基于频域的驾驶员操纵负荷评估方法

田 磊

（中国飞行试验研究院飞机所，陕西 西安 710089）

直升机飞行品质试飞是直升机飞行试验的重要部分，良好的飞行品质是飞行员安全飞行、顺利完成任务的重要保障。以ADS-33E 和GJB-902B 为依据的军用直升机飞行品质规范强调了针对直升机的作战和使用能力的考核，其核心思想是直升机的飞行品质由直升机完成任务的能力水平和飞行员的工作负荷来决定[1-2]。通过执行规定的任务科目，基于飞行员的工作负荷及任务能力的指标符合性，最终确定直升机的飞行品质等级。目前，飞行品质任务科目中飞行员工作负荷评价仍然以库珀哈珀评价（HQRs）作为主要依据[3]。但HQRs 作为一项飞行员的主观评价会受很多因素（如飞行员水平和样本量等）的影响，会限制这些评价的实际效用[4]。因此，为进一步提升直升机飞行品质试飞考核的可靠性，需要建立一种可用于描述飞行员工作负荷的客观指标，用于量化飞行员的工作负荷。

对飞行员任务工作负荷的评价是近几十年来飞行品质研究的重点难点内容，针对传统HQRs 方法潜在的缺点，国内外都开展了大量的研究。国外Field 等人通过对飞行员操纵动作的时域分析，包括操纵幅值、时间等尝试对飞行员负荷进行量化[5]。近年来，Padfield 等人开展了基于频率的飞行员试飞动作的分析，用于进一步描述或量化飞行员操纵和工作负荷之间的联系[6]。Gray 等构建了一种飞行员工作负荷二维图像，通过工作周期与迅猛程度描述飞行员的工作负荷[7]。国内李琳君等进行了飞行负荷评价技术与方法的研究，主要从试飞员的角度给出了飞行负荷评价的程序和建议[8]。王黎静等开展了机组工作负荷评价方法的研究，其主要侧重于生理负荷及综合评价技术[9]。本文结合加拿大变稳直升机飞行试验评估结果，在国内外研究的基础上，建立“时间-频域-能量”的三维尺度模型，开展飞行员操纵负荷的评估技术研究，使试飞员及试飞工程师能够更加清晰准确地定位直升机任务科目试飞工作负荷，合理认定直升机飞行品质。

1 理论模型

目前，数据的频域分析在许多领域都有应用，包括特征信息的识别、目标探测、响应特性分析等。Remple和Tischler[10]通过试验证明通过频域分析可以很好地估计飞行员任务中的截止频率，但无法反映飞行员操纵策略在时间轴上的变化。根据Gray 提出的飞行员工作负荷二维分析方法[7]，当动作点从原点移开时，驾驶员的工作负荷会增加，工作负荷会在任务的过程中变化，该描述的驾驶员的工作负荷与ADS-33 任务科目的飞行品质评价要求基本一致，但在小幅高频操纵时该方法会出现较大的差异。本文在该理论的基础上，通过时频分析的数据处理方法，对驾驶员的各轴向操纵输入进行频域分析，如式（1）所示，建立“时间-频域-能量”的三维尺度函数，表征能量在频率和时间历程上的分布。通过将三维尺度函数图选取合适的窗函数进行分割，使三维图分布在整个时间窗口中，从而表征飞行员操纵动作在任务中从一个时间窗口到下一个时间窗口的变化。通过三维尺度函数可以为飞行员的操纵动作分析提供重要的信息，但它本身并不能提供一个清晰的指标。基于此，进一步对不同时间-频率下操纵输入信号δ（u）的三维尺度函数进行加权，从而建立一套飞行量化评估标准，定义为负荷函数S，如式（2）所示。

其中T 为动作时间，F 为频率，P 为功率谱，S 为负荷函数。

通过式（2）可得到各轴任务时域、频域范围内的负荷函数的量化数值，由于直升机不同轴向操纵设计及任务精度保持需求的差异，飞行员实际飞行中各轴操纵输入所导致的负荷基准不同，无法通过单一的量化数值同时界定不同轴的负荷等级。为解决该问题，在函数中引入各轴负荷函数基准值（Swx0、Swy0、Swz0、Swf0）的定义，将各轴的负荷结果归一化，以增强各轴负荷的横向对比作用，从而进一步表征直升机任务的总体负荷。负荷函数基准值建议通过经验丰富的飞行员的HQR 评价给出，或通过多次试验给平均值，基于该基准建立飞行员的量化评估结果。根据选取的任务科目，对各轴负荷函数S 进行加权，最终得到飞行员任务负荷的量化函数曲线。

其中Swx、Swy、Swz、Swf为对应轴的负荷数值结果，Swx0、Swy0、Swz0、Swf0为对应轴的负荷函数的基准值，SMTE为该完成任务单元的负荷结果。

2 试验过程

本研究试验机选取加拿大国家研究中心CNRC 飞行试验研究室Bell-205 变稳直升机。Bell-205 变稳直升机能够通过改变控制律及三轴增益，模拟不同飞行品质等级的直升机状态，为ADS-33 系列直升机飞行品质规范的研究及指标的发展提供了很好的数据支持[11-12]。

