試飛駕駛技術(shù)評價(jià)方法研究

劉智漢 張曉敏 黨維

摘要：通過分析以往試飛駕駛技術(shù)評價(jià)方法中出現(xiàn)的問題，以典型的俯仰倍脈沖試飛動(dòng)作為研究對象，將整個(gè)動(dòng)作過程分為三個(gè)階段，提出了針對每個(gè)動(dòng)作階段的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)以及整個(gè)試飛駕駛動(dòng)作的評價(jià)算法，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了駕駛動(dòng)作評價(jià)軟件，最后在地面模擬器上對評價(jià)軟件的效果進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明該方法能夠客觀地評價(jià)試飛駕駛技術(shù)水平，可以推廣到其他試飛駕駛動(dòng)作的評價(jià)上。

關(guān)鍵詞：試飛駕駛技術(shù);評價(jià)軟件;地面模擬;試飛員;算法

中圖分類號：V217????? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A???? DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2019.03.006

準(zhǔn)確的符合規(guī)范要求的飛行試驗(yàn)駕駛技術(shù)不僅可以充分地揭示被試產(chǎn)品的特性，暴露其設(shè)計(jì)和制造缺陷，同時(shí)也保證了試飛方法原理的正確性和有效性，從而確保試飛結(jié)論的真實(shí)可靠。因此，不斷提高飛行試驗(yàn)駕駛技術(shù)是確保飛行試驗(yàn)質(zhì)量的關(guān)鍵，是新航空武器裝備定型試飛和民用飛機(jī)適航審定試飛獲得可靠結(jié)論的重要保證]。而在試飛員培訓(xùn)中，由于學(xué)員的人為因素，導(dǎo)致同一個(gè)動(dòng)作，不同的試飛員做出的結(jié)果也差別很大，對試飛結(jié)果帶來影響，因此，有必要建立一套完整的試飛駕駛技術(shù)評價(jià)訓(xùn)練體系，使每個(gè)學(xué)員都掌握標(biāo)準(zhǔn)的試飛駕駛動(dòng)作，盡量避免人為因素對試飛結(jié)果的影響。

目前國內(nèi)關(guān)于試飛駕駛動(dòng)作的評價(jià)方法研究開展得比較少，更多的是針對特定試飛科目的試飛方法研究。參考文獻(xiàn)建立了地面模擬評價(jià)系統(tǒng)，但評價(jià)準(zhǔn)則相對簡單，不能夠適應(yīng)真實(shí)的試飛駕駛動(dòng)作，評價(jià)效果不夠理想。本文先分析了以往試飛駕駛技術(shù)評價(jià)方法中出現(xiàn)的問題，然后以典型試飛動(dòng)作為研究對象，提出了相應(yīng)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及算法實(shí)現(xiàn)，并開發(fā)了相應(yīng)的試飛駕駛技術(shù)評價(jià)軟件，最后在模擬器上進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明該方法能夠客觀地評價(jià)試飛駕駛動(dòng)作完成質(zhì)量好壞。

1存在問題

目前，對試飛動(dòng)作的評價(jià)，都是將整個(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，分別對每一個(gè)動(dòng)作階段，用相應(yīng)的指標(biāo)去評價(jià)完成質(zhì)量的好壞，最后再對整個(gè)動(dòng)作的完成質(zhì)量給出一個(gè)綜合的評價(jià)。但在實(shí)際應(yīng)用過程中，往往出現(xiàn)評價(jià)軟件打分不合理，不能真實(shí)反映試飛員的駕駛技術(shù)水平，動(dòng)作識別準(zhǔn)確率不高等問題，究其原因，主要表現(xiàn)在以下方面：（1）對試飛動(dòng)作的三個(gè)階段的劃分算法不夠合理;（2）對每個(gè)動(dòng)作階段，所提的指標(biāo)及該指標(biāo)所占的權(quán)重的處理不夠合理;（3）對試飛動(dòng)作的三個(gè)階段所占的權(quán)重的分配不夠合理;（4）所設(shè)計(jì)的評價(jià)方法往往是針對理想的試飛動(dòng)作，但面對實(shí)際的試飛數(shù)據(jù)，所設(shè)計(jì)的算法有很大的局限性。

針對以上的問題，本文結(jié)合實(shí)際的試飛動(dòng)作數(shù)據(jù)，以典型的俯仰倍脈沖動(dòng)作為例，詳細(xì)介紹該動(dòng)作的評價(jià)方法及相應(yīng)的軟件處理算法，最后給出了模擬器試驗(yàn)的結(jié)果。

