基于相似构型决策的舰载机驾驶员建模与评估

doi:10.7527/S1000-6893.2021.26329

流体力学与飞行力学

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基于相似构型决策的舰载机驾驶员建模与评估

刘晓雨¹, 孙立国¹^,², 谭文倩¹^,²(), 魏金鹏³, 王维军¹, 焦俊凯¹

^1.北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京　100191
^2.北京航空航天大学江西研究院，南昌　330096
^3.中国航空工业集团公司沈阳飞机设计研究所，沈阳　110035

收稿日期:2021-09-06 修回日期:2021-10-06 接受日期:2021-10-25 出版日期:2023-02-25 发布日期:2021-11-10
通讯作者: 谭文倩 E-mail:tanwenqian@buaa.edu.cn
基金资助:
航空科学基金(20185702003)

Modeling and evaluation of carrier aircraft pilots based on similar configuration decisions

Xiaoyu LIU¹, Liguo SUN¹^,², Wenqian TAN¹^,²(), Jinpeng WEI³, Weijun WANG¹, Junkai JIAO¹

^1.School of Aeronautic Science and Engineering，Beihang University，Beijing 　100191，China
^2.Jiangxi Research Institute of Beihang University，Nanchang 　330096，China
^3.Shenyang Aircraft Design and Research Institute，China Aviation Industry Corporation，Shenyang 　110035，China

Received:2021-09-06 Revised:2021-10-06 Accepted:2021-10-25 Online:2023-02-25 Published:2021-11-10
Contact: Wenqian TAN E-mail:tanwenqian@buaa.edu.cn
Supported by:
Aeronautical Science Foundation of China(20185702003)

摘要/Abstract

摘要：

舰船运动和舰尾流等复杂海况是影响舰载机着舰难易度和精确度的重要因素，建立驾驶员着舰控制行为模型并构建人机闭环系统是评估复杂海况对驾驶员操纵负荷影响的有效手段。此外，新一代舰载机存在多种构型配置，并且即便是同一飞机其每次开始着舰时也可能处于不同的质量和气动构型下，因此在驾驶员建模中有必要考虑飞机构型变化。针对舰载机着舰操纵负荷评估问题，基于飞行试验手段和频域计算方法，建立了纵向俯仰跟踪的Hess结构驾驶员模型。考虑飞机着舰构型的变化，基于CAP准则和控制扩展方法，构建了舰载机典型构型库，并应用驾驶员在环仿真试验建立了与各飞机构型匹配的驾驶员模型，形成驾驶员模型库。在此基础上，给出了相似构型决策准则和方法，提出了针对指定飞机构型的驾驶员行为模型预测方法。针对舰载机在复杂海况下的着舰任务开展仿真分析，结果表明，本文方法能够支撑研究不同舰载机构型的操纵负荷的影响。

关键词: 舰载机着舰, 驾驶员建模, 人在环试验, 构型库, 操纵负荷评估

Abstract:

Complicated sea conditions such as carrier motion and air wake are the core factors that affect the difficulty and accuracy of carrier-based aircraft landing. Establishing a pilot landing control behavior model and constructing a pilot-aircraft closed-loop system are to evaluate the load of the pilot in handling complex sea conditions. Furthermore， there exist usually several different configurations for the new generation carrier aircraft. Even for the same aircraft， it may be of different mass property or aerodynamic configuration when it is prepared to land. Therefore， it is essential to consider the configuration variation of the aircraft in building pilot behavior models. In this paper， to evaluate the load of controlling the carrier-based aircraft， a Hess structure pilot model for longitudinal pitch tracking is established based on the flight experiment method and the frequency domain calculation method. Then， considering the variations of aircraft landing configurations， a configuration library for the typical and control-augmented carrier aircraft is developed based on the Control Anticipation Parameter （CAP） criteria， and pilot-in-the-loop simulation experiments are used to establish a pilot model matching each aircraft type to establish a pilot member model library. On this basis， similar configuration decision-making criteria and method are given， and the pilot behavior model prediction method for the designated aircraft type in the application is proposed. Simulation analysis is carried out on the landing mission of a carrier-based aircraft in complex sea conditions. The results show that the method proposed in this paper can facilitate the study on the influence of the load of pilots in handling different types of ship-borne mechanisms.

Key words: carrier landing, pilot modeling, human in the loop experiment, configuration library, maneuvering load assessment

中图分类号:

V249.11

刘晓雨, 孙立国, 谭文倩, 魏金鹏, 王维军, 焦俊凯. 基于相似构型决策的舰载机驾驶员建模与评估[J]. 航空学报, 2023, 44(4): 126329-126329.

Xiaoyu LIU, Liguo SUN, Wenqian TAN, Jinpeng WEI, Weijun WANG, Junkai JIAO. Modeling and evaluation of carrier aircraft pilots based on similar configuration decisions[J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2023, 44(4): 126329-126329.

