專利名稱：一種用于編隊飛行的數據控制方法
技術領域：
本發明屬于仿真技術領域，來源于Computer Generated Forces (CGFs，計算機生成兵力)工程實踐。本發明既可用于軍用仿真領域又可用于民用仿真領域。
背景技術：
在CGFs工程實踐中，模擬飛機編隊的效果并不是誤差越小越好，而是越真實越好。因為，飛行員駕駛飛機不可避免地會產生誤差，有效地反映這種誤差是“擬人性”的表現。換句話說，編隊飛行仿真具有一定的誤差，說明它更像真實飛行員駕駛的效果。而這些 “真實的誤差”只能來源于對真實飛行員駕駛行為的收集。我們發明了一種基于“數據控制” 的編隊飛行仿真方法就是利用這一特點，即，將飛行員的駕駛行為保存于數據文件中，以備以后在相同的情形下使用。另一方面，對于一個動力學系統，在一組輸入向量序列(時間t的函數)下會產生一組輸出效果。如果我們“由果索因”，將產生“完美”效果的輸入向量序列保存起來。那么， 在特定的時間段，用保存的輸入向量序列去控制原動力學系統，就會產生我們想要的效果。 這是我們發明基于“數據控制”的編隊飛行仿真的另一個動機和依據。基于“數據控制”的編隊飛行仿真需要兩種狀態“自動控制狀態”和“數據控制狀態”的交互。在編隊飛行過程中，“預測和評估”模塊用于預測長機的行為(將要進行的機動)。“預測和評估”模塊不停地進行工作，當正確預測了長機下一步的機動時，則進入“數據控制狀態”，否則，進入“自動控制狀態”。在“數據控制狀態”下，飛機由預存于數據文件中的控制量進行控制；在“自動控制狀態”下，飛機由自動控制程序進行控制。與“自動控制”相比較，“數據控制”具有以下優缺點。優點(1)數據控制準確性高，適合于復雜的特技飛行仿真；(2)數據控制擬人性高，適合于CGFs仿真；(3)數據控制復用性好，可以多次重復利用預存的數據文件。缺點(1)數據控制靈活性差，只能進行預定的機動；( 數據控制魯棒性差，只能適合于仿真再現。我們發明的基于“數據控制”的編隊飛行方法是將“數據控制”和“自動控制”結合起來的方法，它適合于CGFs仿真工程。舉例說明，首先讓長機自由飛行，僚機飛行員駕駛僚機跟隨長機進行編隊飛行；在編隊飛行過程中，記錄僚機飛行員的駕駛行為并將其保存于數據文件中。接著，讓長機進行預定的機動飛行，同樣讓僚機飛行員進行編隊飛行并記錄其駕駛行為。最后，在CGFs仿真環境下，讓僚機在自動控制程序和數據文件的控制下跟隨長機飛行。其中，在進行預定的特殊編隊機動時，由預先保存的數據文件來進行控制；在進行常規的編隊飛行時，由自動控制程序進行控制。總之，這種用于編隊飛行中的數據控制方法是一種有價值的方法。本發明具有以下特點(1)擬人性高，通過將飛行員的駕駛行為保存于數據文件中，再由數據文件去控制飛機編隊飛行是飛行員駕駛行為的再現；(2)方法易于實現，“數據控制方法”涉及到數據文件的建立、保存和讀寫，因此很容易通過編程來實現；C3)銜接性好，很容易將數據控制方法和自動控制方法銜接起來，使得數據控制方法“控制”特殊機動的編隊飛行，自動控制方法控制常規的編隊飛行；(4)在仿真演練中具有廣泛的應用價值，不僅可以用于小規模的戰術演練而且還可以用于大規模的交互式仿真演練。
發明內容
本發明公開了一種用于編隊飛行的數據控制方法，來源于CGFs工程實踐。該方法改進了傳統的編隊飛行仿真方法，將自動控制和數據控制結合起來對飛機編隊飛行仿真的整個過程進行控制。該方法對于提高CGFs仿真的真實性具有重要的價值。傳統的編隊飛行仿真方法是一種完全基于自動控制的編隊仿真方法。傳統方法將參與編隊的飛機(例如長機和僚機)視為被控制的對象，將編隊飛機之間的間隔、距離和高度差視為控制的目標，通過設計控制律來達到保持預定的間隔、距離和高度差。然而，傳統方法存在如下問題(1)編隊飛行的機動具有預定的動作要領，根本不需要通過偏差控制來保持隊形；( 一些高難度的機動或特殊的機動很容易使系統發散，致使偏差控制無效，例如，對于蛇形機動，通過偏差控制就很難保持隊形；C3)真實飛行員進行的編隊飛行， 并不是通過“偏差控制”的思想來跟隊的，而是同時做預定的機動，在做機動的過程中盡量 (不是必須)考慮隊形的保持。