2評價(jià)軟件設(shè)計(jì)

由于俯仰倍脈沖為一個(gè)考查飛機(jī)縱向品質(zhì)特性的開環(huán)試飛動(dòng)作，要求動(dòng)作完成后能夠激起飛機(jī)縱向品質(zhì)特性，動(dòng)作示意圖如圖1所示。根據(jù)動(dòng)作的這一特性，對此動(dòng)作的評價(jià)分為三個(gè)階段來評價(jià)，最后將三個(gè)階段的分值按照權(quán)重進(jìn)行綜合。

2.1配平段評價(jià)算法

動(dòng)作開始前，要求飛機(jī)應(yīng)為無傾斜的水平直線等速飛行狀態(tài)，因此配平段的主要評價(jià)參數(shù)為：高度H、速度V和穩(wěn)態(tài)法向過載偏差量△n。采用5分制，根據(jù)高度H、速度V和穩(wěn)態(tài)法向過載偏差量△n在這一階段的保持情況進(jìn)行評分。此階段得分僅占整個(gè)動(dòng)作分值的10%。具體得分依據(jù)見表1。

對高度、速度和過載的偏差量，分別按照表中的所列的條件給出相應(yīng)的分值，最后對這三項(xiàng)再求平均值，得出配平段的分值。

配平段的評價(jià)語如下：（1）配平段的分值為多少;（2）高度保持項(xiàng)的分值及偏差量為多少;（3）速度保持項(xiàng)的分值及偏差量為多少;（4）過載保持項(xiàng)的分值及偏差量為多少。

2.2動(dòng)作段評價(jià)算法

俯仰倍脈沖操縱要求動(dòng)作干脆利落，準(zhǔn)確回桿至配平位置，不應(yīng)有橫向的桿操縱，且推拉桿的操縱要對稱，因此動(dòng)作段的主要評價(jià)參數(shù)為：操縱桿輸入量D、完成時(shí)間t、動(dòng)作曲線的對稱性和光滑度以及橫向桿位移D。采用5分制，根據(jù)動(dòng)作幅值與要求值差值、桿位移速率最大差值、動(dòng)作完成時(shí)間差、正反操縱幅值差、對稱性角度差和橫向桿位移等在這一階段的保持情況進(jìn)行評分。此階段得分占整個(gè)動(dòng)作分值的60%。具體得分依據(jù)見表2。

對動(dòng)作幅值與要求值差值、桿位移速率最大差值、動(dòng)作完成時(shí)間差、正反操縱幅值差、對稱性角度差和橫向桿位移等，分別按照表中的所列的條件給出相應(yīng)的分值，最后對這幾項(xiàng)再求平均值，得出動(dòng)作段的分值。

動(dòng)作段的評價(jià)語如下：（1）動(dòng)作段的分值為多少;（2）動(dòng)作幅值與要求值差值以及分值為多少;（3）桿位移最大速率值差值以及分值為多少;（4）動(dòng)作完成時(shí)間差值以及分值為多少;（5）正反操縱幅值差值以及分值為多少;（6）對稱性角度差以及分值為多少;（7）橫向桿位移以及分值為多少。

其中，對稱性角度差的定義如下：將倍脈沖的4段動(dòng)作曲線與初始位置的夾角（銳角）從左到右分別定義為a、b、c、d，則|△A|為這4個(gè)角中任何兩個(gè)角度之間的差值。如圖2所示。

2.3結(jié)束段評價(jià)算法

動(dòng)作結(jié)束后，在飛機(jī)自由運(yùn)動(dòng)過程中，要求桿、舵不能有輸入，不得干擾飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)，因此這一階段主要對桿的輸入量進(jìn)行評價(jià)，若基本沒有縱向桿輸入，可根據(jù)桿位移參數(shù)變化的大小得分在3?5分之間;若有明顯的縱向桿輸入，則為2分。此階段得分占整個(gè)動(dòng)作分值的30%。具體得分依據(jù)見表3。

對縱向桿位移輸入次數(shù)和縱向桿位移與初始配平值的差值，分別按照表中的所列的條件給出相應(yīng)的分值，最后對這幾項(xiàng)再求平均值，得出結(jié)束段的分值。

結(jié)束段的評價(jià)語如下：（1）結(jié)束段的分值為多少;（2）縱向桿位移輸入次數(shù)以及分值為多少;（3）縱向桿位移與初始配平值的差值以及分值為多少。

