飛行模擬訓練設備運動平臺發展研究*

先文俊 高山

中國民用航空飛行學院 新津分院 四川 成都 611431

引言

隨著民航事業和中國國產大飛機制造業的飛速發展，飛行模擬訓練設備的需求空間也越來越大。由于飛行模擬訓練設備不受時間、地點、天氣等因素的影響，所以在安全性、經濟性、環保性都有著無可比擬的優勢，世界各地對于飛行模擬訓練設備的研發不斷更新迭代，而我國的全動飛行模擬訓練設備一直處于滯后階段。如果將其中關鍵性技術運動控制系統進行突破將會帶領國產全動飛行模擬訓練設備邁出巨大的一步。本文將會對六自由度飛行模擬訓練設備的運動控制系統的發展歷程、工作原理以及不同運動系統之間的性能進行介紹[1]。

1 運動控制平臺工作原理

飛行模擬訓練設備的一般都是由視景系統、運動控制系統、座艙、教控臺以及計算機系統五大部分組成。其中運動控制系統最為復雜，主要是控制飛行模擬訓練設備的運動姿態以及速度的變化，讓飛行員們能真實地感受到瞬時過載的動感，重力分量的持續感，跑道粗糙的顛簸感以及飛行模擬訓練設備著落時產生的沖擊感等特效信息。飛行模擬訓練設備的運動系統實質上是通過支撐模擬器的六個可通過計算機變換長度的作用筒來完成控制的。在三維空間中，準確的描述一個物體的運動通常需要六個軸，其中包括三軸的加速度和三軸的角速度，這就是我們所說的六自由度。通過六自由度平臺可以完成滾轉、俯仰、升降、偏航、縱向平移、側向平移，從而可以模擬出飛行器在空中的各種姿態。在模擬器中對運動軸系統進行了定義和標號，繞X軸旋轉命名為滾轉，繞Y軸旋轉命名為俯仰，繞Z軸旋轉命名為偏航，X縱向沿X方向平移命名為縱向平移，Y橫向沿Y方向平移命名為側向平移,Z垂直向沿Z方向平移命名為升降。六自由度的運動姿態和速度改變都是由仿真計算機進行運算，給出3個角加速度和3個軸加速度，通過洗出環節計算出飛行模擬訓練設備需要的位置坐標和姿態角，運用坐標轉換和矢量算換算出六個作用筒所需的長度，在通過對比上一節拍長度就能計算出作用筒的長度變化量，從而完成飛行模擬訓練設備在位置和姿態控制的雙閉環控制。飛行模擬訓練設備的運動特效（沖擊、抖動等等）也是通過仿真計算機傳遞一個非零值進行觸發，非零值存儲在計算機內部，由軟件系統進行提供，隨時可以根據模擬器的飛行情況進行調整，如果要保持飛機平緩飛行，不使用顛簸就可以把這值設置為零。由于運動控制平臺形成有限，而且作用筒的本身性能上的限制，有些運動特效不能百分百復刻真實飛機，但是盡量在機動操作中，保證運動特效在初始階段和真飛機一致，并且可以對飛行員操作進行有效跟隨[2]。

圖1 六自由度基本架構

2 液壓平臺與電動平臺的分析研究

2.1 兩種運動平臺發展比較分析

與國外比較，我國對于飛行模擬訓練設備運動平臺研究起步較晚并且對于國際上先進運動平臺研究成果較少。從而導致我國在飛行模擬訓練設備上使用的六自由度液壓運動平臺長期依賴國外進口，有著30多年的進口歷史。國內對于六自由度液壓運動平臺也有著20多年研究歷史，隨著非對稱伺服閥技術和靜壓支撐液壓技術等為代表的六自由度運動平臺整體技術的成熟，國家整體經濟的騰飛，加上對自主產權的高度重視，我國的六自由度運動平臺崛起迅速，與國外的差距逐漸縮小，因此在國內的飛行模擬訓練設備行業得到了廣泛的應用。1994年世界上第一套六自由度電動運動平臺從FSC模擬器系統公司誕生以來，對于它在飛行模擬訓練設備上的運用在不斷推進和完善。2006年5月，美國飛安國際公司和Moog FSC共同研制完成了世界上第一臺完全采用電動運動平臺獲得美國聯邦航空局頒發的D級證書的民用全功能模擬飛行器。正是由于這臺機器的誕生，標志了未來飛行模擬訓練設備運動平臺的發展方向與趨勢。相對于國外，國內對于電運動平臺的主要研發方向還是武器系統，不過今年來其用于飛行訓練訓練設備的占比逐漸增加。

