常直线 运动进行处理；而扰动运动通常采用平稳随机过程理论来描 述。文献[10】提供一种拟合窄带平稳随机过程频谱的实用有 效的工程方法一 成形滤波器法，以白噪声输入一个拟合的 航母运动近似传递函数，得到航母扰动运动，再叠加航母行 驶运动最终得到用于仿真的舰船运动。 2．2航母扰流建模 航空母舰扰流的模拟方式有频域法、数据库法和工程化 方法三种【“】，仿真模拟较为普遍采用的是第三种方法。该方 法主要是根据航母扰流的物理特性和成因建立模型，以美军 标 1797A[ 】推荐的模型较为完善，给出的航母舰尾流 (包括 稳态分量、自由紊流分量、周期性分量以及随机分量)扰动 速度的空间分布，能满足工程需要。 2．3柔性多体系统建模 在起落架接触甲板之前，主要运动实体为航母和舰载 机，且二者没有直接作用力或力矩；而涉及到着舰拦阻时， 航母通过起落架对飞机本体产生作用，因此必须考虑起落架 系统的动态特性。整个舰载机进舰着舰动力学系统可视为航 母、舰载机、起落架组成的柔性多体系 ”】。 2．3．1起落架系统 起落架系统的运动模型方面的研究较为成熟[13-15]。该系 统主要由缓冲器和轮胎组成，缓冲器部分可视为一个非线性 弹簧和一个非线性阻尼器的组合体，而轮胎则视为非线性弹 簧与滑移铰的组合，并认为起落架质量集中在缓冲器和轮胎 的结合处【 】，如图 2。据此建立起落架一轮胎仿真模型，缓 冲器和轮胎产生的力仅是各自压缩量的函数，而滑移铰所受 摩擦力也可转化为轮胎压缩量的函数。 非 线 性 阻 尼 器 舰载机本体 l非线性弹簧 起 落 架 质 量 Sos ： ，，、 ，、' 、 ． 航 母 甲板 图 2 起落架～轮胎系统简化示意图 2．3．2多体动力学系统 仅考虑航母和舰载机两个实体时，主要涉及到各运动变 量在牵连于运动航母的舰体坐标系与飞机的航迹坐标系之 问的转换。但是，考虑起落架．轮胎系统的动态特性时，由 于舰载机与起落架，起落架与甲板之间存在严重耦合关系， 其中会涉及到众多坐标系变换，如果使用常规建模方法，使 得模型表达形式变得冗长复杂。利用张量理论，可以将矢量 和矢量矩的表示整齐划一，张量运算又附带参考坐标系的转 换，使模型形式上得到简化，物理概念更加直观【”】。 2．4着舰信号官模型 着舰信号官通常是由经验丰富的舰载机驾驶员来担任， 其主要工作是：在进舰过程前段提醒和帮助驾驶员修正偏 差；在后段判断飞机是正常着舰、复飞抑或逃逸，如果正常 着舰，LSO要给出正常着舰情况下甲板运动的补偿信息。 LSO会根据舰载机机型和驾驶员经验／熟练程度来判断待发 指令的大小，例如，舰载机翼展越大，允许的横向偏差就越 小，这意味着，相同偏差下，LSO对大翼展舰载机驾驶员发 出调整信号的可能性更大。LSO对航迹偏差的判断和发出的 指令具有模糊的性质，因此，采用模糊理论建立 LSO指令 模型比较合理I ，如图3。 图 3 着舰信号官的行为模型 另外，LSO模型还应具有对甲板运动和飞行轨迹预测的 功能【 ，利用人工神经网络技术可以根据目前及过去一段时 间的舰船运动 (或飞行轨迹)情况，对未来一段时间的甲板 位置 (或飞行轨迹)进行预测，而神经网络是模仿人脑工作 方式的一种模型，用于模拟舰载飞机着舰信号官的预测行为 具有天然的合理性【 。 2．5驾驶员模型 舰载机截获下滑道入口后，如果只受到比较小的尾流和 ·6593· 第20卷第 24期 2008年12月 系 统 仿 真 学 报 、r0l_2ONo．24 Dec．．2008 甲板运动影响，飞行状态不需要进行大的调整，驾驶员对舰 载机的操作是连续跟踪行为。如在下滑到入口处即有较大初 始偏差，驾驶员需要进行大的调整甚至复飞。在进舰后期， 由于较大幅度的甲板运动致使飞行着舰信号官发出修正指 令，驾驶员通常会使用限定的最大操纵量，采用近似Bang． bang控制的操作行为，如果着舰拦阻失败，驾驶员还要进 行逃逸。 在进舰着舰整个过程中，驾驶员根据飞行偏差的大小采 取不同的操作方式，符合人的变策略控制行为特征，因此， 适于采用滑动模态变结构控制技术，构建驾驶员变策略控制 模型I6J。驾驶员变策略控制模型具体可分为连续跟踪驾驶员 模型，搜索捕获驾驶员模型，复飞驾驶员模型和逃逸驾驶员 模型，如图4。 偏差信号 ～ 差大＼ ～、 l— 二 驶 员模 型I 驾 驶员 一 l搜索捕获 l— — 一 J昔令 一 — 可 == 一 驾 驶 员 模 型I 一 一 l 逃逸 l— — 一 一l竺 墨堡 J 一， 图4 变策略驾驶员模型 3 模型结构框图 系统仿真结构模型如图5所示。 引导 系 统 一 ’ · ． ． ． ⋯ ⋯ ．●⋯ ⋯ 一 舰 尾流 l扰 模 型 图5 舰载机进舰着舰系统仿真结构模型 4 仿真示例 本文选取一次成功进舰着舰的过程为算例，初始条件设 置如下：当舰载机截获下滑道时，飞机速度 70m／s，航迹角 一3．5。，初始俯仰角 2．7l。，航母行驶速度为 12．86m／s。着舰 时间为仿真的第 21．44s(以起落架第一次接触甲板为准)， 拦阻结束时间为23．7s。主要参数的仿真结果曲线如图6～图 9。在着舰前3s左右，由于甲板抬高，导致理想着舰点上偏， LSO发出增加高度的指令，驾驶员采取上偏升降舵的操作， 飞机航迹角迅速增加，从而使制动钩成功挂到拦阻索上；此 时主起落架先与甲板发生接触，产生的冲击载荷使飞机快速 低头，大约 0．