某型初級教練機小組教學輔助訓練系統設計與實現

周曉光,　劉　洋,　岳付昌,　李　瑩

(1.海軍航空兵學院,遼寧 葫蘆島　125001; 2.93357部隊飛行模擬中心,遼寧 鞍山　114225)

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某型初級教練機小組教學輔助訓練系統設計與實現

周曉光1,劉洋2,岳付昌1,李瑩1

(1.海軍航空兵學院,遼寧 葫蘆島125001; 2.93357部隊飛行模擬中心,遼寧 鞍山114225)

摘要：為豐富學院飛行團隊某型初級教練機小組教學訓練手段,拓展該型初級教練機小組教學訓練內容,針對該型初級教練機小組教學訓練需求,設計實現了該型初級教練機小組教學輔助訓練系統。系統由模擬座艙、飛行性能仿真系統、三通道視景仿真系統、觸摸式虛擬儀表仿真系統、音響模擬系統、輔助教學系統等組成,可實現座艙實習、示范教學、起落、儀表、編隊、飛參數據實錄與分析、空域導航與認知等功能,是一套基于微機的高度集成的跨學科、綜合性輔助教學與訓練系統。系統的研制和使用有效提高該型初級教練機小組教學訓練質量,縮短飛行團隊訓練時間,為推進學院飛行訓練模式轉型奠定技術基礎。

關鍵詞：初級教練機; 輔助訓練系統; 小組教學

1前言

海軍航空兵學院承擔著全海軍初教級飛行學員的飛行訓練教學工作,教學訓練任務相當繁重。小組教學是學院飛行團隊組織飛行訓練的主要教學活動之一,教學主要內容是傳達飛行計劃、布置飛行任務、講解外場飛行中存在的問題、解答飛行學員外場飛行中存在的疑問,起著航空理論知識與外場飛行操作相結合紐帶作用。小組教學是提升飛行訓練質量的關鍵環節,在飛行員培訓中起著重要作用。目前小組教學主要采用室內講解與室外示范體驗相結合的方式進行。小組教學室內講解中存在的問題主要有以下幾個方面:一是在部署飛行任務時,飛行學員對飛行駕駛程序和飛行空域不熟悉,造成明日外場飛行中出現“忙、亂、慌”的情況;二是在講解飛行訓練中出現的問題時,缺乏原場景數據,不能讓飛行學員對操作過程有深刻記憶,講解缺乏有效性和時效性;三是大量的有價值的飛參數據不能夠有效利用,沒有用于教學服務,不僅影響了飛行質量的提升,也是信息資源的浪費;四是小組教學室外訓練器材簡陋,訓練效果差,不能有效及時地提升飛行學員的訓練效果。

針對目前學院團隊某型初級教練機小組教學訓練中存在的教學手段缺失、教學模式陳舊、教學內容單一等問題,研制了該型初級教練機小組教學輔助訓練系統,系統重點解決了初教六教學小組訓練中存在的各種問題,綜合運用了虛擬現實技術、數學建模技術、大規模地景生成與實時顯示技術、多屏顯示技術及插件管理技術等先進技術,通過在微機上呈現三維、可交互的虛擬座艙以及與其疊加的外界景物,為該型初級教練機小組教學提供較為逼真的訓練環境,可實現座艙實習、示范教學、起落、儀表、飛參數據實錄與分析、空域導航與認知等功能,是一套基于微機的高度集成的跨學科、綜合性輔助教學與訓練系統。

2小組教學輔助訓練系統總體設計

2.1功能設計

按照《某型初級教練機飛行訓練大綱》要求并結合飛行員小組教學對模擬飛行訓練的需求,該模擬器設置如下功能:

正?？颇坑柧?能夠模擬各種能見度下的滑行、起飛、轉彎、平飛、下滑、著陸和起落航線模擬訓練;能夠實施儀表飛行、穿云飛行、五邊下滑等模擬飛行訓練。

特情科目訓練:能夠進行起落架放不下、剎車失效、發動機抖振、發動機停車、空速表故障、高度表故障、轉速表故障、進氣壓力表故障、陀螺磁羅盤故障、發電機故障等特情模擬飛行訓練,能夠實施各空域迫降場著陸模擬飛行訓練。

