葉 飛,彭秀云,王立國(guó),肖 陽(yáng)

（1、總參陸航部駐株洲地區(qū)軍事代表室,湖南株洲412002;2、總參陸航研究所機(jī)體與發(fā)動(dòng)機(jī)室,北京 101121）

直升機(jī)飛行參數(shù)綜合分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

葉 飛1,彭秀云1,王立國(guó)2,肖 陽(yáng)2

（1、總參陸航部駐株洲地區(qū)軍事代表室,湖南株洲412002;2、總參陸航研究所機(jī)體與發(fā)動(dòng)機(jī)室,北京 101121）

本文的研究目的是實(shí)現(xiàn)直升機(jī)飛行參數(shù)的綜合分析,建立了數(shù)據(jù)采集裝置、飛行參數(shù)維護(hù)子系統(tǒng)、飛行參數(shù)信號(hào)處理與分析子系統(tǒng)、智能故障診斷子系統(tǒng)、虛擬飛行再現(xiàn)與評(píng)估子系統(tǒng)五個(gè)部分。闡述了各個(gè)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和方法,系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)對(duì)于直升機(jī)飛參記錄系統(tǒng)校驗(yàn)維護(hù)、直升機(jī)技術(shù)狀態(tài)監(jiān)控、飛行質(zhì)量評(píng)估和飛行安全及事故分析具有重要的意義。

直升機(jī);飛行參數(shù);綜合分析;狀態(tài)監(jiān)控

飛行參數(shù)記錄器（黑匣子）按照時(shí)間次序記錄了直升機(jī)每次飛行的各種飛參數(shù)據(jù),它能客觀真實(shí)地反映飛行的狀態(tài)。隨著飛行時(shí)間的推移,將積累大量的飛參數(shù)據(jù),其中包含大量珍貴的飛行資料,以某型直升機(jī)為例,單架直升機(jī)每個(gè)月將產(chǎn)生大約0.5G的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)量非常龐大,依據(jù)原來(lái)的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行存儲(chǔ)將非常耗時(shí)費(fèi)力。以往對(duì)飛參數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí)只是依據(jù)專家的經(jīng)驗(yàn)人工進(jìn)行,不僅直觀性差,效率低下,且大大增加了數(shù)據(jù)分析的難度。一些潛在的故障不能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理,導(dǎo)致一些重大事故的發(fā)生,對(duì)直升機(jī)的飛行安全構(gòu)成了極大的威脅。

隨著數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、人工智能技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)、神經(jīng)計(jì)算、圖像圖形技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)的不斷成熟和完善,使開(kāi)發(fā)具有飛參數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)處理與分析、智能故障診斷、虛擬飛行再現(xiàn)與評(píng)估功能的綜合分析系統(tǒng)成為可能。該系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)對(duì)實(shí)現(xiàn)直升機(jī)基于狀態(tài)的維修、確保飛行安全具有重要的意義。

1 綜合分析系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

直升機(jī)飛行參數(shù)綜合分析系統(tǒng)包括飛行數(shù)據(jù)采集裝置、飛行參數(shù)維護(hù)子系統(tǒng)、飛行參數(shù)信號(hào)處理與分析子系統(tǒng)、智能故障診斷子系統(tǒng)和虛擬飛行再現(xiàn)與評(píng)估子系統(tǒng)五個(gè)部分。如圖1所示：

圖1 綜合分析系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)采集裝置包括飛參數(shù)據(jù)讀取單元、艙音信號(hào)獲取單元;飛行參數(shù)維護(hù)子系統(tǒng)包括飛行數(shù)據(jù)的管理、編輯、維護(hù)和糾錯(cuò)功能模塊,實(shí)現(xiàn)了飛行參數(shù)的綜合管理;飛行參數(shù)信號(hào)處理與分析子系統(tǒng)包括直升機(jī)艙音信號(hào)濾波模塊、時(shí)域分析、頻域分析和相關(guān)性分析等模塊,實(shí)現(xiàn)了飛行參數(shù)的綜合分析;智能故障診斷子系統(tǒng)具有自學(xué)習(xí)、交互式、開(kāi)放式的功能,構(gòu)建的知識(shí)庫(kù)和規(guī)則庫(kù)具有開(kāi)放性和可擴(kuò)充性,實(shí)現(xiàn)了專家經(jīng)驗(yàn)的積累;虛擬飛行再現(xiàn)與評(píng)估子系統(tǒng),能夠再現(xiàn)直升機(jī)的飛行狀態(tài)和儀表仿真,具有查詢、快放、回放的功能,可以選擇任何時(shí)間段的飛行姿態(tài)、航跡繪制,逼真度好,可信度高,能夠?qū)崿F(xiàn)飛行質(zhì)量的評(píng)估。軟件運(yùn)行效果如圖2所示：

