CN118262594A - 一种用于实现非正常姿态预防的飞行模拟机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及飞行模拟机技术领域，更具体的说，涉及一种用于实现非正常姿态预防的飞行模拟机。本发明提供的飞行模拟机，至少包括俯仰控制器，控制并输出非正常姿态预防下的俯仰力矩至仿真主机计算机；横滚控制器，控制并输出非正常姿态预防下的横滚力矩至仿真主机计算机；仿真主机计算机，将非正常姿态预防下的俯仰力矩、横滚力矩加入飞机仿真模型力矩平衡方程，根据飞机仿真模型力矩平衡方程实现横滚角、俯仰角驱动。本发明通过引入飞机仿真模型力矩平衡方程新增的计算项和教员操作台的新型人机交互界面，以执行非正常姿态预防的训练，有效降低了模拟训练中的干扰因素，显著提高了模拟训练的灵活性、实用性以及逼真度。

Description

一种用于实现非正常姿态预防的飞行模拟机

技术领域

本发明涉及飞行模拟机技术领域，更具体的说，涉及一种用于实现非正常姿态预防的飞行模拟机及其非正常姿态预防的训练实现方法。

背景技术

飞行模拟机，作为专为驾驶员飞行训练设计的航空器模拟设备，其设计严格遵循真实航空器座舱的要求比例。模拟机集成了诸多必需的设备与计算机程序，确保模拟的地面和空中运行环境逼真无误。

近年来，为了增强飞行模拟机的训练效能，各国民航部门已加强了对飞行学员在飞行模拟机上的非正常姿态、飞机机体结冰以及失速改出等训练科目的重视程度。自2019年起，这些训练科目已成为对模拟机初始鉴定的强制性要求。这些要求不仅扩展了模拟机在飞机性能方面的覆盖范围，还引入了一系列独特的模拟机功能模块，如IOS包线显示、参数实时记录、非正常姿态的改出(UAR)、非正常姿态的预防(UAP)以及自动失速(ASE)的驱动等。

这些模拟机训练对现代适航飞行员学员具有不可估量的重要性。然而，在现有技术中，执行非正常姿态预防(UAP)训练时，飞行教员常需担任副驾角色，手动引导非正常姿态的渐入。在此过程中，飞行员需忽略教员的副驾座位的动作，及时根据飞机仪表或运动体感迅速“判断出”飞机的非正常姿态趋势，并做出相应改正。

现有技术中，在执行UAP训练过程中由飞行教员担任飞行学员的副驾存在以下不足：

首先，非正常姿态预防训练旨在锻炼飞行员在紧急情况下的快速识别和判断能力。当教员担任副驾时，其操作可能对受训飞行员产生提示作用，从而减少训练场景的突然性，影响训练效果。

其次，在配备有操纵负荷的模拟机中，飞行教员的操纵输入可能会干扰学员的操纵操作，导致预防训练初期出现操纵不顺畅的情况。

最后，对于配备侧杆的电传飞机飞行模拟机，飞行教员和飞行学员在预防训练初期同时操作侧杆可能引发飞机的“DUAL INPUT”告警音或侧杆振杆告警。平息告警并不是非正常姿态预防的训练项目之一，从而增加了训练科目的复杂性。

现有技术中存在一种后期自动驱动进入非正常姿态训练场景的方法，通过在飞机运动方程中直接改变模拟飞机俯仰角、滚转角，或在未计算俯仰、滚转机体扭矩的情况下增加俯仰、滚转速率，但此方法破坏了飞机运动方程的运算规律，导致仪表、运动系统等子系统的非正常工作。

现有技术中的后期自动驱动非正常飞行姿态的方法存在以下不足之处：

首先，不论是直接改变姿态，还是通过注入姿态速率，模拟的飞机在没有经过飞机运动方程解算的情况下进行硬性姿态调整，均会破坏飞行动力学的连贯性，这将导致迎角和侧滑角等关键参数的计算错误，与飞机能够达到的真实情况不相符，从而与非正常姿态预防训练的初衷存在偏差。

其次，直接硬性改变模拟飞机的俯仰角和滚转角会导致模拟仪表显示错误，严重影响模拟飞行体验，甚至可能导致某些功能无法正常使用。例如，飞机升降率的计算依赖于飞机俯仰扭矩的精确值，若在扭矩不变的情况下强制改变姿态，将会造成升降率显示错误。

最后，该方法在实现非正常姿态预防的调整时，未通过改变力矩并经过飞机运动方程进行计算，无法产生相应的线性加速度和角加速度变化，从而导致运动系统无法准确响应姿态调整产生的物理效果，而视景系统和仪表系统则会根据姿态变化而做出相应的反馈。因此，飞行者在模拟飞行中可能会感受到运动体感与视觉感知之间的不匹配，可能引发运动眩晕，严重影响了训练体验。

