基于改进SPBO优化算法的飞机气动参数辨识

耿 宏，段振亚

(中国民航大学 电子信息与自动化学院，天津 300300)

1 引言

在飞机的模拟仿真过程中，飞机气动参数辨识是飞行控制律参数调整、飞行仿真等工作的前提和基础[1]。快速访问记录器(quick access recorder，QAR)数据忠实记录了飞机运行中大量原始数据[2]，包含与飞机空气动力学特性相关的变量，因此QAR数据可以用于辨识飞机气动参数。并且相对于飞行测试数据，QAR数据获取相对容易,利用QAR数据辨识飞机气动参数也是一种可行的技术途径。

王青等[3]结合QAR数据和神经网络Delta法估计高原环境下的飞机气动参数，证实QAR辨识飞机气动参数的可行性，但是神经网络不能完全反应真实的飞行系统，并且Delta法对飞行数据的质量、数量要求较高[4]。玉杉杉等[5]采用极大似然法估计无人机的空气动力学参数，模型参数工程实用性良好，但是该方法对初值特别敏感。因此本文利用QAR数据，结合极大似然法和ISPBO(improved student psychology based optimization)启发式优化算法对飞机气动参数进行辨识。

SPBO算法是由BikashDas等[6]提出的一种基于学生心理的启发式优化算法，该算法显著特点是给定待辨识气动参数的大致范围，即可随机赋予待辨识参数初值，对初值敏感较小，目前粒子群[7](partical swarm optimization，PSO)、鸽群优化[8](pigeon inspired optimization，PIO)等启发式算法已广泛应用到气动参数辨识中。ISPBO在SPBO的基础上，采用Logistic映射[9]对学生群体初始化，增强初值分布的随机性和均匀性；根据优化过程中迭代次数和适应度值的变化情况，动态调整最佳学生的迭代步长，提高算法后期的搜索精度，降低对初值选取范围要求。最后，将ISPBO算法辨识得到的气动参数代入到飞机模型中，通过对比模型输出与QAR原始数据，验证该算法在工程上的可行性。

2 气动参数辨识

2.1 运动模型

根据动力学原理，结合飞机地速VE、空速V和风速W三角关系，VE=V+W，建立机体系下含扰动风参数的六自由度运动方程组,即：

(1)

式(1)中：u、v、w分别为飞行速度三轴分量；p、q、r分别为滚转角速度、俯仰角速度、偏航角速度；Φ、θ、Ψ分别为滚转角、俯仰角、偏航角；Rx、Ry、Rz分别为空气动力三轴分量；WxB、WyB、WzB分别为风速矢量在机体坐标系下三轴分量；Ml、Mm、Mn分别为滚转力矩、俯仰力矩、偏航力矩；ci(i=1,…,9)由转动惯量和惯性积得到。

2.2 气动模型

采用多项式模型作为气动数学模型，根据对应物理意义选择相应状态参数[10]，最终确定模型结构为：

(2)

式(2)中：C*δα、C*δe、C*δr分别为力和力矩相对于副翼、升降舵、方向舵的控制导数；C*α、C*β分别为力和力矩相对于迎角、侧滑角的稳定性导数[1]；C*p、C*q、C*r分别为滚转角速度、俯仰角速度、偏航角速度气动导数；CDgear和CDsb分别为阻力相对于起落架和减速板的气动导数；C*0为力和力矩基本系数。

2.3 目标函数

将气动参数矢量代入到飞机模型中，得到模型输出矢量为：

y(i)=[φ,θ,ψ,α,β,V,h]T

(3)

其次根据式(1)建立QAR数据观测矢量ym(i)，依据极大似然判据，可得目标函数为：

(4)

式(3)中：N为数据段中数据点数；e(i)=y(i)-ym(i)；R为为观测噪声的协方差矩阵。气动参数辨识问题转化为极值寻优问题[11]，即寻求最优待辨识气动参数，使目标值J达到最小值。