得到以上這三個(gè)階段的分值以后，最后再求出三個(gè)階段的加權(quán)平均值，即為整個(gè)動(dòng)作的得分，并分別給出三個(gè)階段的分值以及評語。

2.4軟件設(shè)計(jì)

在處理真實(shí)的試飛動(dòng)作數(shù)據(jù)時(shí)，首先要解決的便是如何劃分動(dòng)作的三個(gè)階段，確定動(dòng)作段的開始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)。對于動(dòng)作曲線上的一小段振蕩，如圖3中的圈內(nèi)部分，究竟是劃入動(dòng)作段還是配平段，都會(huì)影響整個(gè)動(dòng)作最終的分值。如果劃入配平段，可能會(huì)增大配平段法向過載的偏差量，如果劃入動(dòng)作段，又會(huì)影響動(dòng)作段的對稱性和平滑性，因此需要確定一個(gè)合適的閾值，對動(dòng)作曲線上的振蕩進(jìn)行“過濾”。按照以上的算法，開發(fā)了試飛駕駛技術(shù)評價(jià)軟件，軟件的界面如圖4、圖5所示。

3模擬器驗(yàn)證

在地面模擬器上，利用上述試飛駕駛動(dòng)作評價(jià)軟件，對俯仰倍脈沖動(dòng)作進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

評價(jià)軟件對本次俯仰倍脈沖動(dòng)作的打分為3分，各個(gè)動(dòng)作階段的分值見表4。

對于配平段，高度、速度和過載保持較好。對于動(dòng)作段，主要問題是動(dòng)作完成時(shí)間稍長，對稱性稍差。對于結(jié)束段，主要問題是桿位移有超調(diào)，且偏差較大，存在振蕩，如圖6中圈內(nèi)的部分。

從結(jié)果可以看出，該種方法能夠?qū)︸{駛動(dòng)作完成質(zhì)量的好壞做出準(zhǔn)確的評價(jià)。通過將系統(tǒng)的打分和教員的打分相結(jié)合，能夠如實(shí)反映學(xué)員的駕駛水平。

4結(jié)束語

本文首先分析了以往試飛駕駛技術(shù)評價(jià)方法中出現(xiàn)的問題，然后以俯仰倍脈沖動(dòng)作為研究對象，提出了各個(gè)動(dòng)作段的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及算法實(shí)現(xiàn)，并開發(fā)了相應(yīng)的試飛駕駛動(dòng)作評價(jià)軟件，最后在地面模擬器上進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明該方法能夠客觀地評價(jià)試飛駕駛動(dòng)作完成質(zhì)量的好壞，可以將該方法推廣到其他試飛駕駛動(dòng)作的評價(jià)上，但由于試飛駕駛動(dòng)作的特殊性，需針對每個(gè)動(dòng)作建立相應(yīng)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和評價(jià)算法，逐步形成一個(gè)覆蓋所有開環(huán)和閉環(huán)試飛駕駛動(dòng)作的評價(jià)系統(tǒng)，后續(xù)可以考慮引入智能算法，降低開發(fā)人員的工作難度，提高評價(jià)系統(tǒng)軟件的適應(yīng)性。

參考文獻(xiàn)

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

Chinese Flight Test Establishment.Flight test driving technology guide（aircraft book）[M].Xi’an：Chinese Flight Test Establishment，2012.（in Chinese）

[2]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)評估[J].計(jì)算機(jī)仿真，2012，29（10）：110-113.

Zhang Tongbin，Li Tifang，Sheng Youfang.Test pilot driving skill assessment based on BP neural network[J].Computer Simulation，2012529（10）：110-113.（in Chinese）

[3]田強(qiáng).第四代戰(zhàn)斗機(jī)飛行品質(zhì)及其試飛技術(shù)研究[J].飛行力學(xué)，1996（2）：17-23.

Tian Qiang.Research on some flying quality criterions and flight test techniques of fourth generation fighters[J].Flight Dynamics，1996（2）：17-23.（in Chinese）

[4]張曉敏，潘運(yùn)亮，黨維.試飛駕駛技術(shù)地面模擬評價(jià)方法研究[J].飛行力學(xué)，2014，32（3）：273-276.

Zhang Xiaomin，Pan Yunliang，Dang Wei.Research on evaluation method for flight test piloting technologies on ground simulation[J].Flight Dynamics，2014，32（3）：273-276.（in Chinese）