試飛駕駛技術(shù)地面模擬評(píng)價(jià)方法研究

張曉敏, 潘運(yùn)亮, 黨維

(1.中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院 中航工業(yè)飛行仿真航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710089;2.空軍工程大學(xué) 航空航天工程學(xué)院, 陜西 西安 710038)

0 引言

飛行試驗(yàn)駕駛技術(shù)是飛行試驗(yàn)技術(shù)的重要組成部分,只有通過(guò)恰當(dāng)?shù)娘w行試驗(yàn)方法和準(zhǔn)確的飛行動(dòng)作所獲得的試驗(yàn)結(jié)果才能可靠地驗(yàn)證飛機(jī)/直升機(jī)的飛行性能、飛行品質(zhì)、結(jié)構(gòu)完整性、飛行控制系統(tǒng)、動(dòng)力裝置及機(jī)載系統(tǒng)與戰(zhàn)技指標(biāo)、相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的符合性[1]。近年來(lái)的型號(hào)工程實(shí)踐表明,試飛員的駕駛技術(shù)水平將直接影響飛行試驗(yàn)的質(zhì)量、效率、安全乃至整體進(jìn)程,是決定飛行試驗(yàn)成敗的關(guān)鍵[2]。現(xiàn)有試飛員的水平參差不齊,完成試飛動(dòng)作的質(zhì)量有一定的差別,卻沒(méi)有一套標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)價(jià)方法和體系對(duì)試飛員的駕駛技術(shù)進(jìn)行分析,造成現(xiàn)有試飛員駕駛技術(shù)培訓(xùn)效率低下、成本和風(fēng)險(xiǎn)較高的局面。

本文以試飛駕駛技術(shù)評(píng)價(jià)系統(tǒng)研究為目的,建立基于地面模擬的試飛員駕駛技術(shù)評(píng)價(jià)系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，開(kāi)展了典型試飛動(dòng)作的評(píng)價(jià)方法研究,形成了與每個(gè)試飛動(dòng)作相對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn);然后設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了試飛駕駛技術(shù)的評(píng)價(jià)軟件,用于評(píng)價(jià)試飛員典型試飛動(dòng)作的技術(shù)水平,同時(shí)按照分值給出試飛員駕駛技術(shù)評(píng)價(jià)等級(jí),分別為:優(yōu)、良、合格和不合格。最后邀請(qǐng)?jiān)囷w員和試飛工程師開(kāi)展地面模擬驗(yàn)證,獲得了能夠真實(shí)、客觀反映試飛員駕駛技術(shù)水平的地面模擬評(píng)價(jià)系統(tǒng)。

1 評(píng)價(jià)系統(tǒng)和評(píng)價(jià)方法

目前所建立的駕駛技術(shù)評(píng)價(jià)系統(tǒng)可以進(jìn)行地面典型試飛動(dòng)作(脈沖、階躍、掃頻等開(kāi)環(huán)試飛動(dòng)作和姿態(tài)截獲、收斂轉(zhuǎn)彎、協(xié)調(diào)側(cè)滑等閉環(huán)試飛動(dòng)作)的評(píng)價(jià),為試飛員提供一個(gè)準(zhǔn)實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)結(jié)果,用于支持試飛員駕駛技術(shù)培訓(xùn);也可以進(jìn)行單個(gè)試飛動(dòng)作的多次操縱評(píng)價(jià),試飛員可以獲得對(duì)某一動(dòng)作操縱的成功率。將來(lái),該系統(tǒng)可以對(duì)空中試飛動(dòng)作、或任務(wù)單完成情況進(jìn)行評(píng)價(jià),即將試飛數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)下傳到地面評(píng)價(jià)系統(tǒng),此時(shí)評(píng)價(jià)系統(tǒng)相當(dāng)于一名虛擬地面指揮員,會(huì)對(duì)試飛情況進(jìn)行評(píng)價(jià)并提出正確的指揮要求。圖1為試飛駕駛技術(shù)地面模擬評(píng)價(jià)過(guò)程圖。

圖1 試飛駕駛技術(shù)地面模擬評(píng)價(jià)過(guò)程圖Fig.1 Evaluation process of the flight test piloting technologies on ground simulation

在GJB624的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上,本文對(duì)試飛駕駛動(dòng)作進(jìn)行了細(xì)分,將整個(gè)試飛動(dòng)作分為三個(gè)階段:配平段、動(dòng)作段和結(jié)束段,并對(duì)每一個(gè)階段的評(píng)價(jià)指標(biāo)也進(jìn)行了詳細(xì)劃分,使得評(píng)價(jià)更準(zhǔn)確、問(wèn)題定位更具體[3]。由于試飛動(dòng)作較多,且評(píng)價(jià)指標(biāo)均有差異,因此本文僅以俯仰脈沖動(dòng)作為例進(jìn)行介紹,其他動(dòng)作不再贅述。表1為配平段的評(píng)價(jià)要求,按照等級(jí)給出了相應(yīng)參數(shù)的變化范圍,可通過(guò)表中參數(shù)的變化量進(jìn)行評(píng)價(jià)。其中,不合格項(xiàng)中任一參數(shù)符合條件,整個(gè)配平段則判為低于60分,再根據(jù)其他參數(shù)的情況確定其最終得分[4]。

