基于頻域的駕駛員操縱負荷評估方法

田 磊

（中國飛行試驗研究院飛機所，陜西 西安 710089）

直升機飛行品質試飛是直升機飛行試驗的重要部分，良好的飛行品質是飛行員安全飛行、順利完成任務的重要保障。以ADS-33E 和GJB-902B 為依據的軍用直升機飛行品質規范強調了針對直升機的作戰和使用能力的考核，其核心思想是直升機的飛行品質由直升機完成任務的能力水平和飛行員的工作負荷來決定[1-2]。通過執行規定的任務科目，基于飛行員的工作負荷及任務能力的指標符合性，最終確定直升機的飛行品質等級。目前，飛行品質任務科目中飛行員工作負荷評價仍然以庫珀哈珀評價（HQRs）作為主要依據[3]。但HQRs 作為一項飛行員的主觀評價會受很多因素（如飛行員水平和樣本量等）的影響，會限制這些評價的實際效用[4]。因此，為進一步提升直升機飛行品質試飛考核的可靠性，需要建立一種可用于描述飛行員工作負荷的客觀指標，用于量化飛行員的工作負荷。

對飛行員任務工作負荷的評價是近幾十年來飛行品質研究的重點難點內容，針對傳統HQRs 方法潛在的缺點，國內外都開展了大量的研究。國外Field 等人通過對飛行員操縱動作的時域分析，包括操縱幅值、時間等嘗試對飛行員負荷進行量化[5]。近年來，Padfield 等人開展了基于頻率的飛行員試飛動作的分析，用于進一步描述或量化飛行員操縱和工作負荷之間的聯系[6]。Gray 等構建了一種飛行員工作負荷二維圖像，通過工作周期與迅猛程度描述飛行員的工作負荷[7]。國內李琳君等進行了飛行負荷評價技術與方法的研究，主要從試飛員的角度給出了飛行負荷評價的程序和建議[8]。王黎靜等開展了機組工作負荷評價方法的研究，其主要側重于生理負荷及綜合評價技術[9]。本文結合加拿大變穩直升機飛行試驗評估結果，在國內外研究的基礎上，建立“時間-頻域-能量”的三維尺度模型，開展飛行員操縱負荷的評估技術研究，使試飛員及試飛工程師能夠更加清晰準確地定位直升機任務科目試飛工作負荷，合理認定直升機飛行品質。

1 理論模型

目前，數據的頻域分析在許多領域都有應用，包括特征信息的識別、目標探測、響應特性分析等。Remple和Tischler[10]通過試驗證明通過頻域分析可以很好地估計飛行員任務中的截止頻率，但無法反映飛行員操縱策略在時間軸上的變化。根據Gray 提出的飛行員工作負荷二維分析方法[7]，當動作點從原點移開時，駕駛員的工作負荷會增加，工作負荷會在任務的過程中變化，該描述的駕駛員的工作負荷與ADS-33 任務科目的飛行品質評價要求基本一致，但在小幅高頻操縱時該方法會出現較大的差異。本文在該理論的基礎上，通過時頻分析的數據處理方法，對駕駛員的各軸向操縱輸入進行頻域分析，如式（1）所示，建立“時間-頻域-能量”的三維尺度函數，表征能量在頻率和時間歷程上的分布。通過將三維尺度函數圖選取合適的窗函數進行分割，使三維圖分布在整個時間窗口中，從而表征飛行員操縱動作在任務中從一個時間窗口到下一個時間窗口的變化。通過三維尺度函數可以為飛行員的操縱動作分析提供重要的信息，但它本身并不能提供一個清晰的指標。基于此，進一步對不同時間-頻率下操縱輸入信號δ（u）的三維尺度函數進行加權，從而建立一套飛行量化評估標準，定義為負荷函數S，如式（2）所示。

其中T 為動作時間，F 為頻率，P 為功率譜，S 為負荷函數。

通過式（2）可得到各軸任務時域、頻域范圍內的負荷函數的量化數值，由于直升機不同軸向操縱設計及任務精度保持需求的差異，飛行員實際飛行中各軸操縱輸入所導致的負荷基準不同，無法通過單一的量化數值同時界定不同軸的負荷等級。為解決該問題，在函數中引入各軸負荷函數基準值（Swx0、Swy0、Swz0、Swf0）的定義，將各軸的負荷結果歸一化，以增強各軸負荷的橫向對比作用，從而進一步表征直升機任務的總體負荷。負荷函數基準值建議通過經驗豐富的飛行員的HQR 評價給出，或通過多次試驗給平均值，基于該基準建立飛行員的量化評估結果。根據選取的任務科目，對各軸負荷函數S 進行加權，最終得到飛行員任務負荷的量化函數曲線。

其中Swx、Swy、Swz、Swf為對應軸的負荷數值結果，Swx0、Swy0、Swz0、Swf0為對應軸的負荷函數的基準值，SMTE為該完成任務單元的負荷結果。

2 試驗過程

本研究試驗機選取加拿大國家研究中心CNRC 飛行試驗研究室Bell-205 變穩直升機。Bell-205 變穩直升機能夠通過改變控制律及三軸增益，模擬不同飛行品質等級的直升機狀態，為ADS-33 系列直升機飛行品質規范的研究及指標的發展提供了很好的數據支持[11-12]。