因此，目前亟需一种飞行模拟机，用于实现非正常姿态预防等训练。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于实现非正常姿态预防的飞行模拟机，解决现有技术的飞行模拟机难以实现非正常姿态预防训练的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种用于实现非正常姿态预防的飞行模拟机，至少包括仿真主机计算机、俯仰控制器和横滚控制器；

所述俯仰控制器，控制并输出非正常姿态预防下的俯仰力矩至仿真主机计算机；

所述横滚控制器，控制并输出非正常姿态预防下的横滚力矩至仿真主机计算机；

所述仿真主机计算机，将非正常姿态预防下的俯仰力矩、横滚力矩加入飞机仿真模型力矩平衡方程，根据飞机仿真模型力矩平衡方程实现横滚角、俯仰角驱动。

在一些实施例中，所述俯仰控制器，根据输入的目标俯仰角度以及实际俯仰角度，控制并输出非正常姿态预防下的俯仰力矩；

所述横滚控制器，根据输入的目标横滚角度以及实际横滚角度，控制并输出非正常姿态预防下的横滚力矩。

在一些实施例中，所述俯仰控制器和横滚控制器，设置在仿真主机计算机内以实现控制与输出；

所述俯仰控制器和横滚控制器均由PID控制器：

所述俯仰控制器为俯仰PID控制器，根据输入的目标俯仰角度以及实际俯仰角度进行PID控制，控制并输出非正常姿态预防下的俯仰力矩；

所述横滚控制器为横滚PID控制器，根据输入的目标横滚角度以及实际横滚角度进行PID控制，控制并输出非正常姿态预防下的横滚力矩。

在一些实施例中，所述俯仰控制器还包括俯仰限制器，所述俯仰限制器设置在俯仰PID控制器输入端的前端，对输入的目标俯仰角度以及实际俯仰角度的差值进行限幅输出；

所述横滚控制器还包括横滚限制器，所述横滚限制器设置在横滚PID控制器输入端的前端，对输入的目标横滚角度以及实际横滚角度的差值进行限幅输出。

在一些实施例中，所述PID控制器包含比例调节、积分调节和微分调节的增益；

所述比例调节、积分调节和微分调节的增益为常量，通过软件配置文件进行设置。

在一些实施例中，所述PID控制器的退出触发条件包括：

对于电传飞行模拟机，当侧杆的位置变化超过预设阈值或者脚蹬的受力超过预设阈值时，PID控制器将触发退出条件；

对于装配有操纵负荷系统的飞行模拟机，当主操纵负荷力传感器的受力超过预设阈值时，PID控制器将触发退出条件。

在一些实施例中，当所述PID控制器触发退出条件并停止工作时，PID控制器的力矩输出按照预设变化率渐出减小至0。

在一些实施例中，所述PID控制器的退出触发条件通过配置文件进行设置。

在一些实施例中，所述飞行模拟机还包括教员操作台：

所述教员操作台，提供触发非正常姿态预防场景的人机交互界面。

在一些实施例中，所述人机交互界面，包括横坐标与纵坐标：

所述纵坐标代表俯仰指令，纵轴方向代表抬头或低头；

所述横坐标代表横滚指令，横轴方向代表右横滚或左横滚；

所述人机交互界面的坐标位置代表场景强度。

在一些实施例中，所述横坐标轴的正轴、负轴分别划分若干横滚运动体感强度区域；

所述纵坐标轴的正轴、负轴分别划分若干俯仰运动体感强度区域；

所述人机交互界面的坐标位置代表选择俯仰方向、俯仰强度、横滚方向以及横滚强度的组合。

为了实现上述目的，本发明提供了一种非正常姿态预防的训练实现方法，基于上述的用于实现非正常姿态预防的飞行模拟机实现，包括以下步骤：

步骤S1、触发非正常姿态预防场景，发送将俯仰控制指令和/或横滚控制指令；

步骤S2、判断并选择开启并激活俯仰控制器和/或横滚控制器；

步骤S3、判断俯仰控制器和\或横滚控制器是否符合退出条件，如果不符合则继续步骤S2，如果符合则进入步骤S4；

步骤S4、俯仰控制器和\或横滚控制器停止工作；

步骤S5、非正常姿态预防场景训练结束。

在一些实施例中，所述飞行模拟机包括教员操作台：

所述步骤S1还包括：通过教员操作台的人机交互界面触发非正常姿态预防场景。

在一些实施例中，所述步骤S2包括：