图/表 31

图 1

图 2

图 3

图 4

图 5

图 6

图 7

表 1

25个构型的模型相关参数与CAP值

构型	模型参数				CAP	飞行品质等级
构型	$K α$	$K q$	$ω s p$	$ξ s p$	CAP	飞行品质等级
1	-105.86	0.20	11.19	0.30	6.00	2
2	-105.61	-2.66	11.19	0.45	6.00	2
3	-105.26	-7.55	11.20	0.71	6.00	2
4	-104.84	-13.18	11.20	1.00	6.00	2
5	-103.83	-24.55	11.20	1.60	6.00	2
6	-35.83	-1.12	6.46	0.30	2.00	2
7	-35.68	-2.77	6.46	0.45	2.00	1
8	-35.45	-5.60	6.46	0.71	2.00	1
9	-35.18	-8.82	6.46	1.00	2.00	1
10	-34.60	-15.41	6.46	1.60	2.00	2
11	-11.13	-0.93	3.50	0.30	0.59	2
12	-11.05	-1.82	3.50	0.45	0.59	1
13	-10.92	-3.35	3.50	0.71	0.59	1
14	-10.77	-5.09	3.50	1.00	0.59	1
15	-10.45	-8.66	3.50	1.60	0.59	2
16	-5.79	-0.66	2.42	0.30	0.28	2
17	-5.73	-1.28	2.42	0.45	0.28	1
18	-5.64	-2.33	2.42	0.71	0.28	1
19	-5.54	-3.54	2.42	1.00	0.28	1
20	-5.32	-6.01	2.42	1.60	0.28	2
21	-2.49	-0.30	1.37	0.30	0.09	2
22	-2.46	-0.65	1.37	0.45	0.09	2
23	-2.41	-1.25	1.37	0.71	0.09	2
24	-2.35	-1.94	1.37	1.00	0.09	2
25	-2.25	-3.34	1.37	1.60	0.09	2

表 1

图 8

图 9

图 10

图 11

图 12

图 13

图 14

图 15

图 16

表 2

简化的结构驾驶员模型固定参数取值

模型参数	建议值
神经肌肉系统的固有频率 $ω n / (r a d ⋅ s - 1)$	10
神经肌肉系统的阻尼比 $ξ n$	0.707
神经肌肉系统的速率反馈系数 $K 1$	1.0

表 2

表 3

k的确定方法

$W c$ 在 $ω c$ 附近的斜率/dB	相位延迟/（°）	$k$
-20	<90	1
-20	>90	2
-40		2
0		0

表 3

表 4

与飞机构型对应的驾驶员模型库

构型	$k$	$K e$	$K 2$	$T 2$	$T 1$	$A R 2$
1	0	41.385	0.001	11.711	1.070	0.992 7
2	0	42.876	0.001	19.338	1.576	0.992 7
3	0	41.566	0.001	10.194	25.000	0.992 5
4	0	38.432	0.001	8.072	0.979	0.991 7
5	0	37.128	0.001	12.455	1.890	0.991 9
6	0	22.705	0.001	23.510	0.832	0.990 7
7	0	46.395	0.001	0.001	0.602	0.992 0
8	0	32.934	0.001	14.404	25.000	0.992 5
9	0	31.830	0.001	12.956	2.441	0.992 6
10	1	496.197	25.000		25.000	0.992 9
11	0	15.293	0.002	0.001	25.000	0.988 6
12	0	16.943	0.002	0.001	25.000	0.988 8
13	0	20.553	0.002	0.001	25.000	0.989 3
14	1	13.614	1.378		25.000	0.985 9
15	1	26.520	1.629		25.000	0.989 7
16	1	4.687	1.818		25.000	0.964 0
17	1	3.441	1.234		25.000	0.956 3
18	1	11.026	1.419		25.000	0.984 5
19	1	12.843	2.214		25.000	0.986 3
20	1	18.158	1.328		25.000	0.987 0
21	2	9.469	25.000	0.429	25.000	0.990 8
22	2	10.739	25.000	0.466	24.999	0.989 2
23	2	-11.250	25.000	0.540	25.000	0.988 2
24	2	19.540	25.000	25.000	0.452	0.992 2
25	1	9.783	1.492		25.000	0.980 7

表 4

图 17

表 5

待预测构型参数值

序号	$K α$	$K q$	短周期频率/（rad·s^-1）	短周期阻尼比	CAP
$a$	-16.262 9	-4.062 8	4.325 2	0.708 4	0.895 3
$b$	-8.076 2	-2.066 4	2.954 1	0.550 9	0.417 7
$c$	-7.941 9	-3.577 9	2.953 6	0.852 0	0.417 5
$d$	-51.817 7	-15.745 2	7.896 9	1.403 3	2.984 6
$e$	-3.854 4	-0.553 8	1.878 9	0.320 1	0.169 0
$f$	-21.562 6	-3.253 1	4.995 4	0.550 8	1.194 3
$g$	-21.335 4	-5.808 1	4.994 3	0.851 8	1.193 8
$h$	-3.546 6	-4.015 8	1.877 0	1.405 1	0.168 6
$i$	-53.110 7	-1.201 9	7.901 4	0.320 3	2.988 0

表 5

表 6

匹配决策结果

序号	相似构型	对应驾驶员模型	$A R 2$
$a$	13	$W P 13$	0.982 3
$b$	13	$W P 13$	0.978 7
$c$	14	$W P 14$	0.986 8
$d$	9	$W P 9$	0.990 0
$e$	17	$W P 17$	0.945 8
$f$	8	$W P 8$	0.984 0
$g$	9	$W P 9$	0.985 9
$h$	20	$W P 20$	0.991 9
$i$	6	$W P 6$	0.984 1

表 6

图 18

表 7

McRuer驾驶员模型参数

参数	$K H$	$T L$	$T l$	$τ d$
取值	0.8	0.2	4	0.1

表 7

图 19

图 20

表 8

同一理论评估结果

构型	c	h
$u m$ 的均方根	0.023 9	0.028 8

表 8

图 21

表 9

图 22

参考文献 31

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E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

构型	c	h
着舰偏差平均值/m	-12.046 1	-14.492 9
最大允许着舰次数	212	189
着舰成功率/%	42.4	37.8
理想着舰次数	114	99
理想着舰率/%	22.8	19.8
高度偏差均方根/m	1.481 1	1.470 4

基于相似构型决策的舰载机驾驶员建模与评估

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