圖2 軟件系統(tǒng)運(yùn)行效果

2 實(shí)現(xiàn)中的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 飛參數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理

該型直升機(jī)的飛參數(shù)據(jù)有特定編碼,需要翻譯使用,該系統(tǒng)接收由走帶裝置傳來(lái)的雙頻碼數(shù)據(jù),將雙頻碼變換為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)信號(hào),對(duì)其同步后用幀同步字加以識(shí)別,并以一定的協(xié)議與計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)進(jìn)行交互,使計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)正確的接收數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。[1]編碼飛參數(shù)據(jù)共64種,飛參信號(hào)可以分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。其中數(shù)字信號(hào)也稱為一次性指令。虛擬飛行再現(xiàn)系統(tǒng)用到的是一小部分,具體包括：氣壓高度、無(wú)線電高度、傾斜角、俯仰角、磁航向、空速表和起落架信號(hào)等。飛參大部分?jǐn)?shù)據(jù)采樣頻率為每秒1次,部分?jǐn)?shù)據(jù)每秒2次,由于直升機(jī)飛行速度快,如果只是按照采用采樣點(diǎn)首尾相連的折線方式計(jì)算直升機(jī)的空中姿態(tài),將會(huì)發(fā)現(xiàn)直升機(jī)飛行再現(xiàn)模擬時(shí)在空中有明顯抖動(dòng),與實(shí)際不符,且影響觀察效果。

分箱方法通過(guò)考察“鄰居”（即周?chē)闹担﹣?lái)平滑存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)值。它將存儲(chǔ)的值分布到一些箱中,由于分箱方法需要參考相鄰的值,因此它能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行局部平滑。[2]表1中的數(shù)據(jù)是飛參數(shù)據(jù)庫(kù)中9個(gè)實(shí)體的速度,“speed”數(shù)據(jù)首先被劃分并存入等深的箱中（深度3）,爾后用等箱深法、箱平均值法、箱中值法、箱邊界法方法進(jìn)行數(shù)據(jù)平滑,如表1所示：

通過(guò)對(duì)飛參數(shù)據(jù)的分箱平滑計(jì)算后,可在不影響真實(shí)性的前提下,有效解決直升機(jī)三維視景中直升機(jī)模型抖動(dòng)的問(wèn)題。

2.2 模糊推理技術(shù)

直升機(jī)飛行參數(shù)綜合分析系統(tǒng)的一個(gè)主要功能是對(duì)飛行員的訓(xùn)練情況進(jìn)行評(píng)估,并將模糊推理理論應(yīng)用到訓(xùn)練評(píng)估中。

采用Takagi-Sugeno（T-S）模糊系統(tǒng)進(jìn)行模糊推理計(jì)算時(shí),先將底層指標(biāo)的測(cè)試數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為計(jì)算輸入的模糊集向量。模糊集一般用模糊隸屬度函數(shù)表示成四維的模糊集輸入。利用S型（Sigmoid）函數(shù)具有光滑、平整過(guò)渡、連續(xù)可微和非線性特性,將其作為隸屬度函數(shù),由此得到飛行評(píng)估子系統(tǒng)的隸屬度函數(shù)式：

表1 數(shù)據(jù)平滑的分箱方法

等級(jí)對(duì)應(yīng)的參數(shù)如表2所示。輸入三個(gè)底層指標(biāo)的測(cè)試數(shù)據(jù),可以獲得每個(gè)指標(biāo)屬于不同評(píng)語(yǔ)等級(jí)的模糊隸屬度,再利用模糊規(guī)則庫(kù)進(jìn)行T-S模糊推理,具體計(jì)算公式如（2）、（3）、（4）：[3]

表2 等級(jí)對(duì)應(yīng)參數(shù)表

2.3 飛行參數(shù)信號(hào)處理與分析

飛行參數(shù)綜合分析系統(tǒng)中,包括大量的聲音、振動(dòng)等信號(hào)需要進(jìn)行分析與處理,課題采用美國(guó)NI公司的“虛擬儀器”軟件LabVIEW中的信號(hào)分析與處理模塊進(jìn)行了信號(hào)的綜合分析與處理。[4]其基本任務(wù)是通過(guò)飛行參數(shù)獲得的振動(dòng)或語(yǔ)音信號(hào)后,經(jīng)過(guò)信號(hào)處理可求得信號(hào)的特征值,如均方值、均值、方差和概率密度等,有這些特征值可以分別獲得對(duì)應(yīng)的振動(dòng)強(qiáng)度、平穩(wěn)振動(dòng)幅度、波動(dòng)情況、振幅取值概率等有用信息。

在LabVIEW中,Time Domain提供了11個(gè)函數(shù),包括卷積、反卷積、自相關(guān)、互相關(guān)、積分、微分、延時(shí)等運(yùn)算。課題主要對(duì)信號(hào)的相關(guān)函數(shù)進(jìn)行了處理。