俯仰控制器和/或横滚控制器根据俯仰控制指令和/或横滚控制指令，控制并输出非正常姿态预防下的俯仰力矩和/或横滚力矩至仿真主机计算机；

仿真主机计算机将非正常姿态预防下的俯仰力矩和/或横滚力矩加入飞机仿真模型力矩平衡方程，根据飞机仿真模型力矩平衡方程实现横滚角、俯仰角驱动。

在一些实施例中，所述步骤S4，进一步包括：

俯仰控制器和\或横滚控制器的力矩输出按照预设变化率渐出减小至0。

本发明提出的一种飞行模拟机及其非正常姿态预防的训练实现方法，通过引入飞机仿真模型力矩平衡方程新增的计算项和教员操作台(IOS)的新型人机交互界面，实现了UAP训练时运动视景的和谐匹配，避免了多余的系统告警和操纵力干涉，同时场景设置更具突然性。这一创新不仅增强了非正常姿态预防训练的突然性，还缩短了飞行学员的反应时间，从而提高了训练质量。

附图说明

本发明上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变的更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：

图1揭示了根据本发明一实施例的用于实现非正常姿态预防的飞行模拟机的原理示意图；

图2a揭示了根据本发明一实施例的俯仰控制器的示意图；

图2b揭示了根据本发明一实施例的横滚控制器的示意图；

图3揭示了根据本发明一实施例的PID控制器的原理示意图；

图4揭示了根据本发明一实施例的限制器的原理示意图；

图5揭示了根据本发明一实施例的非正常姿态预防IOS界面的示例图；

图6揭示了根据本发明一实施例的非正常姿态预防IOS界面指令的示意图；

图7揭示了根据本发明一实施例的飞行模拟机的控制流程图；

图8揭示了根据本发明一实施例的非正常姿态预防的训练实现方法流程图。

图中各附图标记的含义如下：

100仿真主机计算机；

200俯仰控制器；

300横滚控制器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释发明，并不用于限定发明。

为了提升模拟机训练效果与价值，本发明提出的一种用于实现非正常姿态预防的飞行模拟机。该飞行模拟机严格遵循各民航局关于非正常姿态预防的指导原则，对非正常姿态预防训练进行了真实模拟。

本发明提出的一种飞行模拟机及其非正常姿态预防的训练实现方法，在确保飞机在正常飞行过程中以及模拟机的正常状态中触发，可以在任何飞机构型、飞行速度和飞行高度下触发，以执行非正常姿态预防的训练。模拟机的飞机机体极限遵循普通飞行极限设定，并无特殊设定要求。

图1揭示了根据本发明一实施例的用于实现非正常姿态预防的飞行模拟机的原理示意图，如图1所示，本发明提出的一种用于实现非正常姿态预防的飞行模拟机，至少包括仿真主机计算机100、俯仰控制器200和横滚控制器300：

所述俯仰控制器200，控制并输出非正常姿态预防下的俯仰力矩至仿真主机计算机100；

所述横滚控制器300，控制并输出非正常姿态预防下的横滚力矩至仿真主机计算机100；

所述仿真主机计算机100，将非正常姿态预防下的俯仰力矩、横滚力矩加入飞机仿真模型力矩平衡方程，根据飞机仿真模型力矩平衡方程实现横滚角、俯仰角驱动。

在本实施例中，飞行模拟机为全动模拟机，包含仿真主机计算机、操纵负荷系统、运动系统、视景系统、声音系统、仪表显示系统等重要系统。

关于仿真主机计算机与各系统间的信息交互，状态机模块对主题软件的模式切换，以及各系统结构硬件的集成、组装、校准与调试等流程，均属现有技术领域中相对成熟且广泛应用的技术手段。

仿真主机计算机中包括多种仿真模块，例如针对飞行模拟的解算(涉及空气动力学原理)，飞控仿真软件的解算以及机载系统仿真(如液压系统、襟翼系统)的模拟解算等，这些解算过程均在仿真主机计算机内得以高效执行。

本发明提出的飞行模拟机，通过在飞机运动方程中的力矩平衡方程增加特定计算项，实现了在不影响飞机运动方程正常解算的基础上，驱动模拟飞机向特定非正常姿态的转变，此外，该特定计算项是通过PID控制器来完成的，从而保证了飞机驱动的平滑性和稳定性。

