直升機飛行參數綜合分析系統的設計與實現

葉 飛,彭秀云,王立國,肖 陽

（1、總參陸航部駐株洲地區軍事代表室,湖南株洲412002;2、總參陸航研究所機體與發動機室,北京 101121）

直升機飛行參數綜合分析系統的設計與實現

葉 飛1,彭秀云1,王立國2,肖 陽2

（1、總參陸航部駐株洲地區軍事代表室,湖南株洲412002;2、總參陸航研究所機體與發動機室,北京 101121）

本文的研究目的是實現直升機飛行參數的綜合分析,建立了數據采集裝置、飛行參數維護子系統、飛行參數信號處理與分析子系統、智能故障診斷子系統、虛擬飛行再現與評估子系統五個部分。闡述了各個子系統的設計思路和方法,系統的設計和實現對于直升機飛參記錄系統校驗維護、直升機技術狀態監控、飛行質量評估和飛行安全及事故分析具有重要的意義。

直升機;飛行參數;綜合分析;狀態監控

飛行參數記錄器（黑匣子）按照時間次序記錄了直升機每次飛行的各種飛參數據,它能客觀真實地反映飛行的狀態。隨著飛行時間的推移,將積累大量的飛參數據,其中包含大量珍貴的飛行資料,以某型直升機為例,單架直升機每個月將產生大約0.5G的數據。數據量非常龐大,依據原來的數據文件進行存儲將非常耗時費力。以往對飛參數據進行分析時只是依據專家的經驗人工進行,不僅直觀性差,效率低下,且大大增加了數據分析的難度。一些潛在的故障不能被及時發現和處理,導致一些重大事故的發生,對直升機的飛行安全構成了極大的威脅。

隨著數據庫技術、人工智能技術、機器學習、神經計算、圖像圖形技術和虛擬仿真技術的不斷成熟和完善,使開發具有飛參數據進行信號處理與分析、智能故障診斷、虛擬飛行再現與評估功能的綜合分析系統成為可能。該系統的開發對實現直升機基于狀態的維修、確保飛行安全具有重要的意義。

1 綜合分析系統的體系結構

直升機飛行參數綜合分析系統包括飛行數據采集裝置、飛行參數維護子系統、飛行參數信號處理與分析子系統、智能故障診斷子系統和虛擬飛行再現與評估子系統五個部分。如圖1所示：

圖1 綜合分析系統的體系結構

數據采集裝置包括飛參數據讀取單元、艙音信號獲取單元;飛行參數維護子系統包括飛行數據的管理、編輯、維護和糾錯功能模塊,實現了飛行參數的綜合管理;飛行參數信號處理與分析子系統包括直升機艙音信號濾波模塊、時域分析、頻域分析和相關性分析等模塊,實現了飛行參數的綜合分析;智能故障診斷子系統具有自學習、交互式、開放式的功能,構建的知識庫和規則庫具有開放性和可擴充性,實現了專家經驗的積累;虛擬飛行再現與評估子系統,能夠再現直升機的飛行狀態和儀表仿真,具有查詢、快放、回放的功能,可以選擇任何時間段的飛行姿態、航跡繪制,逼真度好,可信度高,能夠實現飛行質量的評估。軟件運行效果如圖2所示：

圖2 軟件系統運行效果

2 實現中的關鍵技術

2.1 飛參數據采集和預處理

該型直升機的飛參數據有特定編碼,需要翻譯使用,該系統接收由走帶裝置傳來的雙頻碼數據,將雙頻碼變換為標準的數據信號,對其同步后用幀同步字加以識別,并以一定的協議與計算機軟件系統進行交互,使計算機軟件系統正確的接收數據并存儲在數據庫中。[1]編碼飛參數據共64種,飛參信號可以分為模擬信號和數字信號。其中數字信號也稱為一次性指令。虛擬飛行再現系統用到的是一小部分,具體包括：氣壓高度、無線電高度、傾斜角、俯仰角、磁航向、空速表和起落架信號等。飛參大部分數據采樣頻率為每秒1次,部分數據每秒2次,由于直升機飛行速度快,如果只是按照采用采樣點首尾相連的折線方式計算直升機的空中姿態,將會發現直升機飛行再現模擬時在空中有明顯抖動,與實際不符,且影響觀察效果。