15秒后，前起落架触舰，其载荷迅速增加， 产生抬头力矩，这段时间内，前后起落架缓冲器交替压缩伸 展，速度迅速减小，随后舰载机各个状态量逐步趋近稳定， 最终完成整个进舰着舰过程。 俯仰角时间历程 八 一 ／ j 。 — —] — — — — 俯仰角速度时间历程 二二二==二= 昌一 — — —言— — 一 俯仰角加速度时间历程 。2古_—— — — — ——去 t(s) 图6 航母运动参数仿真结果曲线 着舰信号官高度指令 _ 一 驾驶员舵偏指令 t(s) 图7 着舰信号官与驾驶员指令仿真结果曲线 舰载机航迹角时间历程 t(s) t(s) 舰载机俯仰角时间历程 舰载机迎角时间历程 lO g-, 5 。 一5 图8 舰载机主要运动参数仿真结果曲线 图9 滑跑拦阻段起落架缓冲器压缩量时间历程 5 结论 本文以航母一舰载机一起落架组成的柔性多体系统为 动力学核心，构建了完整的舰载机进舰着舰系统仿真模型。 模型完整性不仅体现在对舰载机进舰着舰任务实现上，而且 综合了能够反映驾驶员和LSO的行为特征的操作指令模型， ·6594· (下转第 6598页) 第2O卷第24期 2008年l2月 系 统 仿 真 学 报 、，01．20No．24 Dec．，2008 的林火蔓延过程，我们发现上述时间变化曲线仍然大体相 参考文献： 同 。 这 说 明 p=0．6 已逼 近 存 在 渗 透 簇 的概 率 阈值 [1】 唐晓燕，孟宪宇，易浩若．林火蔓延模型及蔓延模拟的研究进展 。=O．592746)，这一实验结果与Newman【 的结论基本吻合。 [J]．北京林业大学学报．2002，24(1)：87-91． 因此，森林防火部门可以根据森林的密度制定相应的 口 B r o ’ ： 三。 火灾防范 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 。对于森林管理者来说，森林分布的空间结构 (S0305．0041)，1957．53(4)：629．641． 要保持相对合理和优化。树木过于稀疏会导致经济效益低 [3] von Niessen Blumen A·Dynamic simulation of forest fires[J】l 下，但如果森林密度过大，也不利于木材的自然生长，同时 fF orest 。 ⋯ 还存在很大的火灾安全隐患，林火的破坏力加大，对于林火 Fire spreading experiments on heterogeneous fuel beds．Applications 扑救将带来困难。 of pe 1 i h。ory[J]．c di 。 1 0f Forest R。search (s1208-6037)，2000，30(8)：1318—1328． 4 结论 [5]Tara Borlawsky．Forest Fire Simulation using Percolation Theory[EB／OL] http：／／www．dbmi．columbia．edu／homepages／tbb7001／projects．htm． 渗透理论特别适合于无序介质的建模，本文提出了一 [6] B Po~efie，N Zekfi，et a1．Modeling forest fire spread and spotting 种基于渗透理论的林火蔓延模型及其模拟算法，该模型能够 p (s ro 00 ce 1 s 。 s ． ， 2 c0mb i0“ and n 较好地反映森林分布的随机性，以及森林分布密度对于林火 【7] G Caldarelli，R Frond0ni， t Perc01ation in rea1 wildfires『J1_ 破坏能力的影响。提出的模拟算法能够较直观地显示森林火 EurophysicsLetters(S0295_5075)，2001，56(4)：510—516 灾的动态蔓延过程，对于森林防火演练与指挥以及森林资源 量 砒i0“Th。。 · PA’usA： 管理都具有一定的指导意义。与以往同类算法相比，该算法 [9] M E J Newman，R M Ziff．Efficient Monte Carlo algorithm and 的计算复杂度低，有效提高了计算效率。国内外林火研究人 high-p 。isi rcsu s for P。 o 砒ion 【J】．PhYs·Rev．Le · 员一直致力于林火行为特征及其可视化的研究 ，试图将 [101 Mariusz Majewsl【i ， KrzysZt。fMalarz．sqllare Lattice site Percol afj0玎 林火蔓延过程的各种影响因子结合到林火模型中来，以使其 Thresholds for Complex Neighbourhoods[J]．Acta Physica Polonica 更加符合客观实际。本文提出的林火蔓延模型还没有将可燃 B(S05874254)，2007，38(6)：2191-2199． 物、地形和气象等因素结合起来，与客观现实中的森林火灾 [1 1 苎王 ． 晓瑞·关于森林燃烧火行为特征参数的计算 发生、发展规律还有一定差距。