以固定翼飞机为例，固定翼飞机仿真模型模拟飞机运动方程中的非惯性坐标系下的力矩平衡方程如下所示：

PR(IM

其中，Mx为x方向横滚力矩总量，M_y为y方向俯仰力矩总量，Mz为z方向偏航力矩总量。

横滚力矩总量M_x对于大部分飞机来说，是由副翼作动产生的力矩、方向舵作动产生的力矩、侧滑角产生的力矩、扰流板产生的力矩等组成的总和。

俯仰力矩总量M_y对于大部分飞机来说，是由升降舵产生的力矩、机翼产生的力矩、攻角产生的力矩、襟翼产生的力矩以及水平尾翼产生的力矩等组成的总和。

更具体地说，横滚力矩总量Mx、俯仰力矩总量M_y涉及如下公式：

Mx＝Mailerons+M_Rudder+Ms_poiler+...+M_UAPx；

M_y＝Melevator+Mwin_g+Mstab+...+M_UAPy；

其中，M_ailerons为副翼作动产生的横滚力矩，M_Rudder为方向舵作动产生的横滚力矩，Ms_poiler为扰流板作动产生的横滚力矩，Melevator为升降舵作动产生的俯仰力矩，Mwin_g为襟翼产生的俯仰力矩，Mstab为水平安定面产生的俯仰力矩，上述力矩均为仿真主机计算机的其他软件输出，非本发明的范畴，在此不做深入讨论。

其中，M_UAPx为本发明中的横滚控制器产生的横滚力矩，M_UAPy为本发明中的俯仰控制器产生的俯仰力矩。

由于训练场景对飞机偏航无需求，本发明不对飞机Z轴机体扭矩进行控制。

本发明提出的飞行模拟机，通过在飞机运动方程中力矩平衡方程的Mx与M_y的计算公式中分别加入用于UAP训练场景的横滚力矩M_UAPx与俯仰力矩M_UAPy两项特定计算项，从而驱动飞机改变横滚角与俯仰角，以达到进行UAP训练的目的。

根据各地区民航局的规定，任意UAP的训练场景需要产生横滚和俯仰两个轴单一，或者两个轴组合的非指令运动趋势。所以本发明有两个单独的俯仰控制器200和横滚控制器300，分别控制俯仰轴和横滚轴。

俯仰控制器200以及横滚控制器300的结构设计类似。

在本实施例中，所述俯仰控制器200，根据输入的目标俯仰角度以及实际俯仰角度，控制并输出非正常姿态预防下的俯仰力矩；

所述横滚控制器300，根据输入的目标横滚角度以及实际横滚角度，控制并输出非正常姿态预防下的横滚力矩。

M_UAPx与M_UAPy计算需要的参数配置以及运用方法是实现UAP训练姿态方向与强度选择的核心.

在本实施例中，俯仰控制器200和横滚控制器300，为设置在仿真主机计算机内的PID控制器，以实现俯仰力矩、横滚力矩控制与输出，通过PID控制器来解算M_UAPx与M_UAPy，达到俯仰、横滚角可控的训练场景，利用PID控制器将非正常姿态预防训练场景自动化，从而减轻了教员的工作负担，使其无需担任副机长角色。

由于PID控制不影响原有飞机运动方程计算项的正常解算，因此训练场景中飞机性能的真实体现得到了保障，运动系统的体感反应也得到了保障，运动视景配合度高，运动体感连续。

对于配备侧杆的电传飞机的飞行模拟机，告警系统在此特定场景中正常运行，保证了受训飞行员的体验更为贴近实际且自然。由于不需要飞行教员驾驶飞机，飞行学员在预防非正常姿态的操作不会听到如“DUAL INPUT”等告警提示，同时飞机侧杆的振杆告警也将被有效避免。

对于搭载有操纵负荷系统的模拟机来说，飞行学员也不会感受到操纵不和谐力，从而进一步增强了模拟训练的真实感和有效性。

图2a揭示了根据本发明一实施例的俯仰控制器的示意图，图2b揭示了根据本发明一实施例的横滚控制器的示意图，如图2a和图2b所示，俯仰控制器200和横滚控制器300均由PID控制器与限制器结合组成。

M_UAPx与M_UAPy的计算结果分别作为横滚控制器300与俯仰控制器200的输出。此输出结果会发送给飞机仿真模型的力矩平衡方程，实现横滚角和俯仰角的驱动目的。

图3揭示了根据本发明一实施例的PID控制器的原理示意图，如图3所示，本发明提出的用于实现非正常姿态预防的飞行模拟机，采用的经典PID控制来控制俯仰、横滚力矩的输出。

PID控制，即Proportional(P)–Integral(I)–Derivative(D)Control，实际上是三种反馈控制：比例控制、积分控制与微分控制的统称。根据控制对象和应用条件，可以采用这三种控制的部分组合，即P控制，PI控制，PD控制或者是三者的组合，即真正意义上的PID控制。

在本实施例中，所述俯仰控制器200为俯仰PID控制器，根据输入的目标俯仰角度以及实际俯仰角度进行PID控制，控制并输出非正常姿态预防下的俯仰力矩M_UAPy；

所述横滚控制器300为横滚PID控制器，根据输入的目标横滚角度以及实际横滚角度进行PID控制，控制并输出非正常姿态预防下的横滚力矩M_UAPx。

PID控制器包含比例调节、积分调节和微分调节的增益。

所述比例调节、积分调节和微分调节的增益为常量，通过软件配置文件进行设置，根据飞机的不同而不同。例如，A320这种窄体客机的模拟机P的增益在10000-20000之间，再例如777X这种宽体客机的模拟机P的增益在30000-60000之间。