分箱方法通過考察“鄰居”（即周圍的值）來平滑存儲的數據值。它將存儲的值分布到一些箱中,由于分箱方法需要參考相鄰的值,因此它能對數據進行局部平滑。[2]表1中的數據是飛參數據庫中9個實體的速度,“speed”數據首先被劃分并存入等深的箱中（深度3）,爾后用等箱深法、箱平均值法、箱中值法、箱邊界法方法進行數據平滑,如表1所示：

通過對飛參數據的分箱平滑計算后,可在不影響真實性的前提下,有效解決直升機三維視景中直升機模型抖動的問題。

2.2 模糊推理技術

直升機飛行參數綜合分析系統的一個主要功能是對飛行員的訓練情況進行評估,并將模糊推理理論應用到訓練評估中。

采用Takagi-Sugeno（T-S）模糊系統進行模糊推理計算時,先將底層指標的測試數據轉化為計算輸入的模糊集向量。模糊集一般用模糊隸屬度函數表示成四維的模糊集輸入。利用S型（Sigmoid）函數具有光滑、平整過渡、連續可微和非線性特性,將其作為隸屬度函數,由此得到飛行評估子系統的隸屬度函數式：

表1 數據平滑的分箱方法

等級對應的參數如表2所示。輸入三個底層指標的測試數據,可以獲得每個指標屬于不同評語等級的模糊隸屬度,再利用模糊規則庫進行T-S模糊推理,具體計算公式如（2）、（3）、（4）：[3]

表2 等級對應參數表

2.3 飛行參數信號處理與分析

飛行參數綜合分析系統中,包括大量的聲音、振動等信號需要進行分析與處理,課題采用美國NI公司的“虛擬儀器”軟件LabVIEW中的信號分析與處理模塊進行了信號的綜合分析與處理。[4]其基本任務是通過飛行參數獲得的振動或語音信號后,經過信號處理可求得信號的特征值,如均方值、均值、方差和概率密度等,有這些特征值可以分別獲得對應的振動強度、平穩振動幅度、波動情況、振幅取值概率等有用信息。

在LabVIEW中,Time Domain提供了11個函數,包括卷積、反卷積、自相關、互相關、積分、微分、延時等運算。課題主要對信號的相關函數進行了處理。

自相關函數描述的是隨機信號時間間隔τ為的任意兩個時刻t與t+τ的取值x（t）與x（t+τ）的相關性,記為Rx（τ）或E[x（t）x（t+τ）]。當記錄時間T不為∞時,求得的是估計值,記為（τ）。相關函數包括自相關函數和互相關函數。圖3是相關函數的一個實例。

圖3 綜合分析系統的時域分析

2.4 智能故障診斷

直升機是一個綜合系統,各種交聯關系錯綜復雜。要建立智能故障診斷系統,必須發揮大量相關領域專家的主觀能動性,不斷獲取、統計、分析、總結知識,豐富知識庫;同時,借鑒發展現有經過驗證的專家系統推理機制。在建立診斷系統時,需要解決以下兩個問題：一是如何將大量排故經驗集中并以知識庫的方式存在計算機內,建立知識庫;二是怎樣模擬領域專家的思維過程,實現對故障的識別。

課題利用人工智能技術,開發了基于樹結構的智能故障診斷子系統,具有知識庫開放式編輯、交互式學習、自學習等功能,能夠有效積累人類專家飛參分析的經驗,為直升機的故障、飛行安全及事故分析提供技術保障,實用性強。運行效果如圖4所示：

圖4 綜合分析系統的智能故障診斷

2.5 三維實時顯示技術

系統的三維顯示技術通過專用視景驅動軟件—VTree4.0來實現,該軟件提供強大的地貌、地景構建工具,支持3DMAX,Open Flight,vt等格式模型導入,提供雨,雪,陰,晴等高級特效,具有較好的人機界面,執行效率高,具有流暢、真實的視覺效果。

系統以真實的數據構建了機場模型、直升機模型和天景模型,直升機模型能夠在構建的虛擬場景中按照真實的飛參數據進行驅動,系統包含基礎環境創建子模塊、實體模型導入子模塊、特殊效果生成子模塊、數據接口管理子模塊、實體模型管理子模塊和天候生成管理子模塊,結構組成如圖5所示：

圖5 圖形管理模塊組成結構圖

本系統針對的直升機由于沒有安裝全球定位系統（GPS）,因此需要對飛參中空速表等參數進行積分運算,得到直升機的空間地理位置。根據飛參記錄儀中記錄的空速表、總槳距桿位置、起落架信號、磁航向、氣壓高度表、無線電高度表等參數,運用飛行動力學理論可直接通過積分法算出飛行軌跡,具體計算如下：

