ES2342901T3 - Metodo para controlar los movimientos de un simulador de vuelo y simulador de vuelo que pone en practica dicho metodo. - Google Patents
Metodo para controlar los movimientos de un simulador de vuelo y simulador de vuelo que pone en practica dicho metodo. Download PDFInfo
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Abstract
Un método para controlar los movimientos de un simulador de vuelo, que implica aceleraciones lineales y angulares percibidas por un piloto sentado en el asiento para el piloto, con lo que la velocidad de alabeo (p) y la velocidad de guiñada (r), así como una fuerza específica en una dirección lateral (Ay), calculadas de acuerdo con un modelo de un avión simulado en un punto fijo del avión simulado, son convertidas por un programa de movimiento en una posición lateral (y) y un ángulo de alabeo (φ) del simulador, caracterizado porque el método comprende cualquiera de los pasos de: calcular el ángulo de alabeo (φ) del simulador debido al ángulo de alabeo del avión simulado, corrigiendo para ello un valor calculado originalmente (φhp) del ángulo de alabeo (φ) por un factor de corrección (φcor) proporcional a una fuerza específica lateral, inducida por un filtro de eliminación usado durante el cálculo de alineación de la gravedad terrestre de la posición lateral (y) del simulador, y/o - descomponer la fuerza específica en la dirección lateral (Aypilot) que actúa en el punto de referencia del piloto en el avión simulado, en una primera componente y una segunda componente, la primera componente relativa a la fuerza específica (Ay) en un punto fijo del avión simulado, y la segunda componente que tiene un primer término relacionado con la aceleración debida a las aceleraciones angulares de guiñada (r) y un segundo término relacionado con las aceleraciones angulares de alabeo (p), de acuerdo con la fórmula **(Ver fórmula)** siendo xpac la coordenada x del punto (P) de referencia del piloto en un sistema de referencia que tiene el origen en el punto fijo del avión simulado y siendo zpac la coordenada z del punto de referencia del piloto en dicho sistema de referencia, siendo ·ρ la aceleración angular de alabeo y siendo ·Γ la aceleración angular de guiñada, - filtrar la primera componente (Ay) a través de dos filtros, un filtro de paso alto y un filtro de paso bajo, - filtrar cada uno de los términos de la segunda componente mediante un juego de un primer y un segundo filtros complementarios en paralelo, siendo filtros complementarios los filtros cuya suma de funciones de transferencia es uno, - usar la suma de la salida del filtro de paso alto y de la salida del primero de los filtros complementarios de cada juego para calcular la posición lateral (y) deseada del simulador, y usar la suma de la salida del filtro de paso bajo y de la salida del segundo de los filtros complementarios de cada juego para calcular el ángulo de alabeo (φ) deseado del simulador.
Description
Método para controlar los movimientos de un
simulador de vuelo y simulador de vuelo que pone en práctica dicho
método.
El presente invento se refiere a simuladores de
vuelo y a métodos para controlar los simuladores de vuelo.
Los sistemas de movimiento de los simuladores de
vuelo, o dicho brevemente los simuladores de vuelo, están provistos
de sistemas de movimiento de 6 grados de libertad. Los simuladores
de vuelo proporcionan indicación fiel del movimiento de las
maniobras a través del filtrado de las aceleraciones angulares y de
fuerzas específicas (lineales). Estas señales son importantes para
la percepción del piloto, y por lo tanto el movimiento de los
simuladores de vuelo deberá ser puesto de acuerdo con los
movimientos de un avión real. Los algoritmos que se exponen en lo
que sigue se han empleado en la técnica anterior para controlar los
simuladores de vuelo.
Como la intención es la de simular el
movimiento, tal como es percibido por el piloto, el simulador de
vuelo está situado hipotéticamente en el avión, en correspondencia
con el punto P de referencia del piloto (Fig. 4).
La lógica que se sigue (Fig. 8) se encuentra
siempre en la bibliografía (véanse Russell V. Parrish, James E.
Dieudonne y Dennis J. Martin Jr. "Software del movimiento para una
base de movimiento sinérgica de seis grados de libertad" p.9.
NASA TN D-7350 diciembre 1973/M.Baarspul, Delft
University of Technology. "La generación de indicaciones de
movimiento en un sistema de movimiento de seis grados de
libertad" p.5, Report LR-248, junio 1977/G.A.J.
van de Moesdijk, F.L. Van Biervliet, Delft University of Technology.
"investigación para mejorar el sowftware de movimiento del
simulador de vuelo Fokker F-28", p.4, Report
LR-358, septiembre 1982) y en aplicaciones
prácticas.
Las fuerzas específicas se calculan en el avión
en el lugar del centroide de la plataforma hipotética, de acuerdo
con las fórmulas dadas en: O.H. Gerlach, Technische Hogesschool
Delft, "Vliegeigenschappen 1* p. 227, Dictaat D 26,
octubre-noviembre 1981/M. Baarsput, Delft University
of Technology". "La generación de indicaciones de movimiento
en un sistema de movimiento de seis grados de libertad" página 6,
Report LR-248, junio 1977.
Por ejemplo, en la dirección y:
siendo
A_{y-centroid} la componente y de la fuerza
específica en el lugar hipotético del centroide del simulador con
respecto al sistema de referencia del avión.
A_{y-cg} la componente y de la fuerza específica
del centro de gravedad del avión, p la velocidad de alabeo, q la
velocidad de cabeceo, r la velocidad de guiñada, \dot{\rho}
aceleración angular de alabeo, \dot{\Gamma} la aceleración angular
de guiñada, xc-ac la coordenada x del centroide en
el sistema de referencia del avión y zc-ac la
coordenada z del centroide en el sistema de referencia del avión.
En la mayoría de los casos la zc-ac se
desprecia.
El programa de movimiento hace uso de las tres
componentes de la fuerza específica corregidas
Ax-centroid, Ay-centroid,
Az-centroid y las tres velocidades angulares (o
aceleraciones) p, q, r, como entradas. Las 6 señales de salida del
programa de movimiento mandan la posición del centroide (tres
coordenadas) en la plataforma de movimiento, así como los 3 ángulos
de Eluler.
La velocidad de alabeo multiplicada por una
ganancia de ajuste descendente Kd es filtrada a través de un filtro
de paso alto de alabeo (de 1º o de 2º orden). El camino de
coordinación hace uso de la inclinación lateral con objeto de
mantener la "alineación de la gravedad". Con objeto de mantener
la posición lateral dentro de los límites del simulador, se envía
la posición lateral a través de un filtro-y de
alabeo, en general de 2º orden. La salida del programa es el ángulo
\varphi de alabeo del simulador y la posición y del centroide.
Estos filtros pueden ser de adaptación, lo que
significa que Kd podría ser adaptada continuamente de acuerdo con
un criterio de coste dado.
La fuerza específica lateral calculada en la
posición hipotética del centroide se multiplica por una ganancia de
ajuste descendente y se envía después a través de dos filtros
diferentes: un filtro de posición de paso alto y un filtro angular
de paso bajo. Estos filtros son en la mayoría de los casos de
2^{o} orden y no son complementarios. Muy bien pueden ser de
adaptación. De nuevo, la salida de los filtros es la "posición
del centroide" y no la posición del
piloto.
piloto.
Los simuladores de vuelo de la técnica anterior,
con al menos inclinación lateral y alabeo como un grado de
libertad, se comportan invariablemente como sigue: considerando
únicamente el viraje coordinado en vuelo por medio del mando de
alerones, al principio de la maniobra, la percepción del piloto
parece ser correcta. Se perciben la iniciación del alabeo así como
la iniciación de la fuerza específica lateral. Pocos momentos
después, sin embargo, se aprecia una fuerza lateral opuesta
espuria. Se percibe como si el avión estuviese efectuando un
resbalamiento lateral, lo que no es el caso.
También, durante las maniobras de rodaje en
tierra, hay muy poca correlación entre la percepción del movimiento
lateral y la información visual. Se tiene siempre la impresión de
que se derrapa lateralmente en la pista.
Estos problemas se exponen con más detalle en lo
que sigue.
Consideremos una respuesta típica de movimiento
del simulador de vuelo, en la Fig. 11, al paso de maniobra de mando
de alerones de la Fig. 6.
Para los gráficos se usaron filtros de 2º orden,
pues son los más frecuentemente usados. La única entrada a los
filtros viene de la velocidad de alabeo. No hay entrada al filtro de
fuerza específica lateral, ya que la posición-z del
centroide (zc-ac) se desprecia en la mayoría de los
casos.
La aceleración angular del alabeo (Fig. 11.4)
muestra una inversión del signo que es inherente a la aceleración
de alabeo filtrada por filtro de paso alto.
