艦載基礎能力訓練動感模擬器設計與實現

周曉光,劉劍超,俞藝涵,穆 陽

(海軍航空大學教練機模擬訓練中心,遼寧 葫蘆島 125001)

1 前言

艦載機著艦一般采取恒定仰角,定常下滑的著艦方式,著艦反區操縱的要點是“看燈、對中、保角”。“保角”,是艦載機著艦的術語。艦載機進近階段,艦載機進入反區操控區域,艦載機飛行員通過駕駛桿保持飛機仰角,通過油門控制飛機下降仰角和下滑梯度,以實現艦載機下滑道精確控制,控制難度極大。飛行模擬器具有保障安全、節約經費、提高效益等特點,是艦載機飛行員培養的重要手段,在艦載機飛行員培養中占據著十分重要的地位。文獻[1]對某型艦載機FCLP模擬訓練系統進行了設計;文獻[2]對艦載機飛行訓練模擬器視景系統進行了探論。諸多文獻對艦載機飛行模擬器進行了設計研究[3,4],然而在設計過程中沒有突出艦載模擬訓練特點。本文針對某型教練機飛行模擬訓練現實需求,結合反區操縱“看燈、對中、保角”的特殊要求,設計實現了該型教練機艦載基礎能力訓練動感模擬器,創造性地將小型六自由度運動平臺運用與該型教練機模擬訓練之中,大大地提升了該型教練機飛行模擬器的逼真度。

2 總體設計

2.1 組成結構

某型教練機艦載基礎能力訓練動感模擬器采用虛擬現實與實物座艙相結合、分布式仿真的技術方案,實現對該型教練機的功能的仿真,為飛行員提供訓練環境。系統主要由結構分系統、座艙仿真分系統、小型六自由度運動平臺、飛行性能仿真分系統、視景仿真分系統、教員制臺等13個分系統組成,系統結構如圖1所示。相對于采用大型六自由度運動平臺的飛行模擬器,基于小型六自由度運動平臺的飛行模擬器,小型運動平臺位于視景球幕內,可產生飛行員模擬訓練所需動感提示,在提高仿真逼真度的同時,具有造價低、占地空間小、使用方便等特點,具有更為廣泛的應用前景。

2.2 工作原理

飛行模擬過程中,由控制臺分系統控制全系統的運行狀態。系統通過輸入設備(包括駕駛桿、油門桿、腳蹬等)實時采集飛行員的操控信號,實時解算飛機性能、大氣等數學模型,并將解算的飛行狀態等參數發送給視景仿真、音響仿真、儀表仿真、控制臺等分系統。視景仿真分系統實時調用三維視景模型(包括地景模型和目標實體模型),生成并驅動三維場景,并在顯示器上輸出;音響仿真模塊調用音響素材,合成音響信號并加以驅動,最終輸出到音響設備;儀表仿真模塊通過接收的飛行數據,實時驅動虛擬儀表更新數據。操縱人員對所看到和所聽到的信息進行反饋,做出正確的操控,從而構成人在回路中的閉環仿真。系統工作原理如圖2所示。

圖2 系統工作原理示意圖

3 運動系統

3.1 運動平臺結構

小型六自由度運動平臺為Stewart并聯結構,主要由上動平臺、下靜平臺、虎克鉸鏈、電動缸和伺服電機組成,如下圖3所示。伺服電機控制六條電動缸伸長量變化,以實現上動平臺六自由度運動。

圖3 小型六自由度運動平臺結構

1)上動平臺。上動平臺為仿真座艙承載平臺,其設計重點考慮三個方面內容:一是尺寸要與仿真座艙底座一致,長1.8米、寬1.37;二是結構要滿足安全需求,承載1噸重物體不變形,采用優質的鋼材焊接而成;三是重量要小,避免因上動平臺質量過大而影響運動平臺的動態性能。

2)下靜平臺。下靜平臺為小型六自由度運動平臺的固定平臺,根據平臺整體結構設計,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,提供下靜平臺框架,采用優質的鋼材焊接而成;二是伺服控制系統,裝置在下靜平臺后置機柜;三是電腦主機系統,裝置在下靜平臺前置機柜內。下靜平臺的固定方式采用地上打膨脹螺絲方式進行固定。

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,絲杠導程420mm,額定出力2.5kN,額定速度250mm/sec,額定轉矩2.39Nm,額定轉速3000rpm,限位開關2個,安裝方式前后鉸鏈座。

圖4 電動缸整體圖

5)伺服電機及驅動器

司服電機型號選取三菱;型號:HJ-KS73BJ,司服電機額定轉矩3.5N.M;額定轉速3000rpm;額定電流4.5A。

3.2 平臺結構參數

平臺結構參數如圖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;上平臺支點間最小圓心角為11.12°,下平臺支點間最小圓心角11.25°,上平臺支點間最短距離為100mm,下平臺支點間最短距離為120mm。

圖5 平臺參數示意圖

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,符合設計要求。

4 洗出算法

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

4.1 經典洗出算法

經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現對位移加速度和角速度的濾波。低通加速度濾波LP實現了一個傾斜協調通道,通過角度實現低頻加速度模擬[6,7]。經典洗出算法的主要優點是計算簡單,執行速度快,參數少,設計過程簡單。

圖12 經典洗出算法原理

4.2 經典洗出算法設計

洗出算法中傳遞函數主要包括四個:比例環節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,其中比例環節K取值一般設定為1。三個濾波器傳遞函數如表1所示。

表1 濾波器傳遞函數

其中,s為拉普拉斯復變量;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,關鍵參數設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]。相關參數根據飛行員試飛主觀感受需要進一步調整。

5 仿真分析

5.1 仿真樣機

研制的某型初教機艦載基礎能力訓練動感模擬器樣機如圖13所示,系統主要由仿真座艙、小型六自由度運動平臺、視景系統、教員控制臺、網絡接口系統等組成。全仿真座艙位于環形柱幕內,確保飛行員視點位置在球心。仿真座艙下置小型六自由度運動平臺,運動平臺通過地上打膨脹螺絲方式進行固定。

圖13 動感飛行模擬器樣機

5.2 仿真結果分析

根據飛行員體驗效果,經多次試飛體驗,逐一對參數進行優化調整,最終確定相關參數。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。經濾波后,驅動桿長度在安全范圍內,并提供飛行員感受到加速度和角速度與實際飛機相似的感知,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

由于模擬器結構設計上視景顯示系統未安裝在運動平臺之上,此結構存在因運動平臺運動而導致與視景系統錯配問題。解決方法主要有兩種:一是對視景系統進行補償,消減運動平臺運動而導致的角不一致問題;二是合理設置運動平臺洗出算法參數,減少小角度度模擬中運動平臺的運動,減弱小角度度模擬中運動平臺運動對視景運動的影響。經反復實驗,第一種方法因視景運動和平臺運動同步問題難以解決,進一步補償容易引發眩暈。

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

遴選有豐富經驗的多名飛行員,先角度后位移,先單通道后多通道的順序,反復試飛,最終確定濾波算法的關鍵參數值。

6 結論

針對某型初教機艦載基礎能力模擬訓練需要,設計了基于小型六自由度運動平臺的動感飛行模擬器。該型模擬器具有占地空間小,造價低,仿真逼真度高等特點,極具推廣價值。基于經典洗出算法,實現了該型模擬器的運動控制。仿真結果顯示,該型模擬器可以有效提供飛機的動感提示,大大提升了仿真逼真度。后續將進一步研究動感模擬器洗出算法優化問題。