艦載基礎(chǔ)能力訓(xùn)練動感模擬器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周曉光,劉劍超,俞藝涵,穆 陽

(海軍航空大學(xué)教練機(jī)模擬訓(xùn)練中心,遼寧 葫蘆島 125001)

1 前言

艦載機(jī)著艦一般采取恒定仰角,定常下滑的著艦方式,著艦反區(qū)操縱的要點(diǎn)是“看燈、對中、保角”。“保角”,是艦載機(jī)著艦的術(shù)語。艦載機(jī)進(jìn)近階段,艦載機(jī)進(jìn)入反區(qū)操控區(qū)域,艦載機(jī)飛行員通過駕駛桿保持飛機(jī)仰角,通過油門控制飛機(jī)下降仰角和下滑梯度,以實(shí)現(xiàn)艦載機(jī)下滑道精確控制,控制難度極大。飛行模擬器具有保障安全、節(jié)約經(jīng)費(fèi)、提高效益等特點(diǎn),是艦載機(jī)飛行員培養(yǎng)的重要手段,在艦載機(jī)飛行員培養(yǎng)中占據(jù)著十分重要的地位。文獻(xiàn)[1]對某型艦載機(jī)FCLP模擬訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì);文獻(xiàn)[2]對艦載機(jī)飛行訓(xùn)練模擬器視景系統(tǒng)進(jìn)行了探論。諸多文獻(xiàn)對艦載機(jī)飛行模擬器進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究[3,4],然而在設(shè)計(jì)過程中沒有突出艦載模擬訓(xùn)練特點(diǎn)。本文針對某型教練機(jī)飛行模擬訓(xùn)練現(xiàn)實(shí)需求,結(jié)合反區(qū)操縱“看燈、對中、保角”的特殊要求,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了該型教練機(jī)艦載基礎(chǔ)能力訓(xùn)練動感模擬器,創(chuàng)造性地將小型六自由度運(yùn)動平臺運(yùn)用與該型教練機(jī)模擬訓(xùn)練之中,大大地提升了該型教練機(jī)飛行模擬器的逼真度。

2 總體設(shè)計(jì)

2.1 組成結(jié)構(gòu)

某型教練機(jī)艦載基礎(chǔ)能力訓(xùn)練動感模擬器采用虛擬現(xiàn)實(shí)與實(shí)物座艙相結(jié)合、分布式仿真的技術(shù)方案,實(shí)現(xiàn)對該型教練機(jī)的功能的仿真,為飛行員提供訓(xùn)練環(huán)境。系統(tǒng)主要由結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)、座艙仿真分系統(tǒng)、小型六自由度運(yùn)動平臺、飛行性能仿真分系統(tǒng)、視景仿真分系統(tǒng)、教員制臺等13個分系統(tǒng)組成,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。相對于采用大型六自由度運(yùn)動平臺的飛行模擬器,基于小型六自由度運(yùn)動平臺的飛行模擬器,小型運(yùn)動平臺位于視景球幕內(nèi),可產(chǎn)生飛行員模擬訓(xùn)練所需動感提示,在提高仿真逼真度的同時,具有造價(jià)低、占地空間小、使用方便等特點(diǎn),具有更為廣泛的應(yīng)用前景。

2.2 工作原理

飛行模擬過程中,由控制臺分系統(tǒng)控制全系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)通過輸入設(shè)備(包括駕駛桿、油門桿、腳蹬等)實(shí)時采集飛行員的操控信號,實(shí)時解算飛機(jī)性能、大氣等數(shù)學(xué)模型,并將解算的飛行狀態(tài)等參數(shù)發(fā)送給視景仿真、音響仿真、儀表仿真、控制臺等分系統(tǒng)。視景仿真分系統(tǒng)實(shí)時調(diào)用三維視景模型(包括地景模型和目標(biāo)實(shí)體模型),生成并驅(qū)動三維場景,并在顯示器上輸出;音響仿真模塊調(diào)用音響素材,合成音響信號并加以驅(qū)動,最終輸出到音響設(shè)備;儀表仿真模塊通過接收的飛行數(shù)據(jù),實(shí)時驅(qū)動虛擬儀表更新數(shù)據(jù)。操縱人員對所看到和所聽到的信息進(jìn)行反饋,做出正確的操控,從而構(gòu)成人在回路中的閉環(huán)仿真。系統(tǒng)工作原理如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作原理示意圖

3 運(yùn)動系統(tǒng)