我們對傳統的編隊飛行仿真方法進行了改進，發明了一種基于“數據控制”的編隊飛行仿真方法。該方法將自動控制方法和“數據控制方法”緊密結合，充分發揮了二者優勢。即，在通常情況下，通過自動控制程序來保持編隊隊形；而在進行預定的“高難度”機動時(預定的特殊編隊機動)，通過數據控制來保持編隊隊形。下面詳細介紹這種方法。1.預測代價的評估預測代價的評估包括兩個方面的內容其一是正確預測次數大于指定的閾值；其二是預測的代價小于指定的閾值。(1)正確預測的次數大于指定的閾值正確預測是指僚機根據長機最近一段時間的態勢正確預測長機下一時刻的行為。 由于是對未發生的行為進行預測，所以預測的正確率就至關重要。為了評估預測的正確率， 我們引進了“預測正確次數閾值”——minCorrectness。因此，預測次數評估公式為{NumCorrPredict} t e [ti, tj] ^ minCorrectness其中，{NumCorrPredict} t e [tijtJ]為在時間、和t」之間的實際預測次數。、、、為任意兩個時間點。minCorrectness為事先指定的預測正確次數閾值。當我們指定預測的時間段后，就可以計算出在這段時間內的實際預測次數。(2)預測的代價小于指定的閾值預測的代價函數根據當前的態勢和期望的態勢之間的關系建立。預測的代價函數的計算公式為J = (1/n)* Σ i=in[wi-Ave(W)]2其中，Wie Iff1, W2,…，WJ , W = <wx, wy, wz, wv, Wtheta, Wganma, wpsi>, η 表示在預測的時間點起連續進行了 η次抽樣計算。另外，wx = Xcur-Xdes ； (Xcur是χ的當前坐標，Xdes是期望的χ坐標值)
wy = ycur-ydes ； (ycur是y的當前坐標，ydes是期望的y坐標值)wz = Zcur-Zdes ； (zcur是ζ的當前坐標，Zdes是期望的ζ坐標值)wv = Vcur-Vdes ； (Vcur是速度ν的當前值，Vdes是期望的速度值)Wtheta = θ cur- θ des ； ( θ cur是俯仰角θ的當前值，θ des是期望的俯仰角值)Wgamma = Y cur- Y des ； ( Y cur是滾轉角Y的當前值，Y des是期望的滾轉角值)wpsi = ￥cur-￥des ； (￥cur是偏航角Ψ的當前值，Vdes是期望的偏航角值)如果(1)在某個時間點進行η次抽樣計算；(2)代價函數的閾值被指定為 minCost，則，計算預測代價的方法是首先，計算W” W2……Wn的值；然后，計算Ave (W)，S卩，計算W1、W2……Wn的平均值；接著，計算代價函數J的值；最后，將J的值與minCost相比較，如果J ( minCost，則預測的代價“極小”；否則預測的代價過大。綜上所述，如果正確的預測次數大于指定的閾值同時預測的代價小于指定的閾值，則認為本次預測有效并付諸于實施，否則，認為本次預測無效并立即進行補救式調整。2.數據控制方法當預測有效時，進入數據控制階段。數據控制是指一種應用于飛行仿真中的技術，它將飛機的控制量事先保存于數據文件中，在某種情況下從數據文件中直接讀取控制量來對飛機實施控制。數據控制方法中涉及到的機動有“右拉起”、“左拉起”、“戰斗轉彎”、“下降”、“高速遙遙”、“低速遙遙”、“半斤斗翻轉”、“半滾倒轉”、“急盤旋”、“增速轉彎”、“平飛增速”(如表ι所示)°表1是數據控制方法中涉及到機動的說明。表1數據控制方法中涉及到的機動
序號名稱說明1右拉起控制飛機迅速向右改變航向，同時增加高度2左拉起、控制飛機迅速向左改變航向，同時增加高度3戰斗轉彎控制飛機轉彎并迅速改變航向4下降控制飛機降低高度5高度遙遙在追擊目標時，如果飛機速度較快，為了防止超越目標，首先將飛機拉起，然后再朝著目標俯沖