El tiempo de respuesta de la fuerza específica
lateral en el punto P de referencia del piloto (Fig. 11.5) muestra
las siguientes características:
1ª El valor del pico inicial es correcto. Esta
aceleración es debida a \Delta * \ddot{\phi}. La transformación
del centroide, como anteriormente se ha considerado, solamente
tiene en cuenta la posición hipotética xc-ac del
centroide con relación al centro de gravedad (c.g.) del avión. No
se toma en consideración la coordenada vertical
zc-ac del centroide ni la distancia \Delta, la
distancia vertical entre el punto P de referencia del piloto y el
centroide c, es decir, el centro de gravedad geométrico de la
plataforma del simulador. Puesto que el piloto está situado en el
avión por encima del punto de aceleración de alabeo inicial y puesto
que se acciona el simulador para alabeo alrededor de su centroide,
las fuerzas específicas laterales iniciales son aproximadamente
similares en el avión (a/c) y en el simulador (sim).
2ª Este pico inicial va seguido instantes
después por una fuerza lateral espuria opuesta importante. Esta
fuerza espuria es perjudicial para la fidelidad del movimiento del
simulador de vuelo. Puede verse en la bibliografía como "apoyo
desfasado del alumno sobre los pedales" etc. (J.B. Sinacori,
Northrop Corporation, "A practical approach to motion
simulation" ("una aproximación práctica a la simulación de
movimiento") página 13, A1AA comunicación
73-931, septiembre 1973/Susan A. Riedel y
L.G.Hofmann, Systems Technology Inc., "Investigation of nonlinear
motion simulator washout schemes" ("Investigación de esquemas
de eliminación de movimientos no lineales del simulador"),
página 524, página 530, Memorias de la 14ª Conferencia Anual sobre
Control Manual, noviembre 1978/Susan A. Riedel y L.G. Hofmann, STI,
"Validación de un simulador de vuelo con ingeniería tripulada"
página 172,
STI-TR-1110-1,
AFFDL-TR-78-192-FT-1,
Feb. 1979/David L. Quam, Universidad de Dayton, Ohio (EE.UU.),
"Human pilot perception experiments" ("Experimentos de
percepción de piloto humano") página 263, Memorias de la 15ª
Conferencia Anual sobre Control Manual, noviembre 1979/Irving L.
Ashkenas, STI, "Collected flight and simulation comparisons and
considerations" ("Consideraciones y comparaciones recogidas de
comparaciones entre vuelo y simulación") páginas
16-26, AGARD CP408 Flight Simulation, octubre
1985).
Este fenómeno se debe por entero a la presencia
del filtro y de eliminación, como se ha ilustrado en la Fig. 9. Si
no hubiese tal filtro, el movimiento de la plataforma permanecería
perfectamente coordinado. Sin embargo, el simulador oscilaría. El
filtro y de eliminación es necesario para "reclamar" el
simulador, introduciendo por consiguiente "des"
coordinación.
La única forma de suprimir este fenómeno en el
esquema existente es reducir la ganancia Kd a valores muy bajos. No
se vuelve a percibir ningún movimiento durante el movimiento, y sin
embargo esto se considera menos malo que el movimiento espurio.
Durante las maniobras de rodaje en tierra el
avión simulado no alabea, por lo que solamente los filtros de la
fuerza específica lateral desempeñan un papel principal.
Siempre se produce distorsión en el movimiento
percibido: cuando se usa la dirección con el timón o la rueda de
morro, se siente la respuesta inicial (del filtro y de paso alto).
Cuando ésta desaparece, llega la aceleración lateral mantenida
procedente del filtro \varphi de paso bajo. Esos dos movimientos
no se mezclan entre sí perfectamente, ya que los filtros no son
complementarios.
Un objeto del presente invento es proporcionar
una buena indicación fiel del seguimiento del movimiento lateral en
los simuladores de vuelo, así como simuladores de vuelo con tal
buena indicación fiel del seguimiento del movimiento lateral y
métodos para controlar tales simuladores de vuelo. Un objeto del
presente invento es superar al menos algunas de las deficiencias
antes mencionadas.
El anterior objeto se consigue por un método y
un dispositivo de acuerdo con el presente invento.
En un primer aspecto, el presente invento
proporciona métodos para controlar los movimientos de un simulador
de vuelo, que dan por resultado una mejor percepción del movimiento
por parte de un piloto que use el simulador de vuelo.
En una primera realización del primer aspecto,
el presente invento proporciona un método para controlar los
movimientos de un simulador de vuelo, que implican aceleraciones
lineales y angulares percibidas por un piloto sentado en el asiento
del piloto, con lo que las velocidades de alabeo y de guiñada, así
como una fuerza específica en una dirección lateral, calculada de
acuerdo con un modelo de un avión simulado en un punto fijo del
avión simulado, se convierten mediante un programa de movimiento en
una posición lateral y un ángulo de alabeo del simulador. En la
primera realización, el método comprende calcular el ángulo de
alabeo del simulador debido al ángulo de alabeo del avión simulado,
mediante la corrección de un valor calculado originalmente del
ángulo de alabeo con un factor de corrección proporcional a una
fuerza específica lateral, inducida por un filtro de eliminación
usado durante el cálculo de la alineación de la gravedad terrestre
de la posición lateral del simulador.
El cálculo del ángulo de alabeo del simulador
puede comprender usar una transformación matemática que implique la
alimentación hacia delante de un ángulo de corrección en la función
de transformación del ángulo de alabeo, de acuerdo con las
fórmulas:
donde
\varphi-hp es igual al ángulo
de alabeo del simulador filtrado en filtro de paso alto,
\ddot{y}-roll es igual a la
aceleración de la posición lateral del punto P de referencia del
piloto,
g es la constante de gravedad terrestre, Ky es
un factor de coordinación de ganancia lateral, y
\varphi-roll es igual al
ángulo de alabeo del simulador, como resultado de la aceleración de
alabeo del avión o de la velocidad de alabeo.
En dicha transformación matemática se puede
introducir un factor de coordinación lateral Ky, de valor entre 0 y
1, que permita reducir el recorrido lateral a expensas de alguna
fuerza específica lateral espuria aceptable, modulando para ello
entre "coordinación nula" (Ky = 0) y "coordinación total"
(Ky = 1). El ángulo de alabeo puede obtenerse mediante un filtro de
paso alto de 3º o de 4º orden, que conduce a que sea Ky = 1, y la
aceleración lateral puede ser en cada caso igual a ese ángulo de
alabeo multiplicado por la aceleración terrestre.
La transformación matemática puede implicar un
filtro de paso alto del ángulo de alabeo de 2^{o} orden y un
filtro de eliminación-y de 1^{o} orden, de acuerdo
con las fórmulas de la función de transferencia
donde P_{ltd} es la velocidad de
alabeo de entrada limitada a través de un factor Kd de ganancia de
ajuste descendente, y opcionalmente una función de limitación de la
velocidad de alabeo, de tal modo que para un paso en el mando de
los alerones, el recorrido lateral del simulador es de un valor
finito.
En un método de acuerdo con realizaciones del
presente invento, la segunda componente de la fuerza específica en
la dirección lateral puede obtenerse por medio de un primer juego de
dos filtros complementarios para aceleración de alabeo y un segundo
juego de dos filtros complementarios para aceleración de guiñada. De
cada juego de filtros complementarios, uno es para mandar un
desplazamiento lateral del simulador y el otro es para mandar un
ángulo de alabeo del simulador. Los filtros complementarios pueden
ser de acuerdo con las fórmulas de la función de transferencia
\vskip1.000000\baselineskip
y
\vskip1.000000\baselineskip
donde p_{ltd} y r_{ltd} son las
velocidades de alabeo y de guiñada, respectivamente, limitadas a
través de un factor de ganancia de ajuste descendente Kp y Kr
respectivamente, y opcionalmente a través de una función de
limitación de la
velocidad.
En una segunda realización del primer aspecto,
el presente invento proporciona un método para controlar los
movimiento de un simulador de vuelo, que implican aceleraciones
lineales y angulares percibidas por un piloto sentado en el asiento
del piloto, con lo que las velocidades de alabeo y de guiñada, así
como una fuerza específica en una dirección lateral calculada de
acuerdo con un modelo de un avión simulado en un punto fijo del
avión simulado, son convertidas por un programa de movimiento en
una posición lateral y en un ángulo de alabeo del simulador. En la
segunda realización, el método comprende
- descomponer la fuerza específica en la
dirección lateral que actúa en el punto de referencia del piloto en
el avión simulado en una primera componente y una segunda
componente, la primera componente relativa a la fuerza específica
en un punto fijo del avión simulado, y la segunda componente que
tiene un primer término relacionado con las aceleraciones debidas a
la guiñada y un segundo término relacionado con las aceleraciones
angulares de alabeo, de acuerdo con la fórmula
Siendo xp_{ac} la coordenada x del punto de
referencia del piloto en un sistema de referencia que tiene su
origen en el punto fijo del avión simulado, y siendo zp_{ac} la
coordenada z del punto de referencia del piloto en dicho sistema de
referencia, siendo \dot{\rho} la aceleración angular de alabeo y
siendo \dot{\Gamma} la aceleración angular de guiñada.
- filtrar la primera componente Ay a través de
dos filtros, un filtro de paso alto y un filtro de paso bajo,
- filtrar cada uno de los términos de la segunda
componente mediante un juego de un primer y un segundo filtros
complementarios en paralelo, siendo filtros complementarios aquéllos
cuya suma de funciones de transferencia es uno, y
- usar la suma de la salida de filtro de paso
alto y el primero de los filtros complementarios de cada juego para
calcular la posición lateral deseada del simulador, y usar la suma
de la salida del filtro de paso bajo y el segundo de los filtros
complementarios de cada juego para calcular el ángulo de alabeo
deseado del simulador.