上述几个调节增益只根据模拟机模拟的机型而变化，而不随场景的强度而变化。

图4揭示了根据本发明一实施例的限制器的原理示意图，如图4所示，在本实施例中，限制器为双向限制器，功能如下：

当输入值超过设定的正最大值时，输出将被设定为正最大值；

当输入值小于负最大值时，输出将被设定为负最大值；

当输入值介于正最大值与负最大值之间时，则限制器将保持输出值与输入值相同。

如图2a和图2b所示的实施例中，所述俯仰控制器200还包括俯仰限制器，所述俯仰限制器设置在俯仰PID控制器输入端的前端，对输入的目标俯仰角度以及实际俯仰角度的差值进行限幅输出；

所述横滚控制器300还包括横滚限制器，所述横滚限制器设置在横滚PID控制器输入端的前端，对输入的目标横滚角度以及实际横滚角度的差值进行限幅输出。

在本实施例中，PID控制器和限制器是在仿真主机计算机中增加软件运行模块实现，无需增加额外设备或软件，因此，本发明在不增加外部采购成本的前提下，实现了对非正常姿态预防的训练。

图5揭示了根据本发明一实施例的非正常姿态预防IOS界面的示例图，如图5所示，本发明提出的用于实现非正常姿态预防的飞行模拟机，还包括教员操作台(IOS)，提供直观便捷的人机交互界面，用于触发非正常姿态预防场景。

如图5所示，人机交互界面，包括横坐标与纵坐标：

所述纵坐标代表俯仰指令，纵轴方向代表抬头或低头；

所述横坐标代表横滚指令，横轴方向代表右横滚或左横滚；

所述人机交互界面的坐标位置代表场景强度。

横坐标轴的正轴、负轴分别划分若干横滚运动体感强度区域，所述纵坐标轴的正轴、负轴分别划分若干俯仰运动体感强度区域。坐标位置代表选择俯仰方向、俯仰强度、横滚方向以及横滚强度的组合。

本发明利用IOS设计的UAP新界面，用于触发UAP场景的人际交互，从而使得飞行教员的工作更为简便，实现更直观的场景启动，简化俯仰横滚趋势强度的设定过程，提升操作便捷性。

如图5所示，图中通过对横坐标轴与纵坐标轴的划分得到Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个区域，分别对应运动体感轻度、中度和重度区域，教员可以随意在坐标区域选择一个坐标位置，组合出所需的俯仰方向、俯仰强度、横滚方向以及横滚强度。当选择完成后点击“执行”按钮，飞行模拟机会在点击执行按钮之后3秒内根据所选UAP的方向和强度来计算出所需的机体力矩，并立即开始训练。

场景强度的变化与双向限制器的调整紧密相连，而与模拟机机型或姿态的改变无关。值得一提的是，在限制器中，其最大设定值与IOS界面的触摸位置紧密相关。当用户在界面上点击远离原点的位置时，所触发的场景强度会相应增加。

这种场景强度的变化与点击位置距离原点的距离呈现出线性关系，使得用户的交互体验更为流畅与直观。

如图5所示，横坐标轴的正轴上的运动体感轻度区域，这一区域根据其坐标与原点的距离，被线性地划分为0至100％的强度范围。例如，50％轻度即代表该区域的中间坐标位置，100％轻度即该区域的最右边坐标位置，0％轻度即运动体感轻度区域的最左边坐标位置(原点)。

