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戰斗機模擬器

一、概述
      目前，國際航空業(yè)對新飛行員的培訓和老飛行的復訓主要是在飛行模擬器上面進(jìn)行的，飛行模擬器實(shí)際上是根據真實(shí)飛機駕駛艙1：1規格進(jìn)行設計的，具有模擬真實(shí)飛機的操縱感官系統，模擬機訓練可以模擬飛行過(guò)程中的各種故障，并針對某個(gè)問(wèn)題進(jìn)行多次的飛行和操作，從而提高飛行員在實(shí)際飛行的快速反應能力和安全操作能力，因此用飛行模擬器對飛行員進(jìn)行飛行訓練是飛行培訓中心普遍采用的一種方法，即安全又能降低成本。六自由度戰斗機模擬器根據真實(shí)飛機駕駛座艙1：1規格進(jìn)行設計，真實(shí)還原飛機駕駛的操縱系統，配合六自由度體感仿真平臺以及飛行視鏡系統，對飛機的空中飛行狀態(tài)進(jìn)行復現。
 
圖2殲20戰斗機模擬器效果圖
二、研制依據
2.1研制依據
依據某某招標文件或某某技術(shù)要求。
2.2參考文件
GJB 1849-1993 《飛行模擬器術(shù)語(yǔ)》；
GJB 2099A-2009 《飛行模擬器分級》；
CCAR-60    《飛行模擬設備的鑒定和使用規則》；
GJB 2021-94    《飛行模擬器六自由度運動(dòng)系統》；
GB/T 9385-2008 《計算機軟件需求規格說(shuō)明規范》；
GB/T 9386-2008 《計算機軟件測試文檔編制規范》；
GJB 3872-1999  《裝備綜合保障通用要求》；
GJB 145A-1993  《防護包裝規范》；
三、系統組成、主要功能
3.1系統組成
戰斗機模擬器的組成部分主要分為兩個(gè)部分：
（1）硬件部分包括：模擬座艙、運動(dòng)系統、視景系統、計算機系統。計算機系統作為整個(gè)模擬器的核心，擔當著(zhù)核心運算的功能，將各個(gè)模塊結合起來(lái)，才形成了飛行模擬器。
（2）軟件部分包括儀表系統、音響系統、飛行動(dòng)力學(xué)模型、氣動(dòng)模型、發(fā)動(dòng)機模型、視景系統、飛行導航控制系統以及綜合自然環(huán)境的模擬。
3.2 系統主要功能
戰斗機模擬器的整個(gè)系統仿真，涵蓋了空氣動(dòng)力學(xué)、大氣模型、機械系統、戰斗系統仿真等，對飛機駕駛艙各個(gè)部位進(jìn)行了充分的飛行模擬，利用三維視景生成逼真、準確的虛擬環(huán)境，可以多角度的模擬真實(shí)飛行中的種種情況。
四、主要技術(shù)指標
1、整體外觀(guān)尺寸
外形尺寸：3100*1900*2200 MM（長(cháng)寬高）
2、總體設計方案
戰斗機模擬器是一臺包括機械、電氣、數字處理系統的大型訓練設備，模擬器由主仿真系統、模擬座艙、操縱負荷系統、六自由度體感仿真平臺、飛行作戰系統、視鏡系統、音響系統七個(gè)部分組成。
3、六自由度平臺結構設計方案
    六自由度運動(dòng)平臺采用的是Stewart并聯(lián)結構，由六條電動(dòng)缸通過(guò)虎克鉸鏈或球鉸將上、下兩個(gè)平臺連接而成，下平臺固定在基座上，借助六條電動(dòng)缸的伸縮運動(dòng)，完成上平臺在三維空間六個(gè)自由度（X, Y, Z,α，β，γ）的運動(dòng)以及這些自由度的復合運動(dòng)，從而可以模擬出各種空間運動(dòng)姿態(tài)。Stewart平臺是六自由度并聯(lián)機構的基礎平臺，具有剛度大、負荷自重比高、載荷分布均勻、運動(dòng)平穩的特點(diǎn),在高精度、大載荷且對工作空間要求相對較小的場(chǎng)合得到了很廣泛的應用。該平臺采用的驅動(dòng)方式是電機驅動(dòng)滾珠絲杠驅動(dòng)方式。
（1）上動(dòng)平臺：為滿(mǎn)足設備的外觀(guān)需求，將上平臺制作成一個(gè)長(cháng)2.0米、寬1.6米的平臺，平臺采用優(yōu)質(zhì)的鋼材焊接而成，中間斜拉加強筋，配合Q235矩形管和防滑板進(jìn)行制作，上平臺可承載1-2噸重的物體不變形。
（2）下靜平臺：下平臺約長(cháng)2米、寬約1.6米的平臺，如圖7所示。采用優(yōu)質(zhì)的鋼材焊接而成，中間斜拉加強筋，配合Q235矩形管進(jìn)行制作。機箱圍板用冷軋板，固定電缸的受力位置采用45#鋼，前后預留兩個(gè)機箱，后機箱用于放置