飛行模擬器運動系統特效

康 峰

（中國民航飛行學院模擬機訓練中心，廣漢 618307）

0 引言

隨著中國民航事業和中國大飛機制造業快速的發展，飛行模擬器的需求也越來越大。而我國的自主生產全動飛行模擬器發展確非常緩慢，瓶頸就在于運動系統的仿真。本文就將對其運動系統中最關鍵的指標：運動系統特效做出研究。

1 軸系統建立

在三維空間中，描述一個剛體運動要六軸，三軸加速度，三軸角速度，這就叫六自由度。六自由度運動平臺是由六支作動筒，上、下各六只萬向鉸鏈和上、下兩個平臺組成，下平臺固定在基礎上，借助六支作動筒的伸縮運動，完成上平臺在空間六個自由度（俯仰，滾轉 偏航 升降 縱向平移 側向平移）的運動，從而可以模擬出各種空間運動姿態。

以下顯示了模擬器軸系統的定義和編號

X 縱向沿X方向平移 滾轉 繞X軸旋轉

Y 橫向沿Y方向平移 俯仰 繞Y軸旋轉

Z 垂直沿Z方向的平移 偏航 繞Z軸旋轉

2 運動特效

這里著重要研究的就是關于（X Y Z） 方向的移動，以產生諸如湍流；跑道粗糙度；跑道接縫；著陸顛簸等特效，這種運動特殊效果是由運動系統軟件提供，它存儲在運動計算機PC內，可以傳遞一個非零值觸發，傳遞的值為作用“復現”的百分比，一個作用結束以后，傳送一個非零值，就可重復該作用。這些顛簸可以用來提供額外的提示，這將在運動軟件的調整過程中決定。如果不使用顛簸，則應將值設置為零。

頻譜

直接設定點

顛簸

所有的效果對主機都可用，但特殊效果的典型應用如下所示

特殊效果：頻譜；直接設定點；顛簸

飛行模擬器：湍流，跑道粗糙度；齒輪 收縮/伸展 顛簸，跑道接縫；著陸顛簸。

2.1 頻譜

頻譜用于產生湍流、抖振、跑道粗糙度等。頻譜特殊效應由頻率、X增益、Y增益和Z增益變量控制。運動軟件包含20個正弦波發生器。主機可以設定每個發生器的頻率和振幅，以X、Y和Z為單位。

主機必須包含邏輯以確定何時需要某種效果。氣流和跑道粗糙度的仿真通常由教員選擇。抖振，例如由于速度剎車的延伸，取決于飛機的配置。主機可以預先設置頻率變量，以覆蓋所需的整個頻率范圍，例如

Q1=1.9HZ ；Q2=2.15HZ ；Q3=2.7HZ；Q4=3.1HZ ；Q5=3.5HZ ；Q6=4.0HZ；

Q7=5.1HZ；Q8=5.5HZ ；Q9=6.6HZ ；Q10=7.7HZ ；Q11=9.0HZ；Q12=10.2HZ

Q13=11.5HZ；Q14=12.5HZ；Q15=14.5HZ；Q16=17HZ；Q17=21.0HZ

Q18=23.0HZ；Q19=25.0HZ；Q20=30.0HZ

為了提高信號的隨機性，一個或多個頻率可能包含隨機分量Q15 = 13，0 … 16，0 Hz.

當主機檢測到需要某種效果的條件時，主機會設置所需頻率的增益。例如，要產生一些湍流

Y增益10 0.2 m/s2 Z增益11 0.1 m/s2

Y增益11 0.4 m/s2 Z增益12 0.3 m/s2

Y增益12 0.8 m/s2 Z增益13 1.2 m/s2

Y增益13 0.4 m/s2 Z增益14 0.7 m/s

運動計算機連續計算20個正弦波，結果將是Y和Z方向的“湍流運動”。如果同時需要不同的效果，主機應添加增益。當不需要任何效果時，增益應設置為零。

所需頻率和增益可從以下方面得出：

飛行試驗數據

分析結果

試錯法

2.2 直接設定值

直接設定點可用于產生跑道接縫，起落架伸出和收回所產生的顛簸等。直接設定值使用（x_ 直設值、y_ 直設值 和z_ 直設值） 變量控制，由運動軟件提供這三個輸入，信號被過濾（低通和高通），并在轉換到慣性軸系統之前受到限制。

下面舉例說明，跑道接縫效應將使用（z_直設值）進行模擬。主機應該計算的（z_直設值如），飛機在滑行時，大約每秒鐘都會遇到跑道接縫，當前輪與接縫交叉時，會感覺到一個很大的顛簸，當主輪與接縫交叉時，會感覺到較軟的顛簸。

主機應該計算的（z_直設值）如下圖所示。

主機應包含邏輯，在前輪越過接縫時將z_直設值為0.002，然后將z_直設值為0，然后在主輪越過接縫時將z_直設值為0.001，然后將z_直接再次設值為0。顛簸之間的時間應由主機計算，并取決于飛機的速度、距離，前輪和主輪之間的距離和跑道接縫之間的距離。

注意，在本例中，z_直設值的最大值僅為0.002 m，在運動系統的調諧過程中，通過反復試驗可以找到產生系統最佳的值。

2.3 顛簸

顛簸可用于產生著陸顛簸等，顛簸是存儲在運動計算機中的短波形，可以由主計算機觸發。當主計算機觸發顛簸時，它將發送一次，當主計算機觸發顛簸時。它會自動設置顛簸的振幅。顛簸的持續時間取決于存儲波形的長度。

列如在飛機著陸形態中，顛簸#1用于生成前起落架的著陸顛簸，顛簸# 2用于生成主起落架的著陸顛簸。下圖將顯示顛簸觸發，主機必須確定著陸和顛簸強度，以下假設主起落架硬著地，彈跳著，然后軟著地，前起落架正常著地的波形圖。

這里也可以用負振幅觸發顛簸，波形將“用負號”回放。

3 結束語

本文研究了在飛行模擬器中運動系統的運動特效，這也是飛行模擬器中一個很重要的指標之一。運動系統用以太網與主機通訊。主機發送給定值和指令來控制運動系統。接口控制平臺運動的手段比較靈活，可以通過運動計算機中的洗出過濾器來控制，也可以通過附加的自由度給定值來控制。主機接收實際值以及狀態信號，對運動系統的性能進行監控。