同样的规则适用于运动体感中度区域和运动体感重度区域，其中场景强度的变化与点击坐标位置的关系呈现出类似的模式。

显然，横坐标轴或纵坐标轴中的100％轻度与0％中度、100％中度与0％重度的坐标是重合的。

图6揭示了根据本发明一实施例的非正常姿态预防IOS界面指令的示意图，如图6所示，本发明提出的用于实现非正常姿态预防的飞行模拟机，IOS界面指令的示意如下：

如果用户点击点1然后点击执行按钮的时候，IOS会向UAP的俯仰控制器/横滚控制器发出50％轻度俯仰抬头指令，无横滚指令。

如果用户点击点2然后点击执行按钮的时候，IOS会向UAP的俯仰控制器/横滚控制器发出100％中度俯仰低头，100％中度向左横滚指令。

如果用户点击点3然后点击执行按钮的时候，IOS会向UAP的俯仰控制器/横滚控制器发出100％重度向右混滚指令，无俯仰指令。

上文提到的100％轻度，100％中度，100％重度，对应上文中提到的双向限制器Limit的设定值可以是2.5°、5.0°和10.0°。

低于100％强度的设定值与100％强度的设定值呈线性关系，此限制器的设定值可以根据用户需求而改变，而不根据机型的不同而改变。

例如，100％轻度的限制器的设定值是2.5°时，50％轻度的限制器的设定值是1.25°；

例如，100％中度的限制器的设定值是5.0°时，50％中度的限制器的设定值是3.75°；

此限制器的设定值为常量，通过配置文件来改变。

M_UAPx与M_UAPy的计算是在模拟机仿真主机计算机内进行，此模块的运行频率需要在50Hz以上，在已经实行的案例中，此模块运行迭代频率在50—200Hz之间。

根据各飞机的训练内容不同，姿态到达极限也会有所不同。

例如，在某宽体客机训练科目中，要求的非正常姿态极限为横滚正负45°，俯仰正负45°。超出这个范围的非正常姿态并不属于训练科目之内。在这种情况下，俯仰目标值和横滚目标值会根据飞行教员在IOS上所选的方向而改变目标姿态的正负号。

如果飞行教员选择低头俯仰指令，则俯仰目标值为-45°，如果选择抬头俯仰指令，则俯仰目标值为45°。同理，选择右横滚指令，横滚目标值为+45°，左横滚指令，横滚目标值为-45°。

当飞机达到指定姿态后，PID控制器会保持飞机在此姿态10秒以上。此最终姿态为一个常量，通过软件配置文件设置。

在没有设置非正常姿态极限的情况下，俯仰目标值和横滚目标值仅根据飞行教员在IOS上所选的方向不同而有所变化，如果飞行教员选择低头俯仰指令，则俯仰目标值为-80°，如果选择抬头俯仰指令，则俯仰目标值为80°。同理，如果选择右横滚指令，则横滚目标值为+180°，如果选择左横滚指令，则横滚目标值为-180°。

在这里，横滚目标值和俯仰目标值只用于控制飞机的飞行趋势，当飞机达到横滚目标值和俯仰目标值所规定的姿态时，控制器不会保持此姿态。

这个最终制定的姿态是常量，通过软件配置文件设置。

上述提到的指令大小不随机型或场景强度的变化而改变。

本发明通过配置文件配置关键设置参数，其中大部分参数为常量，只和机型有关，与场景强度或场景本身无关，大大缩短了工程师的调试时间，降低了人力成本。

图7揭示了根据本发明一实施例的飞行模拟机的控制流程图，如图7所示，本发明提出的一种用于实现非正常姿态预防的飞行模拟机，具体的实现流程如下：

当飞行教员触发IOS UAP训练，选择点击教员操作台IOS的人机交互界面坐标系中任意一个坐标位置并且按下“执行”按钮；

教员操作台会将俯仰控制指令、横滚控制指令发送给仿真主机计算机的主机控制器；

主机控制器会根据俯仰控制指令、横滚控制指令，判断是开启单个控制器(即俯仰控制器或横滚控制器)，或同时开启双控制器(即俯仰控制器和横滚控制器)；

如果同时开启双控制器，则主机控制器会向俯仰控制器和横滚控制器发送激活指令，俯仰控制器和横滚控制器同时开启并激活，设定目标俯仰角度和目标横滚角度；

如果开启单个控制器，则主机控制器会向俯仰控制器或横滚控制器发送激活指令，俯仰控制器或横滚控制器进行激活，设定目标俯仰角度或目标横滚角度；

仿真主机计算机实时判断俯仰控制器和\或横滚控制器是否符合退出条件，如果不符合，则单个控制器或双控制器继续保持激活状态；

如果符合，则单个控制器或双控制器停止工作；

当输出结果渐出到零后，训练场景结束，飞机自动进入正常飞行。

更进一步地，俯仰控制器和\或横滚控制器的PID控制器退出触发条件可以是以下几点：

对于电传飞机模拟机，当侧杆的位置变化超过预设阈值或者脚蹬的受力超过预设阈值时，PID控制器将触发退出条件。预设阈值的设定为常量，通常在配置文件设置。

对于装配有操纵负荷系统的模拟机，当主操纵负荷力传感器的受力超过预设阈值时，PID控制器将触发退出条件。预设阈值的设定为常量，通常在配置文件设置。

更进一步地，当控制器停止工作的时候，控制器的力矩输出(M_UAPx与M_UAPy的计算结果)按照预设变化率渐出减小至0，预设变化率的大小可以根据要求而改变。

基于上述用于实现非正常姿态预防的飞行模拟机，本发明开发出一种飞行模拟机能够自动进行非正常姿态预防的训练方法，进一步对飞机仿真模型力矩平衡方程进行了力矩控制优化，克服了传统方法中的不足。该方法运行稳定，模拟效果真实，有效提升了飞行模拟机在非正常姿态预防方面的训练价值和实际应用能力。