飛行條件設置:方便進行飛行時間設置、能見度設置、云底高度及云厚設置、風速風向設置、晝間及夜間選擇等飛行氣象條件設置。

教學輔助功能:

(1) 空域導航與認知。 開發飛行訓練基本地域的地理信息系統,用于熟悉空域信息與建立空間定向感覺。

(2) 示范教學。示范教學采用視頻教學方式,詳細講解起落、特技飛行動作技術要領。

(3) 飛參數據實錄與分析。對飛參數據進行采集和平滑處理,根據飛參數據進行飛行過程重構,查找導致事故的傾向,及時修正學員的錯誤動作,提升飛行訓練的針對性。

2.2結構設計

某型初級教練機小組教學輔助訓練系統是由計算機組成的實時動態仿真系統,主要由八個分系統組成:

(1) 模擬座艙系統;

(2) 操縱負荷系統;

(3) 座艙儀表指示系統;

(4) 音響模擬系統;

(5) 飛行模擬解算系統;

(6) 視景顯示系統;

(7) 計算機通訊與接口系統;

(8) 教學輔助系統;

(9) 電源配電系統。

其中,模擬座艙系統由座艙支架、油門、座椅等組成;操縱負荷系統主要由駕駛桿、腳蹬舵組成;座艙儀表系統由觸摸屏和虛擬儀表組成,提供觸摸式交互操作;數字音響系統由數字音響計算機和音效卡組成;視景系統由視景生成系統和視景顯示系統組成;計算機通訊與接口系統由網絡通訊設備和各種接口板卡組成;電源系統由各種電源組成。教學輔助系統由空域導航與認知子系統、航空理論數據庫、示范教學視頻資料等組成。模擬器系統結構框圖如圖1所示。

圖1　組教學輔助訓練系統結構Fig.1　The system structure of group teaching assistant training system

3小組教學輔助訓練系統硬件設計

硬件設計如圖2所示,主要包括座艙平臺、座椅、視景顯示器、儀表觸摸屏、駕駛桿、油門、腳蹬等。

圖2　系統硬件設計Fig.2　The design ofsystem hardware

(1) 座艙平臺

底部平臺尺寸為1900x800x215mm;底部平臺用40x40mm的角鋼加工焊接成框架,地板使用4mm踏花鋁板,與框架拴接。底部安裝調平支腳和4個輪子,便于移動和固定。平臺前部空擋處安裝操縱系統集中控制盒、電源箱等設備。左右操作臺操縱臺用方管焊接,左側預留油門臺安裝位置。儀表板及風擋支撐架用方管焊接,上方安裝風擋框,中間安裝中央儀表顯示器,顯示器可上下調節。工控機安裝架用方管焊接,內置2個工控機安裝位置,工控機兩側有滑軌,安裝完成后可向外拉出。安裝架上方安裝有3臺視景顯示器及其固定架,固定架可上下調節。中央儀表顯示器采用24寸電阻式觸摸顯示器,屏幕16:10,分辨率1920X1200,VGA、DVI、DP各一個,4個USB接口,可視角度178垂直、178水平。電源控制箱用于給操縱系統提供工作電源;電源控制箱輸入為交流電壓AC220V;輸出為2路直流電壓;1路DC5V,200W;1路DC24V,500W。電源控制箱通過航插YP21-14TK輸出DC5V/DC24V到集線控制箱。安裝在底座右前部。

(2) 駕駛桿操縱系統

駕駛桿操縱系統如圖3所示,桿頭由實裝件改裝,操縱桿位置及操縱行程:離儀表板下沿距離:190mm;向前行程:160mm;向后行程:160mm;左右行程:130mm。操縱負荷:安裝彈簧筒:在操縱桿底部傳動曲柄處分別連接橫向、縱向實裝件彈簧,為操作桿提供同真機相同零位起始桿力及最大行程桿力;安裝阻尼件:在操縱桿底部傳動曲柄另一連接點處分別連接橫向、縱向實裝阻尼件,為操作桿提供同真機相同操縱阻尼力;操縱桿位置取樣:操縱桿橫向、縱向位置及剎車均采用電位器,采樣信息通過操縱系統集中控制盒送上位機。

