直升機飛行訓練系統的研究與應用

王衛軍，宗安漢，王 建，張 弓，王 壇，周成鵬

(1.深圳市中科德睿智能科技有限公司，深圳 518109；2.廣州先進技術研究所，廣州 511458)

0 引言

隨著通用航空需求的不斷擴大，直升機以其獨有的機動性和靈活性而被廣泛應用，數量正在飛速增長。但是因為缺乏相關技術的研究與創新，導致直升機飛行員的培訓手段單一，只能依賴于真機或模擬機(器)。周期長、成本高等問題嚴重制約著通用航空領域的持續發展。

飛行模擬器具有操作逼真、使用靈活、維護容易等優點。因此，作為科學研究、飛行員培訓和新型飛機設計研發的基本工具，航空領域十分依賴飛行模擬器[1]。而直升機模擬器技術則是在固定翼飛行模擬器的基礎上發展而來的，可通過對直升機運動狀態的仿真還原來模擬真實的飛行狀況[2]。EU認為，隨著技術的進步和成本的下降，使用模擬器進行安全、經濟和環保駕駛訓練的優勢變得更加明顯。但是，訓練模擬器也要根據相關部門的規定和要求制定嚴格的方法和標準[3]。RC等對某型直升機的進行了動態建模，并對其進行仿真，從而驗證了系統的穩定性[4]。夏偉提出通過虛擬現實(virtual reality,VR)給飛行模擬器帶來沉浸感[5]，從而提升培訓效率的想法但并未有實際應用。劉金峰則在直升機模擬器上搭載了VR視景仿真系統，并進行了整體性能測試，效果良好[6]。栗英杰深入研究了直升機飛行模擬器的動力學分析、視景仿真等關鍵技術，并成功應用，驗證了其可行性[7]。馮云龍通過研究相關算法并提出模糊優化洗出算法，由仿真試驗驗證了該算法對直升機模擬器提升運動臨場感的有效性[8]。程海濤基于VR技術開發了直升機飛行模擬器，可以實現直升機多種姿態和飛行狀況的模擬，但是因缺少音頻使得沉浸感大幅下降[9]。李進基于最新的標準規范設計了某些直升機飛行模擬器的設計方案，并開發了相應的仿真模型，明確了訓練需求，但視景系統并未結合VR/增強現實(allgmented reality,AR)技術以提升真實感[10]。

六自由度并聯平臺可以提供縱向、橫向、垂向、俯仰、橫滾、偏航6個自由度的運動，廣泛應用于汽車、飛機、艦船的運動模擬[11-12]。對于直升機飛行模擬，不僅需要六自由度并聯平臺帶來運動模擬反饋，還需要結合VR技術提供實時3D視覺反饋，從而更真實地還原直升機飛行體驗，為直升機飛行培訓等提供幫助[13]。

因此，本文以六自由度并聯平臺作為運動平臺，建立直升機與六自由度并聯平臺的姿態映射關系，通過2g的最大加速度、30 Hz震感，以及結合VR技術，使飛行員在控制操縱桿模擬飛行訓練時可實現更逼真的臨場感體驗。

1 控制原理

1.1 主從控制模式

本文所開發的直升機飛行訓練系統使用主從控制模式。由于直升機與六自由度并聯平臺都擁有空間中沿x、y、z三軸的移動和繞x、y、z三軸的旋轉，共6個自由度運動，正好一一對應形成映射關系。以直升機的運動位姿為主動、六自由度并聯平臺的位姿為從動，二者在空間中點對點對應，可以最大限度地還原真實感，也便于系統的實現。

本文采用的主從控制模式流程如圖1所示。

圖1 主從控制模式流程圖

當飛行員駕駛模擬直升機時可輸出運動姿態(xH,yH,zH,αH,βH,γH)，經過(kx,ky,kz,kα,kβ,kγ)的比例映射,可以得到六自由度并聯運動平臺的輸入姿態(xS,yS,zS,αS,βS,γS)。再對其進行運動學反解，即可得到各軸桿長(l1,l2,l3,l4,l4,l5)。

1.2 運動學反解

六自由度并聯平臺結構如圖2所示[14]。

圖2 六自由度并聯平臺結構簡圖

為了說明直升機與并聯平臺的姿態映射關系，需要建立六自由度并聯平臺的運動學反解模型[15]。根據并聯機構相關理論，以動平臺M的中心p為原點建立動坐標系p-xyz，并且固聯于動平臺M，同時px軸、py軸始終在動平臺M的平面內，px軸也垂直于M5M6；以靜平臺N中心O為原點建立靜坐標系O-XYZ，并且固聯于靜平臺N，同時OX軸、OY軸始終在下平臺N的平面內，OX軸也垂直于N5N6，

假設上平臺位姿的廣義坐標為A=[x,y,z,α,β,γ]。其中：x、y、z為動坐標系原點p在靜坐標系中的坐標；α、β、γ為動坐標系原點p相對于靜坐標系的歐拉角表示。

根據歐拉角及旋轉變換理論，有旋轉矩陣：

(1)

動坐標系到靜坐標系的齊次變換矩陣為：

(2)

(3)

由式(3)可得第i軸驅動桿的長度為：

(4)

基于此，六自由度并聯平臺便可以根據需要模擬的直升機姿態作出相應的動作和變化。

2 系統設計

2.1 硬件設計

本系統的并聯平臺除了可以提供6個自由度的運動外，還具有運動范圍廣、震感明顯、負載大的特點。其運動控制器為六軸控制卡。STM32核心強大的運算能力，可以實時控制平臺運動、監控限位信號并提供危險警示。臺達伺服驅動配合力姆泰克電缸組成的驅動系統，可以保證平臺高強度、高速度和高精度的運動，同時也具備斷電保護功能。另外，磁感應式限位開關不僅體積小巧、使用方便，而且性能可靠。

