基于物—場模型的飛行模擬器運動系統(tǒng)結構優(yōu)化設計

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0 引言

飛行模擬器是一種較為復雜的地面仿真設備，與真實飛行器相比，飛行模擬器在飛機特性研究和飛行員培訓方面具有成本低、耗時少、安全性高、應用靈活等優(yōu)點[1-3]。它通常由模擬座艙、運動系統(tǒng)、視景系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)及控制臺等五大部分組成。其中，運動系統(tǒng)負責提供飛行運動過程中飛行員需要體驗到的俯仰、滾轉(zhuǎn)、偏航、升降、縱向平移和測向平移的六自由度順勢過載動感，重力分量的持續(xù)感及部分沖擊抖動體驗，使飛行仿真過程更加逼近真實飛行，其性能的優(yōu)劣將直接關系到飛行模擬的逼真度[4]。自1965年，D.Stewart提出將并聯(lián)六自由度機構用作訓練飛機駕駛員的飛行模擬器以來，這種由上下平臺和6根驅(qū)動桿組成的并聯(lián)機構被普遍應用于飛行模擬器的運動系統(tǒng)之中。盡管并聯(lián)機構的實際應用和理論研究取得了大量的研究成果，但是在運動學、奇異性、動力學方面仍然存在一些有挑戰(zhàn)性的問題，機構運動求解的算法過于復雜且沒有統(tǒng)一高效的解算辦法，同時，其運動模擬幅度小，過載加速度偏低，過載持續(xù)時間短，逼真度不夠，限制了其應用范圍[5-8]。如果能夠從機構上轉(zhuǎn)化模型，將能改變這一現(xiàn)狀，因此，本文在TRIZ理論物-場模型原理基礎上，簡化物—場模型并對并聯(lián)六自由度模擬器進行優(yōu)化，提出一種多自由度飛行模擬運動機構模型，并以此驗證物—場模型簡化辦法在系統(tǒng)創(chuàng)新改進方面的優(yōu)勢。

1 物—場模型及其求解過程

物—場模型分析方法是TRIZ理論中一種重要的發(fā)明問題分析工具，它將所有的功能分解為3個基本要素：2種物質(zhì)和1種場，3種基本要素相互作用，可以簡潔描述和分析問題，并且可以采用76個標準解進行求解[9-10]。

復雜系統(tǒng)可以相應用復雜的物—場模型進行描述，通常構造物—場模型有以下4步[5]：

1)識別元件。根據(jù)問題所在的區(qū)域和問題的表現(xiàn)，確定造成問題的相關元素，即查找物體S1、S2和作用其上的場F。

2)構建模型。根據(jù)第一步的找到的相關元素繪制出問題所在的物—場模型，并判別系統(tǒng)的完整性、有效性。如果缺少組成系統(tǒng)的某元件，要盡快確定它。模型反映出的問題應與實際問題一致。

3)選擇解法。根據(jù)物—場模型所表現(xiàn)出的問題，應用一般解法或從76種標準解法中選擇一個最恰當?shù)慕夥?。如果有多個解法，則逐一對比，尋找最佳解法。

4)發(fā)展概念。在考慮各種限制條件的情況下，將找到的解法與實際問題對照處理，應用于設計過程中，獲得最終解決方案。

圖1的流程圖指出了運用物—場模型實施創(chuàng)新的過程。這個循環(huán)過程不斷重復第三步和第四步，直至建立出一個完整模型。

圖1 物—場模型問題解決流程圖

其中，76種標準解法分成5級，各級中解法的先后順序反映了技術系統(tǒng)必然的進化過程和進化方向，每級中又分為數(shù)量不等的多個子級，共有18個子級，每個子級代表著一個可選的問題解決方向。5級標準解法特征如表1。