因此，研究将地形、植被、 [12】Francisc～o J Ser6n ， D Gutierrez, 口，．The Ev0lution of a wild1and 气象等各种属性与渗透理论相结合的林火蔓延模型及其三 Forest Fire Front[J]．The Visual Computer(S0178-2789)，2005， 维可视化是我们下一步研究的重点。 ” 一 一 一 一 一 毒一⋯ ●一一⋯ ⋯ 一 一 + 一 一 一囊一⋯ 尊一一 一 一毒一⋯ 簟一一 一 + 一 一 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf 一 (上接第 6594页) 北京航空航天大学学报，2003，29(1 1)：993—997 并且考虑舰载机特殊的扰动风场和海浪运动等外部环境。因 此，该仿真模型不仅能够研究舰载机着舰飞行动力学问题， 而且对研究航母—舰载机的适配性、航母一舰载机一起落架 相互耦合等多学科交叉问题都有着重要的理论和实际意义， 为探索 LSO对驾驶员行为的影响特性、研究二者协作机理 提供便利的仿真工具。 参考文献： [1】 Urnes JM，HessRK．Development oftheF／A·18AAutomaticCarrier Landing Sy~em [J]．Journal of Guidance，Control and Dynamics (S0731-5090)，1985，18(3)：289 295 【2] 张明廉，徐军．舰载飞机 自动着舰系统的研究[J]．北京航空航天大 学学报，1994，20(4)：386-291． 【3] 于勇，杨一栋，代世俊．着舰导引中的 Ho。飞行／推理控制系统研究 [J]．南京理工大学学报，2003，27(3)：256—260． [4] Steinberg Marc L．A Comparison of Neural，Fuzzy,Evolutionary,and Adaptive Approaches for Cartier Landing [cv AIAA Guidance， Navigation，and Control Conference，2001．USA：AIAA，2001． 【5] Anderson M R．Inner and Outer Loop Manual Control of Carrier AircmR Landing[C]ll AIAA Guidance，Navigation and Control Conference，1996．USA：AIAA，1996． 【6] 屈香菊，崔海亮．舰载机进舰任务中的驾驶员变策略控制模型[J]． [7] [8] [9] [1O] [11] [12】 [13] [14] [15] ·6598· Richards R，Chrenka J，Thordsen M．Artificial intel~gence technique for Pilot Approach Decision Aid Logic(PADAL)System ]11 AD-A388045，2001．USA：AD，2001． 石明，屈香菊，王萌辉．甲板运动对舰载机人工着舰的影响和补偿 川．飞行力学，2006，24(1)：5-8． 石明，崔海亮，屈香菊．舰载飞机进舰降落信号员模型建模叨．北 京航空航天大学学报，2006，32(2)：135—138． Durand T S，TeperG L．AnAnalysis ofTerminal Flight Path Control in Carrier Landing[R]／／AD606040，1964．USA：AD，1964． 彭兢，金长江．航空母舰尾流数值仿真研究[J]．北京航空航天大学 学报，2000，26(3)：340．343． F1ying Qualities ofPilotedAircraft．M几一STD一1797[S】．March 1987． Liu Weiwei，Qu Xiangiu．Modeling of carrier-based aircraft ski jump take—off based on tensor [J]．Chinese Journal of Aeronautics (S1 000-9361)，2005，1 8(4)：326—335． 徐冬苓，李玉忍．飞机起落架数学模型的研究[J]．系统仿真学报， 2005，17(4)：831-833．(Xu Dongling，Li Yuren Mathematical model research on aircraft landing gear[J]l Journal of System Simulation (S1004-731 X)，2005，l7(4)：831—833．) 朱剑毅，李麟．飞机起落架的动力学建模及仿真[J]．系统仿真学报， 2006，18(6)：1434·1436．(Zhu Jianyi，Li Lin．Dynamics modeling and simulation of planes’landing gear[J]．Journal of Sy~em Simulation (S1004 731X)，2006，18(6)：1434-1436)