试验通过设置不同的变稳直升机的控制律及增益模式，模拟不同的直升机飞行品质等级。飞行员按要求操纵直升机执行规定的任务科目，获取不同飞行品质等级的试飞数据结果，并根据任务完成情况及操纵负荷完成库珀哈珀评价，得到飞行员负荷评价结果。通过建立的飞行员负荷三维尺度模型对试飞数据进行处理，将得到的负荷函数结果与飞行员评价结果进行对比分析，最终形成可量化的数值函数曲线。

试验科目选取精确悬停任务，飞行员操纵直升机从45°斜侧方，以地速10～20km/h 侧向渐进至设置的目标悬停点，转入稳定悬停，稳定悬停时间不少于30s，悬停过程中要求保持高度、航向及位置稳定并以达到任务要求的满意性能为目标[2]。精确悬停属于直升机通用任务科目使用要求，用于评估直升机精确悬停过程中的多轴协调操纵，具备一定的任务典型性。在精确悬停任务过程中，评价者通过机上参数指示对航向控制可形成最为明显的主观感受，因此试验设计主要通过设置航向轴控制律及反馈参数，实现不同飞行品质的模拟。纵、横及总距轴控制律设置为RC（速率响应），控制律及设置参数在整个试验过程中保持不变，航向轴控制律及参数设置如表1 所示。

表1 试验控制律设置

3 试验结果及分析

图1～图4 给出了Bell-205 变稳直升机在表1 试验条件下完成精确悬停任务科目的时间历程曲线，数据曲线给出了直升机任务过程的三轴操纵位移及高度、速度、航向等参数信息。对比图1-图4 时间历程曲线，可以看出B 工况下航向保持精度较差，超出5°航向保持精度要求，未达到满意性能指标，其余试飞结果性能指标均能达到任务要求的满意指标[1]。根据试飞结果及飞行工作负荷，飞行员针对四次试验分别给出了4.0，4.8，3.0，2.0 的HQR 评价，如表2 所示。

表2 基于模型各轴的负荷数值结果

图1 条件A 时间历程曲线

图2 条件B 时间历程曲线

图3 条件C 时间历程曲线

图4 条件D 时间历程曲线

对比图1-图4 的各轴操纵位移的时间历程曲线，除图4 因接通RCDH 响应航向轴无明显操纵外，很难直观从操纵位移的时间历程响应分辨出飞行员操纵负荷及HQR 评价的依据。采用时频分析方法对原始操纵响应进行频域处理，得到精确悬停任务飞行员操纵在各个频段及时间的分布三维尺度模型结果。以航向轴操纵响应为例，图5-图8 给出了不同试验条件下航向操纵的三维尺度图。对比分析可以看出，在整个试验过程中，航向操纵响应的频域覆盖范围随控制律变化无明显差异，均处在低频范围内。但通过能量在整个任务时间尺度上的分布，四次试验操纵响应在能量区间上存在明显的差异性。飞行员操纵能量在整个时间轴上并不是一个连续的函数，在试验过程中存在能量集中区域，而该能量分布与实际任务过程中实际飞行员的操纵策略及操纵负荷直接相关，通过该能量分布的现象表征可以体现飞行员在整个过程中的操纵策略。根据整个飞行过程中飞行员负荷函数S 对各轴能量进行加权，给出了各轴的负荷数值结果，如表2 所示。其中航向轴四次试验结果分别为1286.43、2449.91、973.42、11.63，负荷数值的差异可以解释HQR 的评级结果。本次试验选取初始条件A 作为负荷函数基准值，对各轴的负荷函数进行无量纲化加权平均，得到飞行员HQR评价与飞行员工作负荷的数值量化关系曲线，如图9所示。根据试验条件设置，B 工况下航向保持最为苛刻，在相同的任务目标下，由此产生的操纵动作迅猛程度大于其他工况条件，即所需操纵负荷也高于其他试验条件，与曲线结果的规律相一致。通过曲线函数可直观量化飞行员操纵负荷的评估结果，可以为飞行员的负荷评价提供数据支撑。

图5 条件A 航向轴三维频谱图

图6 条件B 航向轴三维频谱图

图7 条件C 航向轴三维频谱图

图8 条件D 航向轴三维频谱图

4 结论

本文通过建立基于频域的驾驶员操纵负荷的三维尺度模型，通过飞行试验将三维尺度模型的分析结果与飞行员评价进行了对比分析，可以得到以下结论。

（1）通过基于频域的三维尺度模型方法有效识别飞行员操纵输入在整个时间轴上的频率-能量分布，有助于辨识任务过程中飞行员的操纵策略及操纵负荷。

（2）本文建立的操纵负荷模型可有效对飞行员的操纵负荷进行量化描述，通过无量纲化的函数曲线进一步对飞行员的操纵负荷及HQR 的评价提供数据支撑。