試驗通過設置不同的變穩直升機的控制律及增益模式，模擬不同的直升機飛行品質等級。飛行員按要求操縱直升機執行規定的任務科目，獲取不同飛行品質等級的試飛數據結果，并根據任務完成情況及操縱負荷完成庫珀哈珀評價，得到飛行員負荷評價結果。通過建立的飛行員負荷三維尺度模型對試飛數據進行處理，將得到的負荷函數結果與飛行員評價結果進行對比分析，最終形成可量化的數值函數曲線。

試驗科目選取精確懸停任務，飛行員操縱直升機從45°斜側方，以地速10～20km/h 側向漸進至設置的目標懸停點，轉入穩定懸停，穩定懸停時間不少于30s，懸停過程中要求保持高度、航向及位置穩定并以達到任務要求的滿意性能為目標[2]。精確懸停屬于直升機通用任務科目使用要求，用于評估直升機精確懸停過程中的多軸協調操縱，具備一定的任務典型性。在精確懸停任務過程中，評價者通過機上參數指示對航向控制可形成最為明顯的主觀感受，因此試驗設計主要通過設置航向軸控制律及反饋參數，實現不同飛行品質的模擬。縱、橫及總距軸控制律設置為RC（速率響應），控制律及設置參數在整個試驗過程中保持不變，航向軸控制律及參數設置如表1 所示。

表1 試驗控制律設置

3 試驗結果及分析

圖1～圖4 給出了Bell-205 變穩直升機在表1 試驗條件下完成精確懸停任務科目的時間歷程曲線，數據曲線給出了直升機任務過程的三軸操縱位移及高度、速度、航向等參數信息。對比圖1-圖4 時間歷程曲線，可以看出B 工況下航向保持精度較差，超出5°航向保持精度要求，未達到滿意性能指標，其余試飛結果性能指標均能達到任務要求的滿意指標[1]。根據試飛結果及飛行工作負荷，飛行員針對四次試驗分別給出了4.0，4.8，3.0，2.0 的HQR 評價，如表2 所示。

表2 基于模型各軸的負荷數值結果

圖1 條件A 時間歷程曲線

圖2 條件B 時間歷程曲線

圖3 條件C 時間歷程曲線

圖4 條件D 時間歷程曲線

對比圖1-圖4 的各軸操縱位移的時間歷程曲線，除圖4 因接通RCDH 響應航向軸無明顯操縱外，很難直觀從操縱位移的時間歷程響應分辨出飛行員操縱負荷及HQR 評價的依據。采用時頻分析方法對原始操縱響應進行頻域處理，得到精確懸停任務飛行員操縱在各個頻段及時間的分布三維尺度模型結果。以航向軸操縱響應為例，圖5-圖8 給出了不同試驗條件下航向操縱的三維尺度圖。對比分析可以看出，在整個試驗過程中，航向操縱響應的頻域覆蓋范圍隨控制律變化無明顯差異，均處在低頻范圍內。但通過能量在整個任務時間尺度上的分布，四次試驗操縱響應在能量區間上存在明顯的差異性。飛行員操縱能量在整個時間軸上并不是一個連續的函數，在試驗過程中存在能量集中區域，而該能量分布與實際任務過程中實際飛行員的操縱策略及操縱負荷直接相關，通過該能量分布的現象表征可以體現飛行員在整個過程中的操縱策略。根據整個飛行過程中飛行員負荷函數S 對各軸能量進行加權，給出了各軸的負荷數值結果，如表2 所示。其中航向軸四次試驗結果分別為1286.43、2449.91、973.42、11.63，負荷數值的差異可以解釋HQR 的評級結果。本次試驗選取初始條件A 作為負荷函數基準值，對各軸的負荷函數進行無量綱化加權平均，得到飛行員HQR評價與飛行員工作負荷的數值量化關系曲線，如圖9所示。根據試驗條件設置，B 工況下航向保持最為苛刻，在相同的任務目標下，由此產生的操縱動作迅猛程度大于其他工況條件，即所需操縱負荷也高于其他試驗條件，與曲線結果的規律相一致。通過曲線函數可直觀量化飛行員操縱負荷的評估結果，可以為飛行員的負荷評價提供數據支撐。

圖5 條件A 航向軸三維頻譜圖

圖6 條件B 航向軸三維頻譜圖

圖7 條件C 航向軸三維頻譜圖

圖8 條件D 航向軸三維頻譜圖

4 結論

本文通過建立基于頻域的駕駛員操縱負荷的三維尺度模型，通過飛行試驗將三維尺度模型的分析結果與飛行員評價進行了對比分析，可以得到以下結論。

（1）通過基于頻域的三維尺度模型方法有效識別飛行員操縱輸入在整個時間軸上的頻率-能量分布，有助于辨識任務過程中飛行員的操縱策略及操縱負荷。

（2）本文建立的操縱負荷模型可有效對飛行員的操縱負荷進行量化描述，通過無量綱化的函數曲線進一步對飛行員的操縱負荷及HQR 的評價提供數據支撐。