2.2 兩種運動平臺組成及工作原理

六自由度液壓運動平臺的組成主要由：控制系統、電力系統、機械系統、驅動系統和液壓站，其中控制系統包括計算機系統與軟件、液壓伺服控制系統、安全保護系統和故障檢測系統。六自由度電動運動平臺組成由：控制系統、電力系統、機械系統、驅動系統、氣壓支撐系統和潤滑系統，其中控制系統包括計算機與軟件、電力伺服控制系統、安全保護系統和故障檢測系統。從組成結構上比較，電動控制運動平臺潤滑系統和液壓運動運動平臺的液壓站實質上具有相同的工作原理，結構組成的難易程度也大同小異，只是在供壓和流量控制上有諸多區別。其中最大的差異就是氣壓支撐系統，之所以電動運動平臺多出一個氣壓支撐系統，其目的是提高平臺的穩定度，減少故障率，減少維護成本，增加平臺使用年限。需注意其余系統在名稱上雖然是一致的，但是其組成上和工作原理是天差地別[3]。

不管是液壓還是電動運動平臺工作原理都是由控制計算機實時接受來自模擬器的各種控制指令，在經過伺服器相應算法計算出運動平臺控制信息，通過接口電路傳達給相應的六個氣壓或液壓筒驅動其做出相應的運動特效。作用筒的伸縮長度通過壓力反饋和速度反饋以及位置反饋給伺服回路從而形成一個完成閉環控制。液壓運動平臺的能源需要通過驅動系統的伺服控制閥來控制整個液壓系統的穩定，而電動運動平臺的能源則是通過電力伺服系統直接控制電機驅動器從而控制整個電子系統。兩中運動平臺都有獨立的用于監視整個系統的計算機，以保障整個模擬器系統的安全，一旦發生故障，系統就會自動進入故障處理程序。兩種運動平臺其主要區別在于液壓運動平臺僅需要簡單潤滑，而電動平臺高速運動的機械器件產生的摩擦需要一個專門的潤滑體系來提供滑油。除此之外，為了減小驅動功率，為電動運動平臺配備了一套氣壓系統平衡系統來平衡運動平臺的靜載，所以需要有一個供氣站和一套平衡控制以及相應的檢測裝置。

圖2 六自由度液壓運動平臺組成

圖3 六自由度電運動平臺組成

2.3 兩種運動平臺的優缺點

液壓運動平臺在國內經過幾十年的發展與研究，在非對稱伺服閥技術、伺服閥控制技術以及靜壓支撐液壓缸技術等等技術有著突破性的發展，在有些關鍵性領域有著國際領先水平，在國內有著數十項成功案例，得到了廣泛的認可。而且平臺結構簡單，使用成本較低，作用筒發出的噪聲低，有著可靠的運動平滑性和加速性。電動運動平臺在進入國內時間較短，而且在三項關鍵性技術被國外壟斷：電機控制DSP的軟件與硬件技術、大功率驅動器技術、交流伺服電機。對于國內來說，電動運動平臺的研究與設計勢必困難重重，需要投入大量的人力、物力。但是電動運動平臺相當于液壓運動平臺可以更加真實的再現飛機的運動特性，在控制精度與靈敏度有著更加完美的表現。電動運動平臺相比于液壓運動平臺可以節約75%的電量，不需要液壓泵等器件，安全性能更加優秀。不同的運動平臺有著不同問題，在選著運動平臺時還需結合實際情況，以免在某些技術要求上不達標[4]。

3 未來與展望

全動模擬機伴隨六自由度電動運動平臺引入，不管是在飛行駕駛體驗上，還是在維護工作上有了巨大的提升。電動運動平臺的在飛行模擬訓練設備的迅速發展以及應用將會完全取代現有的液壓運動平臺。提高我國電動運動平臺技術制造水平和理論研究水平，加快突破國外的技術封鎖，對于我國民航強國與軍事強國具有深遠的戰略意義。