假設坐標以正北向為Y軸,正東向為X軸,取直升機開始運動的位置為相對坐標原點,速度為V,迎角為,俯仰角為ν,磁航向角為,風速為W,風向與正北方向夾角為,時間步長為,系統采用如下計算公式：[5,6]

2.6 儀表顯示技術

航空虛擬儀表組件是飛參飛行再現系統軟件平臺的重要組成部分,是對數據進行以儀表為主并結合二維曲線、參數表等形式綜合顯示的工具。本系統虛擬儀表開發采用GL—Studio軟件,該軟件能夠大幅度增加虛擬環境中沉浸感,提高逼真度。本虛擬儀表軟件的特點是具有照片級真實感,其功能如下：

1）能夠實現航空儀表面板、刻度、指針的定制和編輯,實現各種參數的綁定驅動,提供“所見即所得”專業級數據顯示解決方案。

2）組件提供豐富的虛擬儀表資源庫和二維曲線表模板,可以使用配套工具進行開發和擴展,制作專業領域的虛擬儀表資源。

3）具有開放的數據接口,支持網絡、文件、常見計算機接口等多種類型的數據接口,支持數據文件、SQL Server、Access數據庫及自定義的數據文件格式。

飛行再現系統運行截圖如圖6所示。

a三維視景

圖6 飛行再現系統運行截圖

3 結束語

直升機綜合分析系統構建了數據采集裝置、飛行參數維護子系統、飛行參數信號處理與分析子系統、智能故障診斷子系統、虛擬飛行再現與評估子系統的一體化平臺。建立了飛行參數信號處理與分析子系統,對飛行數據進行了預測分析,實現了直升機技術狀態監控。為實現直升機基于狀態的維修奠定了技術基礎,開發的智能故障診斷子系統,實現了直升機故障的智能診斷和專家飛參分析經驗的積累,對飛行安全及事故分析具有重要作用,實用性強。該系統利用直升機飛行原理,建立了直升機飛行參數和飛行特性的相關性模型。利用操縱量推算直升機的狀態量,在飛參量值不足的情況下利用操縱量推算狀態量,實現了直升機三維虛擬飛行再現,與固定翼飛機相比直升機飛行具有懸停轉彎、倒飛、側飛等自身特性,技術難度大,三維虛擬飛行再現對直升機飛行訓練及飛行質量評估提供了新的手段。系統綜合技術水平先進。課題的研究成果已經在多家單位得到推廣和應用,實際效果良好。

[1]付戰平,等.基于OpenGL的飛行過程再現與仿真[J].系統仿真學報,2002,14（9）：1197-1199.

[2]吳建剛,等.飛參記錄數據計算機處理的有關問題研究[J].計算機仿真,2007,（2）：18-21.

[3]范劍鋒.橋梁健康狀態的智能評估方法研究[D].武漢理工大學,2006：64-69.

[4]邱智.飛參記錄數據處理方法研究[J].科技信息, 2007,（18）：123-124.

[5]王煒,等.飛參驅動的虛擬飛行再現系統設計與實現[J].系統仿真學報,2007,19（19）：2000-2002.

[6]童梅,等.飛行再現系統的實現及其在飛行參數處理中的應用[J].計算機仿真,2002,19（1）：63-65.

[編校：張芙蓉]

Design and Realization about Synthesis Analysis System for the Helicopter Flight Parameter

YE Fei1,PENG Xiuyun1,Wang Liguo2,XIAO Yang2
（1、Military Representatives'Office in Zhuzhou District of Air and Land Branch of the Headquarters of theGeneral Staff,Zhuzhou Hunan 412002;
2、The Body and Engine Laboratary of the Air and Land Research Institute of theHeadquartersof theGeneral Staff,BeiJing 101121）

The purpose of the paper is to realize synthesis analysis for the helicopter flight parameter.Itdesigns data collection equipment,flightparametermaintenance subsystem,disposal and analyssis subsystem for flight parameter signal,intelligentobstacle diagnosis subsystem and virtual flightemersion and evaluation subsystem,and expatiates the design idea and method for each subsystem.The design and realization of the system has an importantmeaning for the verification and and maintenance of the helicop ter flight parameter recoder system,the helicopter technology statusmonitor,flight quality evaluation and flight incidents analysis.

helicopter;flight parameter;synthesis analysis;statusmonitor

TP306

A

1671-9654（2010）02-034-05

2010-03-11

葉飛（1983-）,男,陜西澄城人,工學碩士,研究方向為航空宇航推進理論與工程。