表1標準解法特征

TRIZ理論中，常見的物—場模型的類型有4種：有效完整模型、不完整模型、效應不足的完整模型、有害效應的完整模型。其中后3者是需要得到解決的問題。

在處理實際問題過程中，直接采用76種標準解法常常會增加問題處理的困難程度，為了簡化工作量，可采用表2中抽象提取的物—場分析6種一般解法去應對常規(guī)發(fā)明問題。

表2物-場模型一般解法

2 基于物—場模型的飛行模擬器運動系統(tǒng)結構設計

2.1 問題分析

圖2 六自由度運動平臺 結構簡圖

運動系統(tǒng)負責提供飛行運動過程中飛行員需要體驗到的俯仰、滾轉(zhuǎn)、偏航、升降、縱向平移和測向平移的六自由度順勢過載動感，重力分量的持續(xù)感及部分沖擊抖動體驗，目前廣泛使用的傳統(tǒng)6-TPS機構原理如圖2，通過對6個液壓缸的伸縮控制來實現(xiàn)上述部分動作要求。由于液壓缸支腿以及其他實體結構的干涉作用，導致上平臺無法實現(xiàn)水平方向和垂直方向360°旋轉(zhuǎn)和滾轉(zhuǎn)運動，無法模擬飛機可能需要的空中翻滾和持續(xù)加速等過程；同時，它還導致其動感模擬洗出算法要考慮在使飛行模擬器在完成一次突發(fā)運動后，必須能緩慢回到中立位置，為下一次運動做好準備等問題[7]；整個機構設計缺陷也導致其無法模擬長時段高過載動感和重力分量的持續(xù)感，運動學正解比較困難，且解不唯一等問題。

為了提高飛行模擬器的逼真度，拓展其應用范圍，需要優(yōu)化的主要問題可以歸結為兩方面：1)實現(xiàn)水平方向和豎直方向360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)運動；2)提供持續(xù)過載動感，并能實現(xiàn)過載的寬幅調(diào)節(jié)。

2.2 構建物—場模型

圖3 原系統(tǒng)物-場模型

并聯(lián)六自由度運動平臺的工作原理是下平臺固定，通過控制液壓缸支腿的伸縮，使支腿繞上下平臺的萬向鉸鏈轉(zhuǎn)動，進而控制上平臺完成豎直和水平方向一定角度的俯仰和旋轉(zhuǎn)動作，根據(jù)問題分析過程可知，下平臺S2能液壓支腿鉸鏈裝置F1控制上平臺S1完成部分短時段逼真感運動，無法模擬運動復雜性要求較高的飛行模擬器所需要的水平方向和垂直方向360°旋轉(zhuǎn)和滾轉(zhuǎn)運動，以及提供持續(xù)過載動感等逼真感要求。其過程存在：兩種物質(zhì)——模擬艙平臺和下平臺；一種場(機械場)——液壓支腿伸縮過程。該問題是一個效應不足的完整模型，其模型簡圖如圖3。

2.3 選擇物—場模型的簡化解法及其簡化過程

對照表2，該效應不足的完整模型的一般解法有4，5，6三種。為了不增加系統(tǒng)復雜性、計算成本和物—場成本，排除必須增加場才能提供所需功能的前提下，不建議采用表2中的5、6解法，模型可得到簡化，系統(tǒng)改進如圖4所示。

對于問題的第一個方面——實現(xiàn)模擬艙水平方向和豎直方向360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)運動，即是要使其完成X、Y、Z三軸旋轉(zhuǎn)運動，需要完成兩項任務：1)克服原模型液壓支腿干涉過程，實現(xiàn)模擬艙的支撐；2)實現(xiàn)模擬艙平臺繞三軸360°可連續(xù)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動過程。根據(jù)圖4，先確定可利用場，才能根據(jù)知識庫中現(xiàn)有技術所能提供的有效模型進行匹配，可利用的場有重力場、磁場、氣動場、液壓場、機械場，可得到的模型描述如表3。

表3可用模型

圖4 系統(tǒng)改進

如果不考慮技術實現(xiàn)代價，表3中的4種方案均能實現(xiàn)模擬艙三坐標軸360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)運動，進而解決問題的第一個方面。