En una tercera realización del primer aspecto,
el presente invento proporciona un método para controlar los
movimientos de un simulador de vuelo, que implican aceleraciones
lineales y angulares percibidas por un piloto sentado en el asiento
del piloto, con lo que la velocidad de alabeo y de guiñada, así como
una fuerza específica en una dirección lateral, calculada de
acuerdo con un modelo de avión simulado en un punto fijo del avión
simulado, son convertidas por un programa de movimiento en una
posición lateral y un ángulo de alabeo del simulador. En la tercera
realización, el método comprende transformar la posición del punto
de referencia del piloto en el simulador obtenido a través del
programa de movimiento, ya sea por medio de un método según el
estado del arte o ya sea por medio de cualquiera de los métodos del
primer o del segundo aspectos, o bien por medio de una combinación
de los mismos, en la posición del centroide del simulador. Esto
puede hacerse mediante una transformación de coordinación que tenga
en cuenta los tres ángulos de Euler de los ángulos de guiñada
(\Psi), de cabeceo (\theta) y de alabeo (\varphi).
El método de la tercera realización puede
comprender además transformar la fuerza específica, calculada de
acuerdo con un modelo de un avión simulado en el punto fijo de dicho
avión, en una fuerza específica que actúe en un punto de referencia
del piloto y dar después esa fuerza específica transformada como
entrada al programa de movimiento y convertir la salida del
programa de movimiento mediante una transformación de la situación
del punto de referencia del piloto en la posición del centroide del
simulador en señales para mandar la posición del centroide del
simulador. La primera transformación puede ser efectuada por medio
de transformaciones matemáticas que convierten formas específicas
del punto fijo del avión en el punto P de referencia del piloto, de
acuerdo con:
\vskip1.000000\baselineskip
\newpage
Las señales de movimiento para mandar la
posición del centroide de la plataforma del simulador pueden
obtenerse a partir de la salida de movimiento del punto P de
referencia del piloto, de acuerdo con las fórmulas
siendo
La siguiente ecuación simplificada puede
sustituir a la componente-y del centroide,
y_{c}
y_{c =} y_{p}
- \Delta \varphi
siendo \Delta la distancia
vertical entre el punto de referencia del piloto y el centroide del
simulador y siendo \varphi el ángulo de
alabeo.
Las realizaciones primera, segunda y tercera del
primer aspecto, y sus características dependientes, pueden ser
realizaciones separadas, o bien pueden estar combinadas entre
sí.
En realizaciones del presente invento, el punto
fijo del avión simulado puede ser el centro de gravedad de dicho
avión simulado. Son puntos útiles alternativos para el punto fijo
otros puntos fijos en el avión, en las proximidades del centro de
gravedad.
En un segundo aspecto, el presente invento
proporciona un producto de programa de ordenador para ejecutar
cualquiera de los métodos según cualquiera de las reivindicaciones
anteriores cuando se ejecutan en un dispositivo de cálculo asociado
con un simulador de vuelo que simule un avión. El producto de
programa de ordenador proporciona la funcionalidad de cualquiera de
los anteriores métodos de acuerdo con el presente invento cuando se
ejecuta en un dispositivo de cálculo asociado con un simulador de
vuelo. El programa de ordenador puede ser parte de un producto de
software de ordenador (es decir, un medio portador) que incluya uno
o más segmentos de código que hagan que un procesador, tal como una
cpu del sistema de procesado, lleve a cabo los pasos del método. El
programa discurre bajo un sistema operativo, y puede incluir una
interfaz con el usuario que haga posible que un usuario interactúe
con el programa. El programa del simulador de vuelo opera sobre
datos de entrada, por ejemplo, un esquema de vuelo predeterminado y
genera datos de control para controlar los movimientos de una
plataforma de un simulador de vuelo.
En un tercer aspecto, el presente invento
proporciona un medio de soporte o dispositivo de almacenamiento de
datos legibles a máquina, que almacena el producto de programa de
ordenador del presente invento en una forma legible por una máquina
y que ejecuta uno al menos de los métodos de este invento, cuando es
ejecutado en un dispositivo de cálculo. Actualmente, tal software
se ofrece frecuentemente en la red Internet o en una intranet de
una compañía para su descarga y, por consiguiente, el presente
invento incluye transmitir el producto de ordenador a imprimir de
acuerdo con el presente invento sobre una red local o de área
amplia. El dispositivo de cálculo puede incluir uno de entre un
microprocesador y un FPGA.
Los términos "medio portador" y "medio
legible por ordenador", tal como aquí se usan, se refieren a
cualquier medio que participe en proporcionar instrucciones a un
procesador para su ejecución. Tal medio puede adoptar muchas
formas, incluyendo, aunque sin quedar limitados a ellas, la de
medios no volátiles, medios volátiles, y medios de transmisión.
Como medios no volátiles se incluyen, por ejemplo, los discos
ópticos o magnéticos, tales como un dispositivo de almacenamiento
que sea parte de un almacenamiento en masa. Los medios volátiles
incluyen memorias dinámicas tales como la RAM. Los medios de
transmisión incluyen cables coaxiales, cable de cobre y fibras
ópticas, incluyendo los cables que comprende un bus dentro de un
ordenador. Los medios de transmisión pueden también adoptar la
forma de ondas acústicas o de luz, tales como las generadas durante
las comunicaciones de datos por ondas de radio y por
infrarrojos.
Como formas comunes de medios legibles por
ordenador se incluyen, por ejemplo, disquetes, discos flexibles,
discos duros, cinta magnética, o cualquier otro medio magnético, un
CD-ROM, cualquier otro medio óptico, tarjetas
perforadas, cintas de papel, cualquier otro medio físico con dibujos
de agujeros, una RAM, una PROM, una EPROM, una
FLASH-EPROM, cualquier otro chip o cartucho de
memoria, una onda portadora como se describe aquí en lo que sigue,
o cualquier otro medio que pueda leer un ordenador.
Pueden estar implicados medios legibles por
ordenador de varias formas en la puesta en práctica de una o más
secuencias de una o más instrucciones a un procesador, para su
ejecución. Por ejemplo, las instrucciones pueden ir contenidas
inicialmente en un disco magnético de un ordenador a distancia. El
ordenador a distancia puede cargar las instrucciones en su memoria
dinámica y enviar las instrucciones por una línea telefónica usando
un modem. Un modem local para el sistema de ordenador para
controlar la plataforma del simulador, puede recibir los datos por
la línea telefónica y usar un transmisor de infrarrojos para
convertir los datos en una señal de infrarrojos. Un detector de
infrarrojos acoplado a un bus puede recibir los datos llevados por
la señal de infrarrojos y situar los datos en el bus. El bus lleva
los datos a la memoria principal, de la cual un procesador recupera
y ejecuta las instrucciones. Las instrucciones recibidas por la
memoria principal pueden ser almacenadas opcionalmente en un
dispositivo de almacenamiento, ya sea antes o ya sea después de la
ejecución por un procesador. Las instrucciones pueden ser también
transmitidas por medio de una onda portadora en una red, tal como
una LAN, una WAN o por Internet. Los medios de transmisión pueden
adoptar la forma de ondas acústicas o luminosas, tales como las
generadas durante las comunicaciones por ondas de radio y de datos
de infrarrojos. Los medios de transmisión incluyen cables
coaxiales, cables de cobre y fibras ópticas, incluyendo los cables
que forman un bus dentro de un ordenador.
En todavía otro aspecto, el presente invento
proporciona un controlador para controlar los movimientos de un
simulador de vuelo, que implican aceleraciones lineales y angulares
percibidas por un piloto sentado en el asiento del piloto, de modo
que la velocidad de alabeo y la velocidad de guiñada, así como una
fuerza específica en una dirección lateral. calculada de acuerdo
con un modelo de un avión simulado en un punto fijo del avión
simulado, son convertidas por un programa de movimiento en una
posición lateral y un ángulo de alabeo del simulador, en que el
controlador comprende cualquiera de:
una primera calculadora adaptada para calcular
el ángulo de alabeo del simulador debido al ángulo de alabeo del
avión simulado, mediante la corrección de un valor calculado
originalmente del ángulo de alabeo por un factor de corrección
proporcional a una fuerza específica lateral inducida por un filtro
de eliminación usado durante el cálculo de la alineación de la
gravedad terrestre de la posición lateral del simulador;
y/o
- una segunda calculadora adaptada para
descomponer la fuerza específica en la dirección lateral que actúa
en el punto de referencia del piloto en el avión simulado en una
primera componente y una segunda componente, relacionada la primera
componente con la fuerza específica en un punto fijo del avión
simulado y teniendo la segunda componente un primer término
relacionado con las aceleraciones debidas a la guiñada y un segundo
término relacionado con las aceleraciones angulares de alabeo, de
acuerdo con la fórmula
siendo xp_{ac} la coordenada x
del punto de referencia del piloto en un sistema de referencia que
tiene su origen en el punto fijo del avión simulado, y siendo
zp_{ac} la coordenada z del punto de referencia del piloto en
dicho sistema de referencia, siendo \dot{\rho} la aceleración
angular de alabeo y siendo \dot{\Gamma} la aceleración angular de
guiñada, -un filtro de paso alto y un filtro de paso bajo para
filtrar el primer componente
Ay,
- dos juegos de un primer y un segundo filtros
complementarios, siendo filtros complementarios aquellos filtros
cuya suma de funciones de transferencia es uno, para filtrar cada
uno de los términos de la segunda componente en paralelo,
- un combinador para combinar la salida del
filtro de paso alto y las salidas del primero de los filtros
complementarios de cada juego para calcular la posición lateral
deseada del simulador, y un combinador para combinar la salida del
filtro de paso bajo y las salidas de los segundos filtros
complementarios de cada conjunto para calcular el ángulo de alabeo
deseado del simulador.
y/o
un transformador para transformar la posición
del punto de referencia del piloto en el simulador obtenido a
través del programa de movimiento, ya sea por medio de un método
según el estado del arte o ya sea por medio de cualquiera de los
métodos del primer o del segundo aspectos, o bien por medio de una
combinación de los mismos, en la posición del centroide del
simulador.