3.1 運(yùn)動平臺結(jié)構(gòu)

小型六自由度運(yùn)動平臺為Stewart并聯(lián)結(jié)構(gòu),主要由上動平臺、下靜平臺、虎克鉸鏈、電動缸和伺服電機(jī)組成,如下圖3所示。伺服電機(jī)控制六條電動缸伸長量變化,以實(shí)現(xiàn)上動平臺六自由度運(yùn)動。

圖3 小型六自由度運(yùn)動平臺結(jié)構(gòu)

1)上動平臺。上動平臺為仿真座艙承載平臺,其設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮三個方面內(nèi)容:一是尺寸要與仿真座艙底座一致,長1.8米、寬1.37;二是結(jié)構(gòu)要滿足安全需求,承載1噸重物體不變形,采用優(yōu)質(zhì)的鋼材焊接而成;三是重量要小,避免因上動平臺質(zhì)量過大而影響運(yùn)動平臺的動態(tài)性能。

2)下靜平臺。下靜平臺為小型六自由度運(yùn)動平臺的固定平臺,根據(jù)平臺整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),下靜平臺長2.8米、寬1.6米。下靜平臺主要由三部分組成:一是支架系統(tǒng),提供下靜平臺框架,采用優(yōu)質(zhì)的鋼材焊接而成;二是伺服控制系統(tǒng),裝置在下靜平臺后置機(jī)柜;三是電腦主機(jī)系統(tǒng),裝置在下靜平臺前置機(jī)柜內(nèi)。下靜平臺的固定方式采用地上打膨脹螺絲方式進(jìn)行固定。

3)虎克鉸連。電動缸與上下平臺連接采用虎克鉸鏈方式,適用于兩軸間有較大角位移的連接,且安全可靠,維護(hù)方便。

4)電動缸

電動缸如圖4所示,電動缸類型為折返式,絲杠導(dǎo)程420mm,額定出力2.5kN,額定速度250mm/sec,額定轉(zhuǎn)矩2.39Nm,額定轉(zhuǎn)速3000rpm,限位開關(guān)2個,安裝方式前后鉸鏈座。

圖4 電動缸整體圖

5)伺服電機(jī)及驅(qū)動器

司服電機(jī)型號選取三菱;型號:HJ-KS73BJ,司服電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩3.5N.M;額定轉(zhuǎn)速3000rpm;額定電流4.5A。

3.2 平臺結(jié)構(gòu)參數(shù)

平臺結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖5所示。其中,上平臺直徑為1032.5mm;電缸最長距離為1115mm;電缸最短距離715mm;下平臺直徑為1224.1mm;上平臺支點(diǎn)間最小圓心角為11.12°,下平臺支點(diǎn)間最小圓心角11.25°,上平臺支點(diǎn)間最短距離為100mm,下平臺支點(diǎn)間最短距離為120mm。

圖5 平臺參數(shù)示意圖

圖6 平臺俯仰角度仿真圖

圖7 平臺翻滾角度仿真圖

圖8 平臺偏航角度仿真圖

圖10 平臺縱蕩仿真圖

圖11 平臺橫蕩仿真圖

3.3 平臺運(yùn)動空間

1)俯仰角度為23.22°和23.88°,大于要求±20°。(2)翻滾角度為±25.07°,大于要求±20°。偏航角度為±35.07°,大于要求±25°。

2)垂直位移為419mm,大于要求400mm。縱向向位移為±270mm,大于要求±200mm。橫向位移為±300mm,大于要求±200mm,符合設(shè)計(jì)要求。

4 洗出算法

由于Stewart平臺電動缸伸長量有限,因此上動平臺運(yùn)動范圍有限,不能完全再現(xiàn)真實(shí)飛機(jī)的運(yùn)動軌跡[5]。必須采取特殊的算法,在確保產(chǎn)生模擬飛行所需的動感提示的條件下,又要保證運(yùn)動平臺運(yùn)行在安全范圍內(nèi),這種算法稱為洗出算法。洗出算法是Stewart運(yùn)動平臺的重要組成部分,設(shè)計(jì)好壞直接影響飛行模擬器性能和逼真度。