對于問題的第二個方面——提供持續(xù)過載動感以及實現(xiàn)過載的寬幅調(diào)節(jié)，要考慮的問題是：飛行過程中產(chǎn)生人體生理過載是由飛機動力矢量變化使人體在慣性作用下產(chǎn)生的反應，對于這一問題的復現(xiàn)，模擬艙的運動矢量也要讓人體慣性在動態(tài)環(huán)境下體現(xiàn)出來，由于模擬空間有限，必須向超系統(tǒng)[10]拓展，增加場F3和約束驅(qū)動物體S4，需要對圖4模型進行強化，其模型轉(zhuǎn)化如圖5。

圖5 系統(tǒng)改進

搜索知識庫，能夠利用的有效能量場有機械場、電場和磁場可為改進模型提供離心力，才能模擬人在動態(tài)條件下的慣性持續(xù)過載動感狀態(tài)，而電場和磁場模擬需要模擬艙外部帶大量電荷來提供庫侖力或洛侖茲力，系統(tǒng)危險性加大，不建議采用。只剩下采用機械場，并通過物理器件連接，為改進系統(tǒng)A2提供離心力，從而模擬持續(xù)過載動感和過載調(diào)節(jié)。

參考表3的4個方案，若通過物理器件連接改進系統(tǒng)A2，則表3中的方案2、3、4均難以給S1和S3提供同步動態(tài)矢量運動，只剩下方案5可以完成這一目標。

2.4 方案完善過程

由上述推理過程可知，圖4中采用表3的方案5改進系統(tǒng)A2：能量場F2為機械場(三軸旋轉(zhuǎn)支架旋轉(zhuǎn)驅(qū)動過程)，物體S3為驅(qū)動電機支持器件。在圖5的改進系統(tǒng)A3中，機械場F3控制S1、S3和F2組成的A2系統(tǒng)在底座支持器件S4的驅(qū)動下繞S4做旋轉(zhuǎn)運動，使A2系統(tǒng)產(chǎn)生離心力作用。其方案Pro-E建模簡化模型如圖6。

圖6 模型簡圖

該機構工作過程：驅(qū)動底座下部固定，上部通過驅(qū)動電機或液壓馬達驅(qū)動吊臂旋轉(zhuǎn)，使模擬艙產(chǎn)生離心力，控制系統(tǒng)控制三軸旋轉(zhuǎn)支架繞3個坐標軸旋轉(zhuǎn)，完成生理矢量過載與視景顯示的自適應過程，對于振動效果則由模擬艙內(nèi)座艙振動機構提供。

對比傳統(tǒng)6-TPS運動平臺，該機構模型的明顯優(yōu)勢有：在三軸旋轉(zhuǎn)支架的驅(qū)動下可為模擬艙提供三坐標360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)運動；驅(qū)動底座控制吊臂的旋轉(zhuǎn)運動可為模擬艙提供持續(xù)過載動感，并能實現(xiàn)過載的寬幅調(diào)節(jié)；由于實現(xiàn)了連續(xù)運轉(zhuǎn)過程，其洗出算法和求解過程也隨之得到模型簡化；在旋轉(zhuǎn)吊臂靜止條件下可模擬6-TPS運動平臺的工作要求，在旋轉(zhuǎn)吊臂可變運動條件下可模擬戰(zhàn)斗機等其他設備高難度動作，拓展了其應用性能。

3 結束語

物—場模型分析方法是TRIZ理論關于發(fā)明創(chuàng)造問題的一種分析工具[10]。本文在TRIZ理論中的物-場模型原理基礎上，簡化模型并對目標進行模型優(yōu)化，提出了一種新型多自由度飛行模擬運動機構模型，驗證了物-場模型簡化辦法在系統(tǒng)創(chuàng)新改進方面所具有的顯著優(yōu)勢。