自相關(guān)函數(shù)描述的是隨機(jī)信號(hào)時(shí)間間隔τ為的任意兩個(gè)時(shí)刻t與t+τ的取值x（t）與x（t+τ）的相關(guān)性,記為Rx（τ）或E[x（t）x（t+τ）]。當(dāng)記錄時(shí)間T不為∞時(shí),求得的是估計(jì)值,記為（τ）。相關(guān)函數(shù)包括自相關(guān)函數(shù)和互相關(guān)函數(shù)。圖3是相關(guān)函數(shù)的一個(gè)實(shí)例。

圖3 綜合分析系統(tǒng)的時(shí)域分析

2.4 智能故障診斷

直升機(jī)是一個(gè)綜合系統(tǒng),各種交聯(lián)關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜。要建立智能故障診斷系統(tǒng),必須發(fā)揮大量相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜业闹饔^能動(dòng)性,不斷獲取、統(tǒng)計(jì)、分析、總結(jié)知識(shí),豐富知識(shí)庫(kù);同時(shí),借鑒發(fā)展現(xiàn)有經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的專家系統(tǒng)推理機(jī)制。在建立診斷系統(tǒng)時(shí),需要解決以下兩個(gè)問(wèn)題：一是如何將大量排故經(jīng)驗(yàn)集中并以知識(shí)庫(kù)的方式存在計(jì)算機(jī)內(nèi),建立知識(shí)庫(kù);二是怎樣模擬領(lǐng)域?qū)＜业乃季S過(guò)程,實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的識(shí)別。

課題利用人工智能技術(shù),開(kāi)發(fā)了基于樹(shù)結(jié)構(gòu)的智能故障診斷子系統(tǒng),具有知識(shí)庫(kù)開(kāi)放式編輯、交互式學(xué)習(xí)、自學(xué)習(xí)等功能,能夠有效積累人類專家飛參分析的經(jīng)驗(yàn),為直升機(jī)的故障、飛行安全及事故分析提供技術(shù)保障,實(shí)用性強(qiáng)。運(yùn)行效果如圖4所示：

圖4 綜合分析系統(tǒng)的智能故障診斷

2.5 三維實(shí)時(shí)顯示技術(shù)

系統(tǒng)的三維顯示技術(shù)通過(guò)專用視景驅(qū)動(dòng)軟件—VTree4.0來(lái)實(shí)現(xiàn),該軟件提供強(qiáng)大的地貌、地景構(gòu)建工具,支持3DMAX,Open Flight,vt等格式模型導(dǎo)入,提供雨,雪,陰,晴等高級(jí)特效,具有較好的人機(jī)界面,執(zhí)行效率高,具有流暢、真實(shí)的視覺(jué)效果。

系統(tǒng)以真實(shí)的數(shù)據(jù)構(gòu)建了機(jī)場(chǎng)模型、直升機(jī)模型和天景模型,直升機(jī)模型能夠在構(gòu)建的虛擬場(chǎng)景中按照真實(shí)的飛參數(shù)據(jù)進(jìn)行驅(qū)動(dòng),系統(tǒng)包含基礎(chǔ)環(huán)境創(chuàng)建子模塊、實(shí)體模型導(dǎo)入子模塊、特殊效果生成子模塊、數(shù)據(jù)接口管理子模塊、實(shí)體模型管理子模塊和天候生成管理子模塊,結(jié)構(gòu)組成如圖5所示：

圖5 圖形管理模塊組成結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)針對(duì)的直升機(jī)由于沒(méi)有安裝全球定位系統(tǒng)（GPS）,因此需要對(duì)飛參中空速表等參數(shù)進(jìn)行積分運(yùn)算,得到直升機(jī)的空間地理位置。根據(jù)飛參記錄儀中記錄的空速表、總槳距桿位置、起落架信號(hào)、磁航向、氣壓高度表、無(wú)線電高度表等參數(shù),運(yùn)用飛行動(dòng)力學(xué)理論可直接通過(guò)積分法算出飛行軌跡,具體計(jì)算如下：

假設(shè)坐標(biāo)以正北向?yàn)閅軸,正東向?yàn)閄軸,取直升機(jī)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)的位置為相對(duì)坐標(biāo)原點(diǎn),速度為V,迎角為,俯仰角為ν,磁航向角為,風(fēng)速為W,風(fēng)向與正北方向夾角為,時(shí)間步長(zhǎng)為,系統(tǒng)采用如下計(jì)算公式：[5,6]

2.6 儀表顯示技術(shù)