En todavía otro aspecto, el presente invento
proporciona un simulador de vuelo adaptado para realizar movimientos
controlados, que implican aceleraciones lineales y angulares
percibidas por un piloto sentado en el asiento del piloto,
con lo que la velocidad de alabeo y la velocidad
de guiñada, así como una fuerza específica en una dirección
lateral, calculada de acuerdo con un modelo de un avión simulado en
un punto fijo del avión simulado, son convertidas por un programa
de movimiento en una posición lateral y en un ángulo de alabeo del
simulador,
en que el simulador de vuelo comprende
cualquiera de:
una primera calculadora adaptada para calcular
el ángulo de alabeo del simulador debido al ángulo de alabeo del
avión simulado, corrigiendo para ello un valor calculado
originalmente del ángulo de alabeo por un factor de corrección
proporcional a una fuerza específica lateral inducida por un filtro
de eliminación usado durante el cálculo de alineación de la
gravedad terrestre de la posición lateral del simulador,
y/o
- una segunda calculadora adaptada para
descomponer la fuerza específica en la dirección lateral, que actúa
en el punto de referencia del piloto en el avión simulado, en una
primera componente y una segunda componente, la primera componente
relativa a la fuerza específica en un punto fijo del avión simulado
y la segunda componente que tiene un primer término relacionado con
las aceleraciones debidas a la guiñada y un segundo término
relacionado con las aceleraciones angulares de alabeo, de acuerdo
con la fórmula
siendo xp_{ac} la coordenada x
del punto de referencia del piloto en un sistema de referencia que
tiene el origen en el punto fijo del avión simulado, y siendo
zp_{ac} la coordenada z del punto de referencia del piloto en
dicho sistema de referencia, siendo \dot{\rho} la aceleración
angular de alabeo y siendo \dot{\Gamma} la aceleración angular de
guiñada,
- un filtro de paso alto y un filtro de paso
bajo para filtrar la primera componente Ay,
- dos juegos de un primer y un segundo filtros
complementarios, siendo filtros complementarios aquellos filtros
cuya suma de funciones de transferencia es uno, para filtrar cada
uno de los términos de la segunda componente en paralelo,
- un combinador para combinar la salida del
filtro de paso alto y las salidas del primero de los filtros
complementarios de cada juego para calcular la posición lateral
deseada del simulador, y un combinador para combinar la salida del
filtro de paso bajo y las salidas del segundo de los filtros
complementarios de cada juego para calcular el ángulo de alabeo
deseado del simulador,
y/o
un transformador para transformar la posición
del punto de referencia del piloto en el simulador obtenido a
través del programa de movimiento, ya sea por medio de un método
según el estado del arte o ya sea por medio de cualquiera de los
métodos del primer o del segundo aspectos, o bien por medio de una
combinación de los mismos, en la posición del centroide del
simulador.
Los aspectos particulares y preferidos del
invento se exponen en las reivindicaciones independientes y
dependientes que se acompañan. Las características de las
reivindicaciones dependientes pueden ser combinadas con las
características de las reivindicaciones independientes y con
características de otras reivindicaciones dependientes, según sea
lo apropiado, y no únicamente como se expone explícitamente en las
reivindicaciones.
Se cree que los presentes conceptos representan
mejoras sustanciales nuevas y noveles, incluyendo desviaciones con
respecto a las prácticas anteriores, lo que da por resultado una más
fiel indicación del movimiento durante las maniobras laterales en
tierra y en el aire.
Los principios del presente invento permiten el
diseño de simuladores de vuelo mejorados y de métodos para
controlar los simuladores de vuelo.
Las anteriores y otras características,
propiedades y ventajas del presente invento se pondrán de manifiesto
en la descripción detallada que sigue, considerada conjuntamente
con los dibujos que se acompañan, los cuales ilustran, a modo de
ejemplos, los principios del invento. Esta descripción se hace
únicamente para que sirva de ejemplo, sin limitar el alcance del
invento. Las figuras de referencia que se citan en lo que sigue se
refieren a los dibujos que se acompañan.
\vskip1.000000\baselineskip
Fig. 1: sistema de referencia del avión
\vskip1.000000\baselineskip
Fig. 2: plataforma fija del sistema de
referencia del simulador
- 1:
- centroide del simulador
- 2:
- plataforma de movimiento superior
- 3:
- plataforma de movimiento inferior
\vskip1.000000\baselineskip
Fig. 3: sistema de referencia de la plataforma
en movimiento
- 1:
- posición inicial del centroide
- 2:
- movimiento del centroide
- 3:
- plataforma de movimiento superior en reposo
- 4:
- plataforma de movimiento superior, en movimiento
- 5:
- plataforma de movimiento inferior
\vskip1.000000\baselineskip
Fig. 4: punto de referencia del
piloto-centroide de las
plataformas-centro de gravedad (c.g.) del avión
- 1:
- avión
- 2:
- simulador de posición hipotética
- P:
- punto de referencia del piloto
- c:
- centroide
- c.g.
- centro de gravedad
- \quad
- coordenadas del punto de referencia del piloto con respecto al c.g del avión:
- \quad
- coordenadas del punto de referencia del piloto con respecto al centroide c:
- \quad
- coordenadas del centroide con respecto al c.g. del avión:
\global\parskip0.970000\baselineskip
Fig. 5: fuerza específica en la dirección y en
un punto P de una plataforma en movimiento
- 1:
- plataforma en movimiento
\vskip1.000000\baselineskip
Fig. 6: historia en el tiempo del avión para un
paso de alerones
- 6.1:
- entrada de alerones (º)
- 6.2:
- velocidad de de alabeo (º/s)
- 6.3:
- aceleración del alabeo (º/s^{2})
Fig. 7: eje de alabeo instantáneo debido a la
entrada de alerones
- 1:
- avión
- 2:
- eje de alabeo instantáneo
\vskip1.000000\baselineskip
Fig. 8: organigrama de transformaciones
"clásicas"
\vskip1.000000\baselineskip
Fig. 9: filtros clásicos, canal de alabeo
\vskip1.000000\baselineskip
Fig. 10: filtros clásicos, canal de fuerzas
específicas laterales
\vskip1.000000\baselineskip
Fig. 11: historias en el tiempo de filtros
clásicos del simulador de vuelo
\vskip1.000000\baselineskip
- 11.1:
- posición lateral del centroide (m)
- 11.2:
- aceleración lateral del centroide (m/s^{2})
- 11.3:
- ángulo de alabeo (º)
- 11.4:
- aceleración de alabeo (º/s^{2})
- 11.5:
- fuerza específica Ay-p (m/s^{2})
\vskip1.000000\baselineskip
Fig. 12: organigrama de transformaciones
"corregidas" de acuerdo con una realización del presente
invento
\vskip1.000000\baselineskip
Fig. 13: canal de alabeo con introducción de la
\varphi-cor de acuerdo con una realización del
presente invento
\vskip1.000000\baselineskip
Fig. 14: canal de fuerzas específicas laterales
con descomposición de Ay y filtros complementarios de acuerdo
con una realización del presente invento
- 1:
- filtros complementarios, Ay-piloto debida a la aceleración de alabeo
- 2:
- filtros complementarios, Ay-piloto debida a la aceleración de guiñada
\global\parskip1.000000\baselineskip
Fig. 15: historias en el tiempo del simulador de
vuelo usando "alimentación hacia delante de
\varphi-cor" de acuerdo con una realización
del presente invento
- 15.1:
- punto P de posición interna (m)
- 15.2:
- punto P de aceleración lateral (m/s^{2})
- 15.3:
- ángulo de alabeo (º)
- 15.4:
- aceleración de alabeo (º/s^{2})
- 15.5:
- fuerza específica Ay-p (m/s^{2})
\vskip1.000000\baselineskip
Fig. 16: historias completas en el tiempo del
simulador de vuelo, nuevo concepto, Ky=1, de acuerdo con una
realización del presente invento
- 16.1:
- punto P de posición lateral (m)
- 16.2:
- punto P de aceleración lateral (M/s^{2})
- 16.3:
- ángulo de alabeo (º)
- 16.4:
- aceleración de alabeo (º/s^{2})
- 16.5:
- fuerza específica Ay-p (m/s^{2})
\vskip1.000000\baselineskip
Fig. 17: historias completas en el tiempo del
simulador de vuelo, nuevo concepto, Ky=0,8, de acuerdo con una
realización del presente invento
- 17.1:
- punto P de posición lateral (m)
- 17.2:
- punto P de aceleración lateral (m/s^{2})
- 17.3:
- ángulo de alabeo (º)
- 17.4:
- aceleración de alabeo (º/s^{2})
- 17.5:
- fuerza específica Ay-P (m/s^{2})
\vskip1.000000\baselineskip
Fig. 18 ejemplos de función de limitación de la
velocidad de alabeo de acuerdo con una realización del presente
invento
\vskip1.000000\baselineskip
Fig. 19: ilustración de un sistema de ordenador
para uso con el presente invento
\vskip1.000000\baselineskip
Fig. 20: ilustración de un simulador de
vuelo.