图8揭示了根据本发明一实施例的非正常姿态预防的训练实现方法流程图，如图8所示，本发明提出的一种非正常姿态预防的训练实现方法，包括以下步骤：

步骤S1、触发非正常姿态预防场景，发送将俯仰控制指令和/或横滚控制指令；

步骤S2、判断并选择开启并激活俯仰控制器和/或横滚控制器；

步骤S3、判断俯仰控制器和\或横滚控制器是否符合退出条件，如果不符合则继续步骤S2，如果符合则进入步骤S4；

步骤S4、俯仰控制器和\或横滚控制器停止工作；

步骤S5、非正常姿态预防场景训练结束。

更进一步地，通过教员操作台的人机交互界面触发非正常姿态预防场景。

更进一步地，所述步骤S2包括：

俯仰控制器和/或横滚控制器根据俯仰控制指令和/或横滚控制指令，控制并输出非正常姿态预防下的俯仰力矩和/或横滚力矩至仿真主机计算机；

仿真主机计算机将非正常姿态预防下的俯仰力矩和/或横滚力矩加入飞机仿真模型力矩平衡方程，根据飞机仿真模型力矩平衡方程实现横滚角、俯仰角驱动。

由于用于实现非正常姿态预防的飞行模拟机的工作流程已在先前详细阐述，关于本发明提出的非正常姿态预防的训练实现方法的具体内容，可与该工作流程相对应，因此此处不再赘述。

尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。

本发明提供的一种飞行模拟机及其非正常姿态预防的训练实现方法，具体具有以下有益效果：

1)通过采用PID控制器，实现对机体扭矩输入的精确控制，有效抑制PID输入中横滚角度和俯仰角度目标值的改变率，从而确保非正常姿态的渐入强度得到合理控制；

2)能够在模拟飞机的任意空速、构型及高度条件下触发非正常姿态预防训练，且场景触发无延迟，极大地提高了模拟训练的灵活性和实用性；

3)运动系统在横滚角和俯仰角渐入的过程中，为飞行学员提供了实时、真实的运动反馈，有效增强了模拟训练的逼真度和学员的操作感知；

4)确保了操纵负荷系统和飞控系统不会受到反驱的影响，从而保障了模拟训练的稳定性和安全性；

5)在非正常姿态渐入过程中，避免了非正常或人为触发的告警，有效降低了模拟训练中的干扰因素；

6)通过采用新的人机交互界面，本发明实现了从IOS端对非正常姿态渐入强度的有效控制，进一步提升了模拟训练的智能化水平和用户体验；

7)利用配置文件，实现对关键设置参数的灵活配置，其中，大部分参数为常量，仅与机型相关，而与场景强度或场景本身无关，不仅大幅缩短了工程师的调试时间，更显著降低了人力成本，为实际应用带来了更高的效率和效益。

如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。

本领域技术人员将进一步领会，结合本文中所公开的实施例来描述的各种解说性逻辑板块、模块、电路、和算法步骤可实现为电子硬件、计算机软件、或这两者的组合。为清楚地解说硬件与软件的这一可互换性，各种解说性组件、框、模块、电路、和步骤在上面是以其功能性的形式作一般化描述的。此类功能性是被实现为硬件还是软件取决于具体应用和施加于整体系统的设计约束。技术人员对于每种特定应用可用不同的方式来实现所描述的功能性，但这样的实现决策不应被解读成导致脱离了本发明的范围。

上述实施例是提供给熟悉本领域内的人员来实现或使用本发明的，熟悉本领域的人员可在不脱离本发明的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。

Claims (15)

1.一种用于实现非正常姿态预防的飞行模拟机，其特征在于，至少包括仿真主机计算机、俯仰控制器和横滚控制器；

所述俯仰控制器，控制并输出非正常姿态预防下的俯仰力矩至仿真主机计算机；

所述横滚控制器，控制并输出非正常姿态预防下的横滚力矩至仿真主机计算机；

所述仿真主机计算机，将非正常姿态预防下的俯仰力矩、横滚力矩加入飞机仿真模型力矩平衡方程，根据飞机仿真模型力矩平衡方程实现横滚角、俯仰角驱动。

2.根据权利要求1所述的用于实现非正常姿态预防的飞行模拟机，其特征在于，所述俯仰控制器，根据输入的目标俯仰角度以及实际俯仰角度，控制并输出非正常姿态预防下的俯仰力矩；