權利要求
1.一種用于編隊飛行的數據控制方法，其特征在于將飛行員駕駛飛機的“兩桿一舵” 控制量保存于數據文件中，在相同的條件下從該數據文件中讀取這些控制量來實施相似的控制；基于該方法的實現系統由飛行員行為采集[1]、行為預測和評估[2]、行為數據的控制[3]、控制狀態的切換W]四部分組成飛行員行為采集[1]是指讓真實飛行員駕駛飛機跟隨長機進行編隊飛行，并在此過程中收集飛行員駕駛飛機的“兩桿一舵”控制量信息；行為預測和評估[2]是指對長機進行的機動進行預測，并對歷史的行為進行統計和評估；行為數據的控制[3]是指利用飛行員駕駛飛機的行為數據文件對飛機的仿真模型進行控制；控制狀態的切換[4]是指在自動控制方法所控制的狀態和“數據控制”方法所控制的狀態之間進行切換。
2.根據權利要求1所述的一種用于編隊飛行的數據控制方法，其特征在于，“兩桿一舵”是指油門桿、操縱桿和方向舵；“兩桿一舵”控制量包括“油門控制量”、“升降舵控制量”、 “副翼控制量”和“方向舵控制量”。
3.根據權利要求1所述的一種用于編隊飛行的數據控制方法，其特征在于進行飛行員行為采集[1]時，首先，讓長機按照預定的“機動”進行飛行，其中“機動”是指能完成一定功能的一系列連貫的飛行動作的總稱；接著，讓飛行員駕駛僚機跟隨長機進行編隊飛行； 在編隊飛行過程中，記錄飛行員(僚機飛行員)駕駛飛機的“兩桿一舵”控制量信息。
4.根據權利要求1所述的一種用于編隊飛行的數據控制方法，其特征在于行為預測和評估[2]是指對長機進行的機動進行預測，并對歷史的預測行為進行統計和評估；其中， 長機的飛行是按照任務進行的，一次任務包括起飛、爬升、平飛、戰術機動、返回、降落等；對長機的機動進行預測僅限于對長機即將進行的戰術機動(含特技)進行預測；在預測時涉及“正確預測的次數”和“預測的代價”兩個指標，其中“正確預測的次數”是指僚機根據長機最近一段時間的態勢，正確預測到長機續后行為的次數；“預測的代價”是指根據預測代價公式計算出的一個具體的數值，而預測代價公式是抽樣次數、χ坐標、y坐標、ζ坐標、速度、俯仰角、滾轉角和偏航角的函數。
5.根據權利要求1所述的一種用于編隊飛行的數據控制方法，其特征在于行為數據的控制[3]是指利用飛行員駕駛飛機的行為數據文件對飛機的仿真模型進行控制；飛行員駕駛飛機的行為數據由“飛行員行為采集” [1]得到，并將其保存為數據文件；在進行行為數據控制時，需要首先進行“行為預測和評估” [2]，然后從數據文件中讀取飛行控制量并對飛機模型實施控制。
6.根據權利要求1所述的一種用于編隊飛行的數據控制方法，其特征在于“控制狀態的切換”是指在自動控制方法所控制的狀態和“數據控制”方法所控制的狀態之間進行切換；“控制狀態的切換”是飛機連續有效飛行的保障，當飛機進行常規飛行時用自動控制方法進行控制，當飛機進行特殊的編隊機動時用“數據控制”方法進行控制；在自動控制和“數據控制”之間進行切換的時機是“行為預測和評估” [2]的結果是否滿足預設的條件。
全文摘要
本發明公開了一種用于編隊飛行的數據控制方法，屬于仿真技術領域。該方法由飛行員行為采集、行為預測和評估、行為數據的控制、控制狀態的切換等組成。本發明采用反饋控制的思想，將編隊飛行的“間隔”、“距離”、“高度差”和所進行的“機動”作為控制目標，在預測到下一步將要進行的“機動”時采用面向“機動”的數據控制，在沒有預測到下一步將要進行的“機動”時采用面向“間隔”、“距離”和“高度差”的自動控制。本發明能夠有效地提高編隊飛行仿真的真實性，對于軍民兩用仿真領域均具有直接的參考價值。
文檔編號G05B17/02GK102279568SQ20111019339
公開日2011年12月14日 申請日期2011年7月12日 優先權日2011年7月12日
發明者尹云飛 申請人:重慶大學