表1 配平段評(píng)價(jià)指標(biāo)要求Table 1 Evaluation indexes of the trimming section

表2為動(dòng)作段的評(píng)價(jià)要求,表3為脈沖動(dòng)作的結(jié)束段評(píng)價(jià)要求。

表2 動(dòng)作段評(píng)價(jià)指標(biāo)要求Table 2 Evaluation indexes of the maneuvering section

表3 結(jié)束段評(píng)價(jià)指標(biāo)要求Table 3 Evaluation indexes of the ending section

因?yàn)榻Y(jié)束段要求飛機(jī)自由振蕩,試飛員在自由振蕩未結(jié)束前絕對(duì)不能有任何輸入，因此這一階段最終的判斷就是試飛員是否有桿、舵輸入。

2 評(píng)價(jià)軟件設(shè)計(jì)

本文試飛駕駛技術(shù)評(píng)價(jià)軟件包括試飛駕駛技術(shù)評(píng)價(jià)算法和試飛駕駛技術(shù)評(píng)價(jià)界面。評(píng)價(jià)算法主要進(jìn)行評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的執(zhí)行、邏輯判斷、數(shù)據(jù)計(jì)算和存儲(chǔ)等;評(píng)價(jià)界面主要進(jìn)行動(dòng)作、參數(shù)等的設(shè)置、數(shù)據(jù)顯示等邏輯控制。評(píng)價(jià)算法通過(guò)反射內(nèi)存網(wǎng)從操縱加載計(jì)算機(jī)讀取飛行員操縱量,從動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算機(jī)讀取飛機(jī)飛行參數(shù),為評(píng)價(jià)提供參數(shù);然后通過(guò)UDP網(wǎng)絡(luò)從評(píng)價(jià)界面中獲取評(píng)價(jià)開(kāi)始指令、結(jié)束指令和動(dòng)作編號(hào)等信息,控制評(píng)價(jià)算法的運(yùn)行[5]。當(dāng)評(píng)價(jià)算法接收到評(píng)價(jià)開(kāi)始指令后,根據(jù)動(dòng)作評(píng)價(jià)算法對(duì)試飛員的操縱進(jìn)行打分并給出綜合評(píng)價(jià)。

2.1 試飛駕駛技術(shù)評(píng)價(jià)算法

圖2 試飛動(dòng)作評(píng)價(jià)算法流程圖Fig.2 Algorithm flow chart for evaluation of flight test maneuver

評(píng)價(jià)算法流程如圖2所示。為了客觀真實(shí)地評(píng)價(jià)學(xué)員駕駛技術(shù)水平,評(píng)價(jià)算法不僅對(duì)試飛動(dòng)作的階段、參數(shù)按照重要性分配相應(yīng)權(quán)重進(jìn)行評(píng)價(jià),而且綜合教員打分和系統(tǒng)打分給出學(xué)員綜合得分,二者得分比重分別為50%;最后根據(jù)綜合得分給出綜合評(píng)價(jià)語(yǔ),為學(xué)員判斷駕駛技術(shù)水平提供參考[6]。

2.2 試飛駕駛技術(shù)評(píng)價(jià)界面

試飛駕駛技術(shù)評(píng)價(jià)界面包括機(jī)動(dòng)設(shè)置界面、曲線顯示界面和綜合評(píng)價(jià)界面。在機(jī)動(dòng)設(shè)置界面主要進(jìn)行動(dòng)作設(shè)置、參數(shù)選擇、教員和學(xué)員的確認(rèn);曲線顯示界面實(shí)時(shí)顯示在機(jī)動(dòng)設(shè)置界面選擇的參數(shù),為教員提供關(guān)注參數(shù),教員可以實(shí)時(shí)監(jiān)控學(xué)員動(dòng)作完成情況;綜合評(píng)價(jià)界面主要為學(xué)員提供動(dòng)作完成情況的評(píng)價(jià)語(yǔ),幫助學(xué)員了解動(dòng)作完成的情況,同時(shí)給教員提供飛行后講評(píng)依據(jù)。

3 算例驗(yàn)證

本文評(píng)價(jià)方法驗(yàn)證在基于試飛模擬器開(kāi)發(fā)的試飛駕駛技術(shù)地面模擬評(píng)價(jià)系統(tǒng)上進(jìn)行。該地面模擬評(píng)價(jià)系統(tǒng)具有以下特點(diǎn):(1)飛行動(dòng)力學(xué)模型真實(shí);(2)具有逼真度高的視景系統(tǒng);(3)具有實(shí)時(shí)性好的數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng);(4)具有高逼真度的操縱加載桿系[7]。該模擬器由目前正在試飛的某型戰(zhàn)斗機(jī)飛行動(dòng)力學(xué)模型、D級(jí)模擬器視景系統(tǒng)和實(shí)時(shí)反射內(nèi)存網(wǎng)等系統(tǒng)組成,為試飛駕駛技術(shù)評(píng)價(jià)方法驗(yàn)證提供了有力的支持。試飛駕駛技術(shù)地面模擬評(píng)價(jià)系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 試飛駕駛技術(shù)地面模擬評(píng)價(jià)系統(tǒng)Fig.3 Evaluation system for the flight test piloting technologies based on ground simulation