六自由度并聯平臺如圖3所示。

圖3 六自由度并聯平臺

操控裝置為專業級直升機飛行操控套件，包括總距桿、方向舵、腳蹬和若干航電按鈕。操控裝置采用模塊化設計，外觀完全仿照真實直升機操縱桿，并具有力反饋裝置，支持自定義功能，能夠滿足各型直升機駕駛環境和功能的需求。

直升機飛行操控套件如圖4所示。

圖4 直升機飛行操控套件

HTC VIVE Pro虛擬交互設備為當前市場上的高端產品。其HMD內置六自由度定位芯片，可以實現360°頭部追蹤；具備3K高清屏、90 Hz刷新率、3D立體空間音效，可以營造身臨其境般的感官效果，并通過配套的無線手柄進行虛擬交互。同時，本飛行訓練系統也配備了普通顯示器，以照顧部分對VR有不適的人群，也方便教員輔助指導。

計算機配置為：Win10系統；Intel i9-9900k處理器；Titan RTX顯卡；32 GB雙通道內存。

系統控制結構如圖5所示。操控裝置通過USB與主機相連。VR眼鏡通過DP和USB與主機相連。顯示器通過視頻圖形陣列(video graphics array,VGA)與主機相連。主機通過以太網與運動控制器連接。

圖5 系統控制結構圖

2.2 軟件設計

本直升機飛行模擬系統使用Xplane11，內置包括民航客機、固定翼、直升機在內的多種類型各種型號的飛機參數，從外觀結構到內飾儀表都極致還原真機。地理環境涵蓋了全球80%以上的機場。天氣系統也可以模擬晴、雨、云、雪等任何氣象條件。Xplane11還保留了二次開發的空間，用戶不僅可以自行設計飛機模型導入使用，還采集了包括方位、速度、加速度、角度等百余項飛行數據供用戶提取使用。

Xplane11視角如圖6所示。

圖6 Xplane11視角圖

飛行模擬控制軟件基于C#語言自主開發，可實現與Xplane11的數據交互和控制運動平臺動作。由于Xplane官方支持的數據通信方式十分復雜，因此飛行模擬控制軟件與Xplane11間的UDP通信通過插件XPlaneConnect實現。XPlaneConnect是由NASA專門為Xplane通信設計的一款開源插件，說明教程詳細豐富、使用開發方便快捷。其眾多的內置函數可通過UDP/IP協議(IP:127.0.0.1，Port：49000)從Xplane11接收飛機的實時動態數據，包括三軸位移、加速度、角度等。飛行模擬控制軟件再通過UDP/IP協議(IP:192.168.0.1，Port:8000)向下位機發送飛機的實時動態數據，經運動學反解運動平臺可對直升機的飛行狀態進行實時模擬。飛行控制軟件在每次啟動時，會命令運動平臺回零校正，飛行模擬前再回中復位。此時，運動平臺各自由度運動范圍最大，模擬性能最佳。另外，飛行模擬控制軟件還集成了飛行訓練大綱和教學課件，并能記錄用戶的飛行數據，以便訓練科目的實施。飛行訓練系統邏輯框圖如圖7所示。

圖7 飛行訓練系統邏輯框圖

2.3 系統搭建

搭建好的直升機飛行訓練系統如圖8所示。飛行訓練系統包括并聯平臺、操控裝置、視景顯示單元、主機、運動控制器和伺服。并聯平臺、操控套件和VR設備能夠真實地還原直升機駕駛的環境和功能。主機在接收到操縱桿信號后，令視景畫面內的直升機作出相應動作，同時向運動控制器發送模擬平臺運動指令。運動控制器完成指令解碼即可驅動伺服電機，使模擬平臺完成直升機的飛行姿態模擬。

圖8 直升機飛行訓練系統示意圖

3 試驗研究

為了驗證所開發的直升機飛行模擬訓練系統的實際應用效果，本文邀請了飛行員進行模擬飛行訓練。

試驗采集了一段時間內模擬飛行時直升機的姿態數據和六自由度并聯平臺的六軸數據。其中：0～5 s為復合運動；5～15 s為偏航運動；15～25 s為橫滾運動。由此可見，本文所開發的系統確實能較好地完成直升機飛行模擬的相關動作。

三軸加速度變化如圖9所示。

圖9 三軸加速度變化圖

角度變化如圖10所示。

圖10 角度變化圖

六軸缸長變化如圖11所示 。

圖11 六軸缸長變化圖

由圖9～圖11可知，本文所設計的VR直升機飛行訓練系統能通過VR技術和六自由度并聯平臺為飛行員的模擬飛行帶來更優的感官體驗，不僅可以模擬日常的飛行訓練，規范操作技能、培養安全意識，還可以模擬困難復雜項目，例如海上平臺起降展開針對性訓練模擬。模擬飛行后，對5名飛行員從功能性、逼真性和實用性這3個方面進行意見采集。反饋意見顯示，該飛行訓練系統非常接近真實飛行駕駛體驗，逼真度較高，可在一定程度上輔助飛行訓練任務。

4 結論

本文開發的基于VR的直升機飛行訓練系統，能夠較好地還原直升機駕駛環境，模擬直升機機動狀態，并能擔負部分訓練科目，對培養飛行員的程序化操作和安全意識有積極作用。經多位飛行員體驗后反饋，本系統模擬逼真度高，具有良好的實際應用效果。