航空虛擬儀表組件是飛參飛行再現(xiàn)系統(tǒng)軟件平臺(tái)的重要組成部分,是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行以儀表為主并結(jié)合二維曲線、參數(shù)表等形式綜合顯示的工具。本系統(tǒng)虛擬儀表開(kāi)發(fā)采用GL—Studio軟件,該軟件能夠大幅度增加虛擬環(huán)境中沉浸感,提高逼真度。本虛擬儀表軟件的特點(diǎn)是具有照片級(jí)真實(shí)感,其功能如下：

1）能夠?qū)崿F(xiàn)航空儀表面板、刻度、指針的定制和編輯,實(shí)現(xiàn)各種參數(shù)的綁定驅(qū)動(dòng),提供“所見(jiàn)即所得”專業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)顯示解決方案。

2）組件提供豐富的虛擬儀表資源庫(kù)和二維曲線表模板,可以使用配套工具進(jìn)行開(kāi)發(fā)和擴(kuò)展,制作專業(yè)領(lǐng)域的虛擬儀表資源。

3）具有開(kāi)放的數(shù)據(jù)接口,支持網(wǎng)絡(luò)、文件、常見(jiàn)計(jì)算機(jī)接口等多種類型的數(shù)據(jù)接口,支持?jǐn)?shù)據(jù)文件、SQL Server、Access數(shù)據(jù)庫(kù)及自定義的數(shù)據(jù)文件格式。

飛行再現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行截圖如圖6所示。

a三維視景

圖6 飛行再現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行截圖

3 結(jié)束語(yǔ)

直升機(jī)綜合分析系統(tǒng)構(gòu)建了數(shù)據(jù)采集裝置、飛行參數(shù)維護(hù)子系統(tǒng)、飛行參數(shù)信號(hào)處理與分析子系統(tǒng)、智能故障診斷子系統(tǒng)、虛擬飛行再現(xiàn)與評(píng)估子系統(tǒng)的一體化平臺(tái)。建立了飛行參數(shù)信號(hào)處理與分析子系統(tǒng),對(duì)飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析,實(shí)現(xiàn)了直升機(jī)技術(shù)狀態(tài)監(jiān)控。為實(shí)現(xiàn)直升機(jī)基于狀態(tài)的維修奠定了技術(shù)基礎(chǔ),開(kāi)發(fā)的智能故障診斷子系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了直升機(jī)故障的智能診斷和專家飛參分析經(jīng)驗(yàn)的積累,對(duì)飛行安全及事故分析具有重要作用,實(shí)用性強(qiáng)。該系統(tǒng)利用直升機(jī)飛行原理,建立了直升機(jī)飛行參數(shù)和飛行特性的相關(guān)性模型。利用操縱量推算直升機(jī)的狀態(tài)量,在飛參量值不足的情況下利用操縱量推算狀態(tài)量,實(shí)現(xiàn)了直升機(jī)三維虛擬飛行再現(xiàn),與固定翼飛機(jī)相比直升機(jī)飛行具有懸停轉(zhuǎn)彎、倒飛、側(cè)飛等自身特性,技術(shù)難度大,三維虛擬飛行再現(xiàn)對(duì)直升機(jī)飛行訓(xùn)練及飛行質(zhì)量評(píng)估提供了新的手段。系統(tǒng)綜合技術(shù)水平先進(jìn)。課題的研究成果已經(jīng)在多家單位得到推廣和應(yīng)用,實(shí)際效果良好。

[1]付戰(zhàn)平,等.基于OpenGL的飛行過(guò)程再現(xiàn)與仿真[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2002,14（9）：1197-1199.

[2]吳建剛,等.飛參記錄數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)處理的有關(guān)問(wèn)題研究[J].計(jì)算機(jī)仿真,2007,（2）：18-21.

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[編校：張芙蓉]

Design and Realization about Synthesis Analysis System for the Helicopter Flight Parameter

YE Fei1,PENG Xiuyun1,Wang Liguo2,XIAO Yang2
（1、Military Representatives'Office in Zhuzhou District of Air and Land Branch of the Headquarters of theGeneral Staff,Zhuzhou Hunan 412002;
2、The Body and Engine Laboratary of the Air and Land Research Institute of theHeadquartersof theGeneral Staff,BeiJing 101121）

The purpose of the paper is to realize synthesis analysis for the helicopter flight parameter.Itdesigns data collection equipment,flightparametermaintenance subsystem,disposal and analyssis subsystem for flight parameter signal,intelligentobstacle diagnosis subsystem and virtual flightemersion and evaluation subsystem,and expatiates the design idea and method for each subsystem.The design and realization of the system has an importantmeaning for the verification and and maintenance of the helicop ter flight parameter recoder system,the helicopter technology statusmonitor,flight quality evaluation and flight incidents analysis.

helicopter;flight parameter;synthesis analysis;statusmonitor

TP306

A

1671-9654（2010）02-034-05

2010-03-11

葉飛（1983-）,男,陜西澄城人,工學(xué)碩士,研究方向?yàn)楹娇沼詈酵七M(jìn)理論與工程。