\vskip1.000000\baselineskip
Se describirá el presente invento con respecto a
realizaciones particulares y con referencia a ciertos dibujos, pero
el invento no queda limitado a ellas, sino solamente por las
reivindicaciones. Los dibujos que se describen son únicamente
esquemáticos y no son limitadores. En los dibujos, el tamaño de
alguno de los elementos puede haberse exagerado y no haberse
dibujado a escala, con fines ilustrativos. Las dimensiones y las
dimensiones relativas no se corresponden con las reducciones reales
para la puesta en práctica del invento.
Además, los términos primero, segundo, tercero y
similares en la descripción y en las reivindicaciones, se usan para
diferenciar entre elementos similares y no necesariamente para
describir un orden secuencial o cronológico. Ha de quedar entendido
que los términos así usados son intercambiables en las
circunstancias apropiadas y que las realizaciones del invento que
aquí se describe son susceptibles de operar con otras secuencias
distintas a las aquí descritas o ilustradas.
\newpage
Debe tenerse presente que el término "que
comprende" usado en las reivindicaciones, no deberá ser
interpretado como limitado a los medios que se describen a
continuación; el mismo no excluye otros elementos o pasos. Debe ser
por lo tanto interpretado en el sentido de que especifica la
presencia de las características, números enteros, pasos o
componentes, que se especifican como referencias, pero no excluye la
presencia o la adición de una o más de otras características,
números enteros, pasos o componentes, o grupos de los mismos. Por
consiguiente, el alcance de la expresión "un dispositivo que
comprende medios A y B", no deberá quedar limitada a los
dispositivos consistentes únicamente en los componentes A y B.
Significa que con respecto al presente invento, los únicos
componentes relevantes del dispositivo son A y B.
Los términos que siguen se incluyen
exclusivamente como ayuda para comprender el invento. Estas
definiciones no deberán ser entendidas como que tienen un alcance
menor que el que entienda que tienen una persona que posea los
conocimientos corrientes de la técnica.
- a/c
- avión
- A
- matriz de cosenos de dirección
- \quad
- Ax: componente x de la fuerza específica
- \quad
- Ay: componente y de la fuerza específica
- \quad
- Az: componente z de la fuerza específica
- Ay-centroid
- Ay en la posición hipotética del centroide con respecto al sistema de referencia del a/c
- Ay-cg
- Ay en el c.g. del a/c
- Ay-pilot
- Ay del piloto con respecto al sistema de referencia del a/c
- Ay-p
- Ay en el punto P de referencia del piloto en el simulador
- c
- centroide, centro geométrico de gravedad de la plataforma en movimiento
- c.g.
- centro de gravedad
- d
- distancia entre P y el eje de aceleración angular del alabeo
- g
- gravedad terrestre, 9,81 m/seg^{2}
- k
- ganancia
- Kd
- ajuste descendente de la ganancia del canal de alabeo
- Kp
- ajuste descendente de la ganancia del canal Ay, entrada de alabeo
- Kr
- ajuste descendente de la ganancia del canal Ay, entrada de guiñada
- Khp
- ajuste descendente de la ganancia del filtro y de paso alto clásico
- Klp
- ajuste descendente de la ganancia del filtro \varphi de paso bajo clásico
- Ky
- coordinación lateral de la ganancia
- p
- velocidad de alabeo
- P
- operador de Laplace (significa d/dt); punto de referencia del piloto
- p-lim
- límite de la velocidad de alabeo
- p-ltd
- velocidad de alabeo limitada
- q
- velocidad de cabeceo
- r
- velocidad de guiñada
- r-lim
- límite de la velocidad de guiñada
- r-ltd
- velocidad de guiñada limitada
- xc-ac
- coordenada x del centroide en el sistema de referencia del a/c
- zc-ac
- coordenada z del centroide en el sistema de referencia del a/c
- xp-ac
- coordenada x de P en el sistema de referencia del a/c
- zp-ac
- coordenada z de P en el sistema de referencia del a/c
- xp-c
- coordenada x de P en el sistema de plataforma en movimiento
- zp-c
- coordenada z de P en el sistema de plataforma en movimiento
- y
- coordenada y
- y-c
- coordenada y del centroide en el sistema de referencia de plataforma fija
- y-p
- coordenada y del punto P de referencia del piloto en el sistema de referencia de plataforma fija
- \delta
- deflexión (en grados) de la rueda de control de alerones
- \psi
- ángulo de guiñada
- ow
- actitud de cabeceo
- \varphi
- ángulo de alabeo
- \varphi-hp
- filtro de paso alto del ángulo de alabeo
- \varphi-cor
- nuevo concepto de corrección del ángulo de alabeo
- \Delta
- distancia vertical entre el punto P de referencia del piloto y el control c de la plataforma
- \tau
- constante de tiempo (segundos)
- \omega
- frecuencia circular (radianes/segundo)
- \xi
- relación de amortiguación
- c_{n}
- coeficiente del momento de guiñada
- c_{i}
- coeficiente del momento de alabeo
- \alpha
- d/dt(a)= primera derivada del parámetro (\alpha) con respecto al tiempo
- \ddot{\alpha}
- d2/dt2(\alpha)= segunda derivada del parámetro (\alpha) con respecto al tiempo.
\vskip1.000000\baselineskip
Todos los sistemas de referencia lo son hacia la
derecha, la x apuntando hacia delante, la y a la derecha y la z
hacia abajo.
En la Fig. 1a se ha ilustrado un sistema de
referencia del avión que tiene su origen en un punto fijo, por
ejemplo, en el centro de gravedad. En la Fig. 2a se ha ilustrado un
sistema de referencia de plataforma fija que tiene su origen en una
posición inicial del centroide. En la Fig. 3 se ha ilustrado un
sistema de referencia de plataforma en movimiento que tiene su
origen en el centroide.
Es el punto en donde se supone que tiene lugar
la percepción del movimiento. El movimiento se percibe a través de
los canales semicirculares del oído interno. Sin embargo, hay
también una percepción táctil del movimiento (denominada también
"de sentir el culo"). Por lo tanto, se supone que el punto P
está situado entre los dos pilotos a mitad de altura entre su
cabeza y el cojín de su asiento. En un simulador de vuelo típico, la
distancia \Delta entre el punto P de referencia del piloto y el
centroide c del simulador es de 1,00 a 1,75 m.
La fuerza específica en una dirección dada es
igual a la aceleración lineal que sería medida por un acelerómetro
lineal en esa dirección. Es igual a la diferencia vectorial entre la
aceleración cinemática y la aceleración debida a la gravedad. La
fuerza específica en un punto dado P(Ay-p) en
una plataforma en movimiento se compone de 3 componentes:
aceleración del centroide (\ddot{y}-c),
aceleración debida a la aceleración angular y componente de la
gravedad:
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Se usa una aproximación de primer orden de
acuerdo con H.Wittenberg, Technische Hogeschool Delft,
"Elementaire beschouwing over de samenhang tussen besturing,
stabillteit en demping bij vilegtuigen", Memorandum
M-319 octubre 1979, páginas 5-7)
con la siguiente función de transferencia:
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Esta es una buena aproximación para la
simulación de virajes coordinados (sin fuerza-y
específica en el c.g. del avión).
En la Fig. 6 se ha representado la respuesta del
avión para un paso de alerones para un avión
B737-300 en configuración de aproximación,
tx_{ac} = 0,67 segundos.
Es de hacer notar que todas las historias de
tiempo se calcularon para un período de 10 segundos.
La velocidad de alabeo (Fig. 6.2) se aproxima
asintóticamente a su valor final, mientras que la aceleración de
alabeo (Fig. 6.3) presenta un valor de pico inicial que se va
amortiguando hasta cero.