圖3　駕駛桿操縱系統Fig.3　The stick control system

(3) 腳蹬操縱系統

腳蹬操縱系統如圖4所示。腳蹬:實裝件;操縱負荷:(1)安裝彈簧:在腳蹬底部旋轉軸曲柄處連接實裝件彈簧,為腳蹬提供同真機相同零位起始力及最大行程力。(2)安裝阻尼件:在腳蹬底部旋轉軸曲柄另一連接點處連接實裝阻尼件,為腳蹬提供同真機相同操縱阻尼力。操縱桿位置取樣:航向位置取樣用電位器進行數據采樣,腳蹬位置信號均通過操縱系統集中控制盒送上位機。

圖4　腳蹬操縱系統Fig.4　The pedal control system

(4) 油門臺操縱系統

油門桿頭:實裝件,2個按鈕開關,信號送操縱系統集中控制盒采集處理后與上位機交聯。油門控制臺:實裝件加裝采集機構,提供一定的阻尼摩擦,位置信號通過3個電位器和操縱系統集中控制盒采集處理,送入操縱系統集中控制盒,如圖5所示。

圖5　油門臺操縱系統Fig.5　The throttle control system

4小組教學輔助訓練系統軟件設計

(1) 飛行仿真系統

仿真解算系統主要是負責采集飛行員的兩桿一舵等操縱數據,并從座艙接口計算機接收飛行員的操縱開關、電門等控制動作,用數值積分方法解算飛機的運動方程和動力方程,得到實時數值解,將飛機的實時位置及姿態等有關參數傳送到視景計算機、儀表計算機進行顯示和其它相關方面的解算[1][2]。

推導整理得到機體軸系的質心動力學方程,如下式[3]:

(1)

式中,Vxt,Vyt,Vzt分別為飛行速度在三個機體軸的分量;ωx,ωy,ωz分別為飛機旋轉角速度在三個機體軸的分量;Fx,Fy,Fz分別為作用在飛機上的力在三個機體軸的分量。對式上式的積分就可得到飛機速度在機體坐標系的分量。

用下式將機體速度分量轉化到地面速度分量[4,5]。

(2)

再進行積分就得到了飛機相對于地面坐標系的位置(xd,yd,zd)。

推導整理得到機體軸系的質心轉動動力學方程,如下式[6]:

(3)

式中,Ix,Iy,Iz分別為飛機相對于三個機體軸的轉動慣量;Ixy為飛機相對于x、y軸的慣性積。飛機可認為基本具有縱對稱面,所以可以忽略掉其相對于z、x軸和y、z軸的慣性矩Iyz=Izx=0?！芃x,∑My,∑Mz分別為作用在飛機上的力矩矢量在機體軸上的分量。對式積分就可得到飛機旋轉角速度在機體坐標系的分量。

得到了飛機旋轉角速度在機體坐標系的分量后應用四元數法來求得飛機姿態角,如下式[7]:

(4)

要解算飛機的運動方程,還必須確定作用在飛機上的氣動力和氣動力矩,氣動力包括升力、阻力以及發動機的推力;氣動力矩包括分解到各機體軸的操縱力矩、穩定力矩等。根據飛機空氣動力學的原理,飛機上的氣動力和力矩與飛機的氣流角和速度有關。在計算飛機空氣動力時,還要考慮空氣運動對飛行的影響。

(2) 視景仿真系統

視景仿真環境,采用先進成熟的計算機成像技術,視景驅動平臺選用VegaPrime2.0,基于C++語言開發,視景數據庫大量使用可獲取的地理信息數據,如高分辨率衛星遙感數據、數字、高程模型數據等并使用CTS2.1生成極具現實感的地景環境生成。模型數據庫采用Creator3.0開發,包括飛機、機場、建筑物等。視景生成系統的實現主要包含兩個過程:視景數據庫的建立(如圖6)和視景驅動程序的開發。視景數據庫建模工作主要由地形建模和三維物體建模組成,在此基礎上通過實例、LOD、紋理和子面等典型技術應用來節省系統資源、提高實時運行速度、提高視景清晰度。