所述横滚控制器，根据输入的目标横滚角度以及实际横滚角度，控制并输出非正常姿态预防下的横滚力矩。

3.根据权利要求2所述的用于实现非正常姿态预防的飞行模拟机，其特征在于，所述俯仰控制器和横滚控制器，设置在仿真主机计算机内以实现控制与输出；

所述俯仰控制器和横滚控制器均由PID控制器：

所述俯仰控制器为俯仰PID控制器，根据输入的目标俯仰角度以及实际俯仰角度进行PID控制，控制并输出非正常姿态预防下的俯仰力矩；

所述横滚控制器为横滚PID控制器，根据输入的目标横滚角度以及实际横滚角度进行PID控制，控制并输出非正常姿态预防下的横滚力矩。

4.根据权利要求3所述的用于实现非正常姿态预防的飞行模拟机，其特征在于，所述俯仰控制器还包括俯仰限制器，所述俯仰限制器设置在俯仰PID控制器输入端的前端，对输入的目标俯仰角度以及实际俯仰角度的差值进行限幅输出；

所述横滚控制器还包括横滚限制器，所述横滚限制器设置在横滚PID控制器输入端的前端，对输入的目标横滚角度以及实际横滚角度的差值进行限幅输出。

5.根据权利要求3所述的用于实现非正常姿态预防的飞行模拟机，其特征在于，所述PID控制器包含比例调节、积分调节和微分调节的增益；

所述比例调节、积分调节和微分调节的增益为常量，通过软件配置文件进行设置。

6.根据权利要求3所述的用于实现非正常姿态预防的飞行模拟机，其特征在于，所述PID控制器的退出触发条件包括：

对于电传飞行模拟机，当侧杆的位置变化超过预设阈值或者脚蹬的受力超过预设阈值时，PID控制器将触发退出条件；

对于装配有操纵负荷系统的飞行模拟机，当主操纵负荷力传感器的受力超过预设阈值时，PID控制器将触发退出条件。

7.根据权利要求6所述的用于实现非正常姿态预防的飞行模拟机，其特征在于，当所述PID控制器触发退出条件并停止工作时，PID控制器的力矩输出按照预设变化率渐出减小至0。

8.根据权利要求6所述的用于实现非正常姿态预防的飞行模拟机，其特征在于，所述PID控制器的退出触发条件通过配置文件进行设置。

9.根据权利要求1所述的用于实现非正常姿态预防的飞行模拟机，其特征在于，还包括教员操作台：

所述教员操作台，提供触发非正常姿态预防场景的人机交互界面。

10.根据权利要求9所述的用于实现非正常姿态预防的飞行模拟机，其特征在于，所述人机交互界面，包括横坐标与纵坐标：

所述纵坐标代表俯仰指令，纵轴方向代表抬头或低头；

所述横坐标代表横滚指令，横轴方向代表右横滚或左横滚；

所述人机交互界面的坐标位置代表场景强度。

11.根据权利要求10所述的用于实现非正常姿态预防的飞行模拟机，其特征在于，所述横坐标轴的正轴、负轴分别划分若干横滚运动体感强度区域；

所述纵坐标轴的正轴、负轴分别划分若干俯仰运动体感强度区域；

所述人机交互界面的坐标位置代表选择俯仰方向、俯仰强度、横滚方向以及横滚强度的组合。

12.一种非正常姿态预防的训练实现方法，基于如权利要求1至权利要求11中任一项所述的用于实现非正常姿态预防的飞行模拟机实现，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、触发非正常姿态预防场景，发送将俯仰控制指令和/或横滚控制指令；

步骤S2、判断并选择开启激活俯仰控制器和/或横滚控制器；

步骤S3、判断俯仰控制器和\或横滚控制器是否符合退出条件，如果不符合则继续步骤S2，如果符合则进入步骤S4；

步骤S4、俯仰控制器和\或横滚控制器停止工作；

步骤S5、非正常姿态预防场景训练结束。

13.根据权利要求12所述的非正常姿态预防的训练实现方法，其特征在于，所述飞行模拟机包括教员操作台：

所述步骤S1还包括：通过教员操作台的人机交互界面触发非正常姿态预防场景。

14.根据权利要求12所述的非正常姿态预防的训练实现方法，其特征在于，所述步骤S2包括：

俯仰控制器和/或横滚控制器根据俯仰控制指令和/或横滚控制指令，控制并输出非正常姿态预防下的俯仰力矩和/或横滚力矩至仿真主机计算机；

仿真主机计算机将非正常姿态预防下的俯仰力矩和/或横滚力矩加入飞机仿真模型力矩平衡方程，根据飞机仿真模型力矩平衡方程实现横滚角、俯仰角驱动。

15.根据权利要求12所述的非正常姿态预防的训练实现方法，其特征在于，所述步骤S4，进一步包括：

俯仰控制器和\或横滚控制器的力矩输出按照预设变化率渐出减小至0。