Es de hacer notar que la fuerza específica
lateral en el punto P de referencia del piloto presenta exactamente
las mismas características que la aceleración de la Fig. 6.3: si
xp-ac y zp-ac son las coordenadas
del punto P (Fig. 4) en el sistema de referencia del a/c, puede
entonces verse, de acuerdo con O.H. Gerlach, Technische Hogeschool
Delft, "Vilegeigenschappen 1", Dictaat D 26,
octubre-noviembre 1981, página 227, que
Para velocidades angulares pequeñas:
\newpage
La fuerza específica lateral como resultado de
la aceleración angular de alabeo es:
Es de hacer notar que si suponemos que los
alerones no solamente inducen alabeo sino también momento de
guiñada, entonces es \dot{\Gamma} \neq 0. En ese caso, la
distancia de brazo de palanca d, para el cálculo de la fuerza
específica lateral debida a la aceleración angular, puede estimarse
como sigue (Fig. 7):
Si c_{n\delta} y c_{i\delta} son conocidos:
(por ejemplo, como función del ángulo de ataque) entonces se puede
usar este valor en vez de zp-ac.
A continuación se describirá el invento mediante
una descripción detallada de varias realizaciones del mismo. Está
claro que pueden configurarse otras realizaciones del invento, de
acuerdo con los conocimientos de las personas expertas en la
técnica, sin desviarse del verdadero espíritu ni de las enseñanzas
técnicas del invento, quedando limitado el invento únicamente por
los términos de las reivindicaciones que se acompañan.
La plataforma del simulador puede ser del bien
conocido diseño convencional. En la Fig. 20 se ha ilustrado una
realización de tal plataforma del simulador. El presente invento es
también aplicable a cualquier diseño con al menos los dos
siguientes grados de libertad: desplazamiento lateral (derrape) y
ángulo de alabeo. Solamente se adapta su control de acuerdo con las
realizaciones del presente invento.
El nuevo concepto de movimiento de acuerdo con
las realizaciones del presente invento está basado en cualquiera de
tres alteraciones fundamentales, o de una combinación de las
mismas:
1ª/Fig. 12: transformaciones de corrección del
centroide
2ª/Fig. 13: introducción de
\varphi-cor en el canal de alabeo.
3ª/Fig. 14: descomposición de Ay y adición de
filtros complementarios.
La transformación del centroide anteriormente
considerada (en "Antecedentes del Invento") contiene un error
importante. Puesto que los movimientos de la plataforma son
movimientos filtrados del centroide c, y dado que el punto P de
referencia del piloto no está situado en el centroide c, se crean
aceleraciones espurias en el punto P de referencia del piloto, a
través de la combinación de aceleraciones angulares de la plataforma
y la distancia en la dirección x y la dirección z entre el
centroide c y el punto P de referencia del piloto.
Por lo tanto, de acuerdo con una realización del
presente invento, las transformaciones mejoradas son como
sigue:
1ª/ No deberán calcularse las fuerzas
específicas en el a/c en el lugar c hipotético del centroide (como
en la Fig. 8), sino más bien en el punto P de referencia del piloto
(Fig. 12):
\newpage
2ª/ Estas señales han de ser usadas juntamente
con las velocidades angulares como entradas para el programa de
movimiento del simulador.
3ª/ Las tres señales de salida de posición del
programa de movimiento 23 han de considerarse como
la posición mandada del punto P de referencia del piloto. Deberán
ser transformadas hacia posiciones mandadas del centroide como
sigue:
Supongamos que las coordenadas del punto P de
referencia del piloto con respecto al sistema de referencia de la
plataforma en movimiento sean:
Se cumple la siguiente relación entre las
coordenadas de P y c en el sistema de referencia de plataforma fija,
de acuerdo con Filip Van Biervliet, Technische Hogeschool Delft,
"Ontwerp en evaluatie van
stuurcommandosysteem-regelwetten met de quickened
display methode", bijlage 2 Ingenieursverslag, maart 1982:
Siendo A = matriz de cosenos de dirección
Como resultado:
\newpage
En la dirección y:
y_{c} = y_{p} - cos \theta \ sen
\Psi . \ x.p_{c} - (cos \varphi \ sen \theta \ cos \Psi - sen
\varphi \ cos \Psi
).zP_{c}
Teniendo solamente en cuenta la influencia de
zp-c, y suponiendo pequeños valores de \Psi,
\theta y \varphi:
Consideremos la Fig. 13 en comparación con la
Fig. 9. Esta disposición de filtros se ha diseñado para simular las
aceleraciones angulares de alabeo con fuerzas específicas laterales
reducidas o no espurias, de acuerdo con una realización del
presente invento.
Lo que es una innovación en cuanto a este
esquema, es la alimentación hacia delante de una corrección del
ángulo de alabeo \varphi-cor al canal de alabeo.
La corrección del ángulo de alabeo \varphi-cor es
proporcional a la fuerza específica lateral espuria inducida por el
filtro de eliminación de y. Es una señal de baja frecuencia. Desde
un punto de vista físico, significa que la plataforma está siendo
inclinada hacia atrás proporcionalmente a la deceleración lineal.
(Se parece mucho al modo en que un camarero ha de inclinar hacia
atrás la bandeja en la que sirve con objeto de no perder sus
bebidas cuando se ve obligado a pararse bruscamente).
El factor de coordinación lateral Ky (entre 0 y
1) se entiende que es para reducir la desviación lateral del
simulador.
Se deduce del esquema
Esto significa que si la coordinación lateral de
la ganancia es Ky=1, entonces la componente y de la fuerza
específica es Ay = 0, lo cual significa una coordinación
perfecta.
En la Fig. 15 se ha representado una respuesta
en el tiempo para Ky = 1. Se ve en ella claramente que Ay = 0. Sin
embargo, puede verse también que hay algo más de distorsión en la
aceleración de alabeo angular (compárense la Fig. 11.4 y la Fig.
15.4).
Si Ky = 1 es evidente que los dos caminos de la
señal en la Fig. 13, los cuales se han destacado con un asterisco *,
se cancelan entre sí. Esto significa que el filtro de \varphi
total puede reducirse al filtro de \varphi-hp en
serie con el filtro de eliminación de y.
Esta es también la razón por la que el filtro de
eliminación de y se elige preferiblemente que sea de 1^{er} orden
y no de segundo ni de más alto orden. De esa forma el filtro total
es de 3^{er} orden y no de 4º orden. Un filtro de \varphi total
de 4º o más alto orden habría dado por resultado todavía más
distorsión de la aceleración angular de alabeo.
Reduciendo Ky a 0,7 ó a 0,8 se disminuye la
coordinación lateral; sin embargo, ello conduce también a una menor
distorsión de la aceleración angular de alabeo.
\newpage
Puede verse, usando el teorema de "valor
final" de Laplace, que para una respuesta a un paso
Esto significa que una velocidad de alabeo
constante (de una entrada de alerones constante) conduce a un
desplazamiento constante del simulador. Si el orden del filtro
total, la suma de los filtros \varphi-hp y de
eliminación de y, hubiese sido de 4^{o} o más alto orden,
entonces
Por consiguiente una segunda ventaja de elegir
un filtro total de 3^{er} orden, uno de
\varphi-hp de 2º orden y uno de eliminación de y
de 1^{er} orden o uno de \varphi-hp de 1^{er}
orden y uno de eliminación de y de 2º orden, es la de que ahora,
después de una maniobra el simulador queda dispuesto para aceptar la
siguiente maniobra de alerones volviendo a la posición neutra o a
la opuesta.
La fuerza lateral específica en el asiento del
piloto en el avión es la suma de la fuerza lateral específica de un
punto fijo del avión, por ejemplo, del centro de gravedad, y las
aceleraciones debidas a la posición del piloto enfrente y por
encima de ese punto fijo, por ejemplo en el centro de gravedad, de
acuerdo con las fórmulas dadas en lo que antecede.
Una buena aproximación para la fuerza específica
lateral se dio ya en la sección de definiciones, en donde solamente
se consideró la aceleración debida a la aceleración angular:
Puede verse que los filtros complementarios de
2º orden no pueden ser usados para la señal total ni para Ay en el
c.g. Sin embargo, puesto que las señales p y r (las cuales son las
integrales de las aceleraciones) están disponibles, pueden ser
usadas, de acuerdo con realizaciones del presente invento, como
señales de entrada para filtros complementarios de 2º orden. Esto
se ha ilustrado en la Fig. 14. Solamente la fuerza específica
lateral en el punto fijo, por ejemplo, en el centro de gravedad,
sigue siendo enviada a través de los filtros clásicos.
Que sean complementarios significa que la suma
de sus funciones de transferencia es igual a 1, o en otras
palabras, que se respeta la señal de entrada en todo su contenido de
frecuencias. El comienzo viene dado por el desplazamiento lateral,
de las frecuencias más bajas a través del ángulo de alabeo. Por
ejemplo, para la fuerza específica debida a la aceleración de
alabeo:
Es de hacer notar que zp_{ac} < 0 para un
avión clásico.