3 参数辨识算法

3.1 ISPBO算法

SPBO算法[6]是基于班级中学生心理而制定的启发式优化算法，该算法分为最佳学生、好学生、普通学生和尝试随机改善的学生4种迭代方式，学生对一门学科所做的努力取决于对该学科获得的兴趣，这取决于学生心理，并且可能因学生和学科的不同而有所差异，基于这种心理，在提出的SPBO算法中，除最佳学生外，其余3类学生主题选择被认为是随机过程。

将SPBO算法应用到飞机气动参数辨识中，并对该算法初始化以及最佳学生迭代步长进行改进，得到改进学生心理学(ISPBO)优化算法。ISPBO算法工作对象为班级学生群体，总学生数为SN，每个学生由不同变量组成Xi=(Xi,1，Xi,2，…,Xi,M)，这些变量即为待辨识气动参数，也表示为学生每门科目，总科目为M，该算法以学生获得分数为气动模型寻优目标，根据学生对科目努力程度，划分不同迭代阶段，通过目标函数求得目标值J,目标值最小者学生表现最佳。

3.2 Logistic映射初始化

SPBO算法中班级学生群体初始化通常是随机产生，而初值分布是否均匀，将影响算法寻优过程中收敛速度和寻优效率，Logistic映射是一种无规则混沌运动，其特点是具有很好随机性和遍历性，采用Logistic映射初始化学生成绩，用于替代SPBO算法中随机策略，可以提高初值分布均匀性，使得改进后得到的ISPBO算法在初值规定范围内包含更全面的初值变量，增强ISPBO算法前期的全局搜索能力，即使存在一些不合理初值，也不影响整体辨识效果，对初值准确度依赖较小，Logistic映射初始化由以下步骤完成：

Step1：对M个待辨识参数生成随机数，作为每维空间中第一个学生成绩；

rand_old=rand(1,M)，rand_old∈[-1,1]

(5)

Step2：将rand_old中每一维的学生利用式(6)进行SN-1次迭代，生成混沌变量rand_new；

rand_old(n+1)=4rand_old(n)×(1-rand_old(n)

(6)

Step3：按照式(7)对待辨识参数进行初始化；

θi.,m=θi,ml+rand_new*(θi,mu-θi,ml)

(7)

其中SN表示学生的数量，即种群大小，m表示待辨识参数位置，m∈(1,2,3,…,M)，θi,ml和θi,mu分别表示第m个待辨识参数在整个种群里面最小和最大数值，根据理论计算、风洞试验等数据得到，rand是0到1之间的随机数。

随机法和Logistic法如图1所示。

图1 随机法和Logistic法表示的初值分布与学生数量的关系示意图

3.3 迭代过程

ISPBO算法是在整个数据段上寻优，每次迭代方向和方式均为随机选取，使其迭代过程呈现全局性，并且相比较SPBO算法，ISPBO算法对最佳学生阶段增添迭代步长控制因子HF，使迭代步长范围随着迭代次数和适应度值变化而动态调整，增强算法后期的搜索精度，即使初值选取范围较大，也有着较高的搜索效率，降低对初值选取范围要求，ISPBO算法由以下4个迭代阶段组成。

1)最佳学生对达到最佳解决方案的贡献比较多，往往需要付出比任何随机选择学生更刻苦的努力，SPBO算法表示为：

θbest new,m=θbest,m+(-1)k×rand×(θbest,m-θj,m)

(8)

式(8)中：θbest,m和θj,m分别为最佳学生和第j个随机选择学生的待辨识气动参数；rand为0到1之间随机数；k为随机选择的一个参数(1或2)。

ISPBO算法的最佳学生迭代表示为：

(9)

式(9)中：Pi为当代迭代次数；Pmax为最大迭代次数；J为适应度值；α、β为调节因子，α越大，HF下降的越快，β越大，HF后期范围越大，取α=2，β=9为最佳。HF随着迭代次数增加和适应度值减小而变小，HF变小使得迭代步长范围减小，增强算法后期快速收敛和精细搜索能力。