(3) 虛擬儀表系統

虛擬航空儀表系統開發過程,要依托于多種技術并借助許多軟件工具才能完成,其開發工作主要集中在虛擬儀表的外觀,指針,滾動顯示數據條,警告等設計與制作,通訊接口的開發以及外設硬件的驅動三方面,虛擬儀表界面是虛擬儀表制作的主要工作,其界面的逼真度是影響虛擬儀表系統真實感的主要因素。同時,飛行模擬器虛擬儀表系統的開發應該保證具有一定的靈活性,平臺的可移植性和良好的實時交互性,故而對系統軟件開發環境提出了較高的要求。為了保證開發的速度,質量、可擴展性、可移植性,項目選用DISTI公司的GLStudio作為虛擬儀表的主要開發工具,增強了仿真航空儀表系統的快速開發和有效管理,提高了系統快速繪制能力,事實渲染能力和交互能力,并為系統的開放性,平臺一直性提供了技術保障[8]。

在整個仿真儀表開發流程中,主要操作過程是在GLStudio中設計完成的。在整個儀表的開發過程中,主要分為4大設計過程,包括仿真儀表界面的開發、控件驅動方式定義、對按鍵消息的處理、外部網絡通訊程序開發[9]。開發仿真航空儀表執行文件的過程是一個交互循環的過程,如圖7所示。首先建立GLStudio與VC++編譯器的連接,然后編輯圖形界面,利用GLStudio的自動代碼生成器產C++,OpenGL代碼[10]。如果界面不令人滿意,則需要重新編譯,修改和再次生成可執行文件。開發流程如圖7所示[11-13]。

圖6　視景數據庫生產流程圖Fig.6　The process of visual database design

圖7　虛擬儀表開發流程Fig.7　The process of visual meter development

5仿真結果

應用本文提出的設計方法實現的該型初級教練機小組教學輔助訓練系統如圖8所示,三通道視景系統提供了良好的視覺仿真環境,觸摸式虛擬儀表系統提供了良好的交互操縱界面,駕駛桿、腳蹬操縱系統由真實裝備改制而成,具有良好的操縱感覺,系統整體性能滿足了小組教學訓練需要,已經在部隊訓練推廣。

飛行性能仿真系統輸出如圖9所示,圖9中顯示了該型初級教練機位移加速度、角速度在飛機起飛階段的變化情況,對比飛機飛參數據,結合飛行員試飛感覺,飛行性能仿真教好的滿足了訓練需求。

6結論

本文結合學院飛行團隊某型初級教練機小組教學訓練需要,綜合應用數學建模技術、虛擬現實技術、大地景生成現實技術、飛參數據采集處理技術,設計和實現了該型初級教練機小組教學輔助訓練系統。該小組輔助訓練系統的研制和使用,對于提升小組教學訓練質量,保障該型初級教練機飛行訓練安全起到了重要作用,具有較高的軍事和經濟效益。

圖8　某型初級教練機小組教學輔助訓練系統Fig.8　An assistant training system of a certain type of primary trainer aircraft

圖9　飛行性能仿真系統輸出Fig.9　The output of performance simulation system

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周曉光男(1982-),吉林蛟河人,博士,工程師,主要研究方向為飛行仿真,作戰建模。

劉洋男(1982-),遼寧鞍山人,工程師,主要研究方向為飛行仿真,模擬訓練。

中圖分類號：TP391.9

文獻標識碼：A

基金項目：武器裝備軍內科研科學研究項目資助(***模擬訓練裝備應用研究)

An Assistant Training System of a Certain Type of Primary Trainer Aircraft

ZHOU Xiaoguang,LIU Yang,YUE Fuchang

(1.Navalaviationinstitute,Huludao125001,China;2.FlightSimulationCenterof93357Troops,Anshan114225,China)

Abstract：In order to enrich teaching methods and expand the training content of group teaching of flight regiment,according the training needs of group teaching,an assistant training system of a certain type of primary trainer is designed.The system consists of cockpit,flight performance simulation system,three channels visual simulation system,touch type virtual meter system,sound simulation system and assistant teaching system.The system realizes function of cockpit practice,demonstration teaching,take-off and landing flight,instrument flight,flight datum analysis and airspace cognition and navigation.The system is intordiscipline and comprehensive teaching and training system based on computer.The system can improve the quality and short the training time of group teaching and lay the technology foundation for training mode transtition.

Key words：primary trainer; assistant training system; group teaching