\newpage
Por el "teorema del valor inicial" de
Laplace, puede verse que
Esto significa que un escalón positivo en la
aceleración angular (de alabeo o de guiñada) del a.c. conduce a un
escalón negativo de respuesta de aceleración de alabeo angular del
simulador. En caso de simular solamente una maniobra de alabeo, la
aceleración a causa de la simulación de fuerza específica disminuye
la respuesta de aceleración de alabeo del circuito de alabeo de la
Fig. 13. Es por lo tanto importante elegir \omega_{1} tan baja
como sea posible, con objeto de reducir este efecto tanto como sea
posible.
Usando de nuevo el "teorema del valor
final" de Laplace se tiene que
Esto significa que una velocidad de alabeo o de
guiñada dada conducirá a una posición lateral definida del
simulador. Una clara ventaja del método de descomponer la señal y
usar filtros separados es la de que el ajuste de esos filtros puede
adaptarse a las maniobras típicas: el filtro de guiñada puede ser
adaptado para rodaje en tierra y para fallo de motor, el filtro de
alabeo para virajes coordinados en combinación con el concepto de
corrección del ángulo de alabeo (\varphi-cor).
Es de hacer notar que las posiciones y los
ángulos del "canal de alabeo" (Fig. 13) y de los "filtros de
fuerza específica Ay" (Fig. 14) han de ser sumados juntos para
obtener el ángulo y la posición totales. Puesto que esa es la
posición del punto P de referencia del piloto, es entonces
preferible, de acuerdo con realizaciones del presente invento,
convertirla en la posición del centroide de acuerdo con la ecuación
que se ha dado en lo que antecede (Fig. 12).
En la Fig. 16 y en la Fig. 17 se dan unas pocas
historias en el tiempo de según el concepto completo de acuerdo con
una realización del presente invento, es decir, una combinación de
corrección de transformaciones del centroide, introducción de la
corrección del ángulo de alabeo y descomposición de Ay y adición de
filtros complementarios. El recorrido lateral máximo se seleccionó
para que fuese de un valor típico de 1,20 m. Se pueden hacer las
siguientes observaciones:
1ª/ Si se selecciona Ky = 1 (Fig. 16), entonces
la percepción de la fuerza específica lateral Ay en el punto P de
referencia del piloto en el simulador es exactamente proporcional
(ganancia Kd) a su valor en el avión (Fig. 16.5).
2ª/ Si la selección de Ky es algo menor, por
ejemplo es Ky = 0,8 (Fig. 17), hay entonces una ligera distorsión
de la señal Ay (Fig. 17.5) mientras que al mismo tiempo disminuye el
desplazamiento lateral requerido (Fig. 17.1 frente a la Fig. 16.1)
y mejora ligeramente la respuesta de la aceleración angular de
alabeo \varphi (Fig. 17.4 frente a la Fig. 16.4).
Con objeto de que no se exceda nunca el
recorrido disponible máximo del simulador, de acuerdo con
realizaciones del presente invento, se puede añadir una función de
limitación de la velocidad (Fig. 18):
La segunda derivada con respecto al tiempo de
esta función es continua.
No se incluye ninguna historia de tiempo.
Especialmente a velocidades de rodaje en tierra
reducidas, Ay en cg es de "naturaleza de baja frecuencia", es
decir, que no hay cambios bruscos en las fuerzas laterales sobre los
neumáticos principales. Por lo tanto, a tales velocidades se
evidencian los mayores beneficios de este esquema.
Las realizaciones del método antes descrito del
presente invento pueden implementarse en un sistema de procesado
1500, tal como el representado en la Fig. 19. En la Fig. 19 se ha
representado una configuración de sistema de procesado 1500 que
incluye al menos un procesador programable 1503 acoplado a un
subsistema de memoria 1505 que incluye al menos una forma de
memoria, por ejemplo, de memoria RAM, ROM, etc. Puede incluirse un
subsistema de almacenamiento 1507 que tenga al menos un excitador de
disco y/o un excitador de CD-ROM y/o un excitador
de DVD. En algunas implementaciones, pueden estar incluidos un
sistema de presentación, un teclado, y un dispositivo de señalar,
como parte de un subsistema 1509 de interfaz con el usuario, para
proporcionar para un usuario manualmente información de entrada.
También pueden estar incluidos puertos de entrada y salida de
datos. Puede haber incluidos más elementos tales como conexiones con
la red, interfaces con varios dispositivos, etc., pero que no se
han ilustrado en la Fig. 19. Los diversos elementos del sistema de
procesado 1500 pueden ser acoplados de diversos modos, incluyendo
hacerlo a través de un subsistema de bus 1513 representado en la
Fig. 19, para simplificar, como un solo bus, pero se comprenderá por
quienes estén en esta técnica que incluye un sistema de al menos un
bus. La memoria del subsistema de memoria 1505 puede en algún
momento formar parte, o ser la totalidad (en uno u otro caso
representado como 1511), de un conjunto de instrucciones que,
cuando al ser ejecutadas en el sistema de procesado 1500,
implementan el paso (o pasos) de las realizaciones del método que
aquí se ha descrito. Por consiguiente, aunque un sistema de
procesado 1500 tal como el ilustrado en la Fig. 19 es técnica
anterior, un sistema que incluya las instrucciones para implementar
aspectos del presente invento no es técnica anterior, y por lo
tanto la Fig. 19 no se ha etiquetado como de técnica anterior.
Es de hacer notar que el procesador 1503, o los
procesadores, puede ser un procesador para fines generales, o un
procesador para un fin especial, y puede ser para su inclusión en un
dispositivo, por ejemplo, en un chip que tenga otros componentes
que realicen otras funciones. Por consiguiente, uno o más aspectos
del presente invento pueden implementarse en circuitos electrónicos
digitales, o bien en equipo físico de ordenador, en soporte lógico
inalterable (firmware), en software, o en combinaciones de éstos.
Además, aspectos del invento pueden implementarse en un producto de
programa de ordenador incorporado de modo tangible en un medio de
soporte que lleve un código legible por la máquina para ejecución
mediante un procesador programable. Los pasos del método de
aspectos del invento pueden ser realizados mediante un procesador
programable que ejecute las instrucciones para realizar las
funciones de esos aspectos del invento, por ejemplo, operando para
ello sobre datos de entrada y generando datos de salida.
El antes citado sistema de procesado puede ser
para uso en un simulador de vuelo, como por ejemplo se ha ilustrado
en la Fig. 20.
Ha de quedar entendido que aunque se han
discutido aquí realizaciones preferidas de métodos y dispositivos
de acuerdo con el presente invento, se pueden efectuar diversos
cambios o modificaciones, en la forma y en los detalles, sin
rebasar el alcance del invento.
Claims (12)
1. Un método para controlar los movimientos de
un simulador de vuelo, que implica aceleraciones lineales y
angulares percibidas por un piloto sentado en el asiento para el
piloto,
con lo que la velocidad de alabeo (p) y la
velocidad de guiñada (r), así como una fuerza específica en una
dirección lateral (A_{y}), calculadas de acuerdo con un modelo de
un avión simulado en un punto fijo del avión simulado, son
convertidas por un programa de movimiento en una posición lateral
(y) y un ángulo de alabeo (\varphi) del simulador,
caracterizado porque el método comprende cualquiera de los
pasos de: calcular el ángulo de alabeo (\varphi) del simulador
debido al ángulo de alabeo del avión simulado, corrigiendo para
ello un valor calculado originalmente (\varphi_{hp}) del ángulo
de alabeo (\varphi) por un factor de corrección
(\varphi_{cor}) proporcional a una fuerza específica lateral,
inducida por un filtro de eliminación usado durante el cálculo de
alineación de la gravedad terrestre de la posición lateral (y) del
simulador,
y/o
- descomponer la fuerza específica en la
dirección lateral (A_{ypilot}) que actúa en el punto de referencia
del piloto en el avión simulado, en una primera componente y una
segunda componente, la primera componente relativa a la fuerza
específica (Ay) en un punto fijo del avión simulado, y la segunda
componente que tiene un primer término relacionado con la
aceleración debida a las aceleraciones angulares de guiñada (r) y un
segundo término relacionado con las aceleraciones angulares de
alabeo (p), de acuerdo con la fórmula
siendo xp_{ac} la coordenada x
del punto (P) de referencia del piloto en un sistema de referencia
que tiene el origen en el punto fijo del avión simulado y siendo
zp_{ac} la coordenada z del punto de referencia del piloto en
dicho sistema de referencia, siendo \dot{\rho} la aceleración
angular de alabeo y siendo \dot{\Gamma} la aceleración angular de
guiñada,
- filtrar la primera componente (Ay) a través de
dos filtros, un filtro de paso alto y un filtro de paso bajo,
- filtrar cada uno de los términos de la segunda
componente mediante un juego de un primer y un segundo filtros
complementarios en paralelo, siendo filtros complementarios los
filtros cuya suma de funciones de transferencia es uno,
- usar la suma de la salida del filtro de paso
alto y de la salida del primero de los filtros complementarios de
cada juego para calcular la posición lateral (y) deseada del
simulador, y usar la suma de la salida del filtro de paso bajo y de
la salida del segundo de los filtros complementarios de cada juego
para calcular el ángulo de alabeo (\varphi) deseado del
simulador.