為了驗(yàn)證評(píng)價(jià)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)效果,分別進(jìn)行了兩組地面模擬驗(yàn)證:一組邀請(qǐng)具有豐富試飛經(jīng)驗(yàn)的試飛員完成水平直線加速飛行模擬;另一組邀請(qǐng)沒(méi)有任何飛行駕駛經(jīng)驗(yàn)的試飛工程師完成此動(dòng)作。

圖4為試飛員完成的水平直線加速情況及評(píng)價(jià)結(jié)果,圖5為試飛工程師完成的水平直線加速情況及評(píng)價(jià)結(jié)果。

圖4 試飛員完成的水平直線加速動(dòng)作結(jié)果Fig.4 Results of the level straight accelerating maneuver by test pilot

圖5 試飛工程師完成的水平直線加速動(dòng)作結(jié)果Fig.5 Results of the level straight accelerating maneuver by flight test engineer

由圖4可以看出,教員打分85分,系統(tǒng)打分80分,綜合得分82.5分。綜合評(píng)價(jià):(1)評(píng)價(jià)結(jié)果為良;(2)配平保持好;(3)高度保持好;(4)過(guò)載保持好;(5)加速過(guò)程均勻。

由圖5可以看出,教員打分45分,系統(tǒng)打分30分,綜合得分37.5分。綜合評(píng)價(jià):(1)評(píng)價(jià)結(jié)果為不及格;(2)配平保持差;(3)高度保持很差;(4)過(guò)載保持很差;(5)加速過(guò)程不均勻,且有回調(diào)。

通過(guò)以上算例驗(yàn)證發(fā)現(xiàn),該方法能夠如實(shí)地反映學(xué)員的駕駛技術(shù)水平,為學(xué)員和教員提供飛行后講評(píng)依據(jù),有利于學(xué)員駕駛技術(shù)水平的提高。該方法采用教員評(píng)價(jià)和系統(tǒng)評(píng)價(jià)兩種方式給出學(xué)員的綜合得分,使得評(píng)價(jià)結(jié)果更加公正、客觀。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)試飛駕駛技術(shù)地面模擬評(píng)價(jià)方法研究,建立了可以進(jìn)行多種典型試飛動(dòng)作的評(píng)價(jià)系統(tǒng),并設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的評(píng)價(jià)軟件。通過(guò)地面演示驗(yàn)證,對(duì)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)效果進(jìn)行了測(cè)評(píng),獲得了試飛員的好評(píng)。后續(xù)還需開(kāi)展如下方面的工作增加試飛駕駛技術(shù)評(píng)價(jià)內(nèi)容,建立試飛駕駛動(dòng)作評(píng)價(jià)庫(kù);對(duì)每一個(gè)試飛動(dòng)作的評(píng)價(jià)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整、細(xì)化,使得評(píng)價(jià)結(jié)果能夠更真實(shí)反映試飛員駕駛技術(shù)水平;對(duì)評(píng)價(jià)控制界面進(jìn)行優(yōu)化、升級(jí),使得界面交互更加友好等,最終能夠形成完善的試飛駕駛技術(shù)地面模擬評(píng)價(jià)體系。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院.飛行試驗(yàn)駕駛技術(shù)指南(飛機(jī)冊(cè))[M].西安:中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院,2012:3-5.

[2] 周自全.飛行試驗(yàn)工程[M].北京:航空工業(yè)出版社,2010:64-70.

[3] 中國(guó)人民解放軍總裝備部.GJB 624.3A-2010 軍用飛機(jī)科研試飛訓(xùn)練要求 第3部分:飛機(jī)飛行品質(zhì)[S].北京:總裝備部軍標(biāo)出版發(fā)行部,2010.

[4] 張同斌,李體方,盛又方.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的試飛員駕駛技術(shù)評(píng)估[J].計(jì)算機(jī)仿真,2012,29(10):110-113.

[5] 周自全,張子彥.飛行品質(zhì)和飛行安全[J].飛行力學(xué),2009,27(2):1-6.

[6] 樊瑋,張立.飛行性能評(píng)估專家咨詢系統(tǒng)簡(jiǎn)介[J].中國(guó)民航學(xué)院學(xué)報(bào),2003,21(S2):224-225.

[7] 楊生民,袁東,章伯定.試飛模擬器及其設(shè)計(jì)思路[C]//第五屆全國(guó)仿真器學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集.長(zhǎng)春:中國(guó)系統(tǒng)仿真學(xué)會(huì),2004:71-75.