4.1 經(jīng)典洗出算法

經(jīng)典洗出算法的原理圖如圖12所示,主要由高頻加速度濾波HPT、低通加速度濾波LP和高通角加速濾波HPR組成。兩個高通濾波分別實(shí)現(xiàn)對位移加速度和角速度的濾波。低通加速度濾波LP實(shí)現(xiàn)了一個傾斜協(xié)調(diào)通道,通過角度實(shí)現(xiàn)低頻加速度模擬[6,7]。經(jīng)典洗出算法的主要優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡單,執(zhí)行速度快,參數(shù)少,設(shè)計(jì)過程簡單。

圖12 經(jīng)典洗出算法原理

4.2 經(jīng)典洗出算法設(shè)計(jì)

洗出算法中傳遞函數(shù)主要包括四個:比例環(huán)節(jié)K、高通加速度濾波HPT、低通加速度濾波LP和高通角加速濾波HPR,其中比例環(huán)節(jié)K取值一般設(shè)定為1。三個濾波器傳遞函數(shù)如表1所示。

表1 濾波器傳遞函數(shù)

其中,s為拉普拉斯復(fù)變量;ωn為高通濾波截止頻率;ωLP為低通濾波截止頻率;ζLP為低通濾波阻尼比。對于中小型飛機(jī),關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置的參考值為濾波比例=1.0;ωn=2.5rad/s,ωLP=5.0rad/s和ζLP=1[8-10]。相關(guān)參數(shù)根據(jù)飛行員試飛主觀感受需要進(jìn)一步調(diào)整。

5 仿真分析

5.1 仿真樣機(jī)

研制的某型初教機(jī)艦載基礎(chǔ)能力訓(xùn)練動感模擬器樣機(jī)如圖13所示,系統(tǒng)主要由仿真座艙、小型六自由度運(yùn)動平臺、視景系統(tǒng)、教員控制臺、網(wǎng)絡(luò)接口系統(tǒng)等組成。全仿真座艙位于環(huán)形柱幕內(nèi),確保飛行員視點(diǎn)位置在球心。仿真座艙下置小型六自由度運(yùn)動平臺,運(yùn)動平臺通過地上打膨脹螺絲方式進(jìn)行固定。

圖13 動感飛行模擬器樣機(jī)

5.2 仿真結(jié)果分析

根據(jù)飛行員體驗(yàn)效果,經(jīng)多次試飛體驗(yàn),逐一對參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整,最終確定相關(guān)參數(shù)。動感模擬器位移加速度濾波情況如圖14所示,角速度濾波情況如圖15所示。經(jīng)濾波后,驅(qū)動桿長度在安全范圍內(nèi),并提供飛行員感受到加速度和角速度與實(shí)際飛機(jī)相似的感知,大大提高了飛行模擬器逼真度。

圖14 位移加速度濾波情況

圖15 角速度濾波情況

由于模擬器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上視景顯示系統(tǒng)未安裝在運(yùn)動平臺之上,此結(jié)構(gòu)存在因運(yùn)動平臺運(yùn)動而導(dǎo)致與視景系統(tǒng)錯配問題。解決方法主要有兩種:一是對視景系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償,消減運(yùn)動平臺運(yùn)動而導(dǎo)致的角不一致問題;二是合理設(shè)置運(yùn)動平臺洗出算法參數(shù),減少小角度度模擬中運(yùn)動平臺的運(yùn)動,減弱小角度度模擬中運(yùn)動平臺運(yùn)動對視景運(yùn)動的影響。經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn),第一種方法因視景運(yùn)動和平臺運(yùn)動同步問題難以解決,進(jìn)一步補(bǔ)償容易引發(fā)眩暈。

第二種方法簡單,濾波算法耗時小,容易實(shí)現(xiàn),且飛行員反饋逼真度更好,因此采用第二種方法。

遴選有豐富經(jīng)驗(yàn)的多名飛行員,先角度后位移,先單通道后多通道的順序,反復(fù)試飛,最終確定濾波算法的關(guān)鍵參數(shù)值。

6 結(jié)論

針對某型初教機(jī)艦載基礎(chǔ)能力模擬訓(xùn)練需要,設(shè)計(jì)了基于小型六自由度運(yùn)動平臺的動感飛行模擬器。該型模擬器具有占地空間小,造價(jià)低,仿真逼真度高等特點(diǎn),極具推廣價(jià)值。基于經(jīng)典洗出算法,實(shí)現(xiàn)了該型模擬器的運(yùn)動控制。仿真結(jié)果顯示,該型模擬器可以有效提供飛機(jī)的動感提示,大大提升了仿真逼真度。后續(xù)將進(jìn)一步研究動感模擬器洗出算法優(yōu)化問題。