2)好学生对任何科目感兴趣，将尽力为该科目付出更刻苦的努力，以便提高整体表现。一些学生会尝试做出与最佳学生相同或更刻苦的努力，由式(10)表示；一些学生尝试在学习中付出比班上普通学生更刻苦的努力，并且试图去模仿最佳学生，由式(11)表示。

θnewi,m=θbest,m+rand×(θbest,m-θi,m)

(10)

θnewi,m=θi,m+rand×[(θbest,m-θi,m)+(θi,m-θmean,m)]

(11)

式(10)～(11)中：θi，m为第i个学生的待辨识气动参数；θmean，m是第m个待辨识气动参数班级平均值。

3)普通学生为班级平均水平学生，以班级平均水平学习该学科的同时，学生将尝试在其他学科上付出更多的努力。

θnewi,m=θi,m+rand×(θmean,m-θi,m)

(12)

4)尝试随机改善学生会随机地对科目进行学习，以提高考试的整体表现。

θnewi,m=θmin,m+rand×(θmax,m-θmin,m)

(13)

式(13)中，θmin,m和θmax,m分别是第m个待辨识气动参数在整个班级里面最小和最大数值。

ISPBO算法受到试图获得考试最高分数的学生心理学启发，最优秀学生对达到最佳解决方案的贡献最多。但也可以观察到，所有阶段都有其作用，如果任何一个阶段不起作用或被淘汰，则该算法可能无法产生理想最优解，或者需要更多迭代次数达到收敛。ISPBO参数辨识算法如图2所示。

图2 ISPBO参数辨识算法流程框图

4 仿真实验

考虑飞机气动参数与迎角和侧滑角相关性较大，因此采用多重分区[12]思想，即在原迎角分区基础上，进一步根据侧滑角大小划分区间，通过小区间常数法将飞行数据划分为若干小区间，在各区间内忽略迎角-侧滑角变化对气动特性影响，认为各区间内气动参数是常数。

4.1 辨识结果

NR、ISPBO算法所有待辩气动参数初值均为随机获取，选取一组QAR数据，其中迎角范围在7°～8°、侧滑角范围在0.25°～0.50°，数据大小为40，进行气动参数辨识，以纵向气动参数为例，辨识结果如表1所示。

根据表1可知，NR算法辨识得到的气动参数差异较大，与标准值的相对误差处于1%～90%范围内，ISPBO算法辨识得到气动参数与标准值相对误差均处于10%～30%左右，初步分析为待辨识参数初值为随机选取，NR算法初值为个体类型，初值选取不同会影响辨识结果，特别当初值选取不准确时，NR算法容易陷入初值附近的局部最优解，导致辨识结果不合理，ISPBO考虑初值范围区间内所有初值，并采用Logistic映射初始化，增加初值分布均匀性，即使存在一些不合理初值，也不影响整体辨识效果。因此ISPBO降低了对初值选取要求。

表1 纵向气动参数辨识结果

4.2 收敛性分析

为了验证ISPBO算法解决初值敏感的有效性，分别进行3次对比实验，进一步验证初值对NR、SPBO以及ISPBO算法收敛性的影响，其中NR算法待辩气动参数初值分为3组，依次在标准值基础上增加0.5倍、1倍、2倍，SPBO以及ISPBO算法初值为群体类型，因此按照初值选取范围划分3组，选取方式为在标准值基础上增加0.5倍、1倍、2倍，目标值J随迭代次数变化曲线如图3所示。