2. Un método de acuerdo con la reivindicación 1,
en el que el cálculo del ángulo de alabeo (\varphi_{roll}) del
simulador comprende usar una transformación matemática que implica
la alimentación hacia delante de un ángulo de corrección
(\varphi_{cor}) en la función de transformación del ángulo de
alabeo, de acuerdo con las fórmulas
donde
(\varphi-hp) es igual al ángulo de alabeo del
simulador filtrado por el filtro de paso
alto,
\ddot{y}-roll es igual a la
aceleración de la posición lateral del punto P de referencia del
piloto, que es el resultado de multiplicar
\varphi-hp por una ganancia Ky y g y luego filtrar
por el filtro de paso alto,
g es la constante gravitatoria terrestre,
Ky es un factor de coordinación lateral de la
ganancia,
\varphi-roll es igual al
ángulo de alabeo del simulador, como resultado de la aceleración de
alabeo o de la velocidad de alabeo del avión simulado.
3. Un método de acuerdo con la reivindicación 2,
en el que dicho factor Ky de coordinación lateral de la
transformación matemática entre 0 y 1 se introduce, permitiendo
reducir el recorrido lateral a expensas de alguna fuerza específica
lateral espuria aceptable, modulando para ello entre un caso de
"no coordinación", en el que Ky = 0, y un caso de
"coordinación total" en el que Ky = 1.
4. Un método de acuerdo con la reivindicación 3,
en el que Ky = 1, y el ángulo de alabeo
(\varphi-roll) se obtiene mediante un filtro de
paso alto de tercero o de cuarto orden en la velocidad de alabeo del
avión simulado, y la aceleración lateral es en cada caso igual a
ese ángulo de alabeo (\varphi-roll) multiplicado
por la aceleración terrestre (g).
5. Un método de acuerdo con una cualquiera de
las reivindicaciones 2 a 4, en el que la transformación matemática
implica un filtro de paso alto del ángulo de alabeo
(\varphi-roll) de segundo orden y un filtro de
eliminación de y de primer orden, de acuerdo con las fórmulas de la
función de transferencia
donde P_{ltd} es la velocidad de
alabeo de entrada limitada a través de un factor de ganancia de
ajuste descendente Kd, y opcionalmente una función limitadora de la
velocidad de alabeo, de tal modo que para un paso en el mando de
los alerones, el recorrido lateral del simulador es de un valor
finito, y donde P representa el operador de
Laplace.
6. Un método de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 2 a 4, en el que la transformación matemática
implica un filtro de paso alto (\varphi_{hp}) del ángulo de
alabeo de primer orden, y un filtro de eliminación de y de segundo
orden.
7. Un método de acuerdo con la reivindicación 1,
en el que el segundo componente de la fuerza específica en la
dirección lateral se obtiene por medio de cuatro filtros
adicionales: un primer juego de dos filtros complementarios para la
aceleración de alabeo y un segundo juego de dos filtros
complementarios para la aceleración de guiñada, de modo que en cada
juego de filtros complementarios, uno manda una excursión lateral
del simulador y el otro manda un ángulo de alabeo del simulador, de
acuerdo con las fórmulas de la función de transferencia
\newpage
y
donde P_{ltd} y r_{ltd} son,
respectivamente, la velocidad de entrada de alabeo y de guiñada,
limitadas por un factor de ganancia de ajuste descendente Kp y Kr
respectivamente, y opcionalmente a través de una función limitadora
de la velocidad, y P es el operador de
Laplace.
8. Un método de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en el que el punto fijo del avión
simulado es el centro de gravedad de dicho avión simulado.
9. Un producto de programas de ordenador para
ejecutar cualquiera de los métodos tales como los que aquí se han
reivindicado en las reivindicaciones anteriores, cuando se ejecuta
en un dispositivo de cálculo asociado con un simulador de vuelo que
simula a un avión.
10. Un dispositivo de almacenamiento de datos
legibles a máquina que lleva el producto de programa de ordenador
según la reivindicación 9.
11. Un controlador adaptado para controlar los
movimientos de un simulador de vuelo, que implica las aceleraciones
lineales y angulares percibidas por un piloto sentado en el asiento
para el piloto,
con lo que la velocidad de alabeo (p) y la
velocidad de guiñada (r), así como una fuerza específica en una
dirección lateral(A_{y}) calculadas de acuerdo con un
modelo de un avión simulado en un punto fijo del avión simulado,
son convertidas por un programa de movimiento en una posición
lateral (y) y un ángulo de alabeo (\varphi) del simulador,
en que el controlador comprende cualquiera
de:
una primera calculadora adaptada para calcular
el ángulo de alabeo (\varphi) del simulador debido al ángulo de
alabeo del avión simulado, corrigiendo para ello un valor calculado
originalmente (\varphi_{hp}) del ángulo de alabeo (\varphi)
por un factor de corrección (\varphi_{cor}) proporcional a una
fuerza específica lateral inducida por un filtro de eliminación
usado durante el cálculo de la alineación de la gravedad terrestre
de la posición lateral (y) del simulador,
- una segunda calculadora adaptada para
descomponer la fuerza específica en la dirección lateral
(A_{ypilot}) que actúa en el punto de referencia del piloto en el
avión simulado, en una primera componente y una segunda componente,
relativa la primera componente a la fuerza específica (Ay) en un
punto fijo del avión simulado, y teniendo la segunda componente un
primer término relacionado con las aceleraciones debidas a la
guiñada (r) y un segundo término relacionado con las aceleraciones
angulares de alabeo (p), de acuerdo con la fórmula
siendo xp_{ac} la coordenada x
del punto (P) de referencia del piloto en un sistema de referencia
que tiene su origen en el punto fijo del avión simulado y siendo
zp_{ac} la coordenada z del punto de referencia del piloto en
dicho sistema de referencia, siendo \dot{\rho} la aceleración
angular de alabeo y siendo \dot{\Gamma} la aceleración angular de
guiñada,
- un filtro de paso alto y un filtro de paso
bajo para filtrar la primera componente (Ay),
\newpage
- dos juegos de un primer y un segundo filtros
complementarios, siendo filtros complementarios aquellos cuya suma
de funciones de transferencia es uno, para filtrar cada uno de los
términos de la segunda componente en paralelo,
- un combinador para combinar la salida del
filtro de paso alto y las salidas del primero de los filtros
complementarios de cada juego, para calcular la posición lateral
(y) deseada del simulador, y un combinador para combinar la salida
del filtro de paso bajo y las salidas del segundo de los filtros
complementarios de cada juego para calcular el ángulo de alabeo
(\varphi) deseado del simulador.
12. Un simulador de vuelo adaptado para realizar
movimientos controlados, que implica las aceleraciones lineales y
angulares percibidas por un piloto sentado en el asiento para el
piloto,
con lo que la velocidad de alabeo (p) y la
velocidad de guiñada (r), así como una fuerza específica en una
dirección lateral (A_{y}), calculadas de acuerdo con un modelo de
un avión simulado en un punto fijo del avión simulado, son
convertidas por un programa de movimiento en una posición lateral
(y) y un ángulo de alabeo (\varphi) del simulador,
en que el simulador de vuelo comprende
cualquiera de:
una primera calculadora adaptada para calcular
el ángulo de alabeo (\varphi) del simulador debido al ángulo de
alabeo del avión simulado, corrigiendo para ello un valor
(\varphi_{hp}) originalmente calculado del ángulo de alabeo
(\varphi) por un factor de corrección (\varphi_{cor})
proporcional a una fuerza específica lateral inducida por un filtro
de eliminación, usado durante el cálculo de la alineación de la
gravedad terrestre de la posición lateral (y) del simulador,
y/o
- una segunda calculadora adaptada para
descomponer la fuerza específica en la dirección lateral
(A_{ypilot}) que actúa en el punto de referencia del piloto en el
avión simulado, en una primera componente y una segunda componente,
relacionada la primera componente con la fuerza específica (Ay) en
un punto fijo del avión simulado, y teniendo la segunda componente
un primer término relacionado con las aceleraciones debidas a la
aceleración de guiñada (r) y un segundo término relacionado con las
aceleraciones angulares de alabeo (p), de acuerdo con la
fórmula
siendo xp_{ac} la coordenada x
del punto (P) de referencia del piloto en un sistema de referencia
que tiene su origen en el punto fijo del avión simulado, y siendo
zp_{ac} la coordenada z del punto de referencia del piloto en
dicho sistema de referencia, siendo \dot{\rho} la aceleración
angular de alabeo y siendo \dot{\Gamma} la aceleración angular de
guiñada.
- un filtro de paso alto y un filtro de paso
bajo para filtrar la primera componente (A_{y}),
- dos juegos de un primer y un segundo filtros
complementarios, siendo filtros complementarios aquellos filtros
cuya suma de funciones de transferencia es uno, para filtrar cada
uno de los términos de la segunda componente en paralelo,
- un combinador para combinar la salida del
filtro de paso alto y las salidas del primero de los filtros
complementarios de cada juego, para calcular la posición lateral
(y) deseada del simulador, y un combinador para combinar la salida
del filtro de paso bajo y las salidas del segundo de los filtros
complementarios de cada juego para calcular el ángulo de alabeo
(\varphi) deseado del simulador.
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