根据图3可知：① NR算法初值选取不同，将导致辨识过程中收敛速度、收敛精度趋于不同，其中当初值接近标准值时，收敛精度达到10-2量级，收敛速度为10次迭代接近收敛；当初值与标准值相差较大时，NR算法收敛速度和收敛精度大大降低，目标值最终收敛到0.2，且收敛速度需要60次迭代，可以看出NR算法对初值要求较高，否则难以得到较好辨识结果。② ISPBO初值为群体类型，选取方式为在一定范围内随机选取，即使当初值选取范围增大，导致辨识过程出现不合理初值，ISPBO算法辨识收敛精度也均达到10-8量级，收敛速度均处于10次左右，可以看出ISPBO算法对初值敏感较小。③ SPBO算法与ISPBO算法有所差异，ISPBO算法在20次迭代达到满意的收敛精度，SPBO算法经过50次迭代才达到较好收敛精度，初步分析为ISPBO采用 Logistic映射初始化，增加初值分布均匀性，提高算法前期全局搜索能力，为后续迭代提供很好的基础，从初始目标值也可以看出，SPBO初始目标值为2，ISPBO初始目标值为0.5，其次当初值选取范围增大时，ISPBO算法收敛精度始终处于10-8量级，而SPBO算法收敛精度从10-3降低到10-2，主要由于ISPBO算法经过持续动态调整迭代步长，大大增加算法后期搜索效率，提高算法收敛精度，降低对初值选取范围要求。

图3 目标值J变化曲线

4.3 算法收敛对比

为了分析ISPBO算法的优势，分别采用PSO、PIO、NR和ISPBO等4种参数辨识算法对飞机气动参数进行辨识，其中初值均为随机选取，3种启发式算法种群数量均取50，迭代次数均取400次，PSO算法中学习因子C1、C2=2，惯性权重wmax=0.9，wmin=0.4，PIO算法中地磁因子R=0.3，ISPBO算法没有影响其性能的可调参数。几种目标值J的适应度值曲线如图4所示。

图4 目标值J对比曲线

由图4可知，ISPBO算法经过30次迭代适应度值J就可以达到收敛，收敛精度最高，NR算法需要60次迭代达到收敛，但是NR算法收敛精度最低，PSO算法相对提高了收敛精度，但是后期收敛速度急剧下降，PIO算法需要200次迭代才能接近收敛，且收敛精度低于ISPBO算法。相比较其他算法，ISPBO参数辨识算法前期采用Logistic映射初始化，提高算法前期全局搜索能力，使得目标值快速收敛，其次ISPBO算法采用4种迭代方式，增加算法搜索多样性，并且后期经过持续动态调整迭代步长，大大增加算法后期搜索效率，进而提高收敛精度，同时ISPBO算法没有影响其性能的可调参数，降低人为因素影响，因此，综合分析，ISPBO算法提高了收敛精度和收敛速度。

4.4 仿真结果验证

将辨识得到的气动参数代入到气动模型中，仿真验证结果如图5所示，其中虚线为QAR原始数据，实线为模型仿真数据。

图5 QAR原始数据及模型输出值曲线

根据图5可知，QAR原始数据及模型输出值曲线中高度曲线平均百分比误差处于1%左右，吻合较好，迎角曲线、俯仰角曲线、偏航角曲线、滚转角曲线平均百分比误差处于20%左右，但是曲线后期误差较大，主要由于模型采用数值积分，经过持续累积误差，积分趋势会趋于不同。目前，CCAR-60中模拟机客观测试标准规定高度容差为90ft，姿态角容差为20%，国军标GJB 1690-93对于工程中姿态约束性能指标规定最大偏差为20%，ISPBO算法辨识得到的模型输出与QAR原始数据具有相同的时变趋势，虽然曲线存在一定差异，但是曲线误差均处于20%范围内，满足工程要求，证实了利用QAR数据辨识飞机气动参数在工程上的可行性。

5 结论

1)在仿真精度要求不高的工程应用中，利用QAR数据辨识飞机气动参数是一种可行的解决方案。

2)ISPBO算法解决了传统极大似然法对初值选取敏感问题,使得气动参数辨识初值选取只需确定大致范围即可，降低了初值选取要求。

3)ISPBO算法在SPBO算法基础上，进行Logistic映射初始化以及动态调整最佳学生迭代步长的改进，相比较其他启发式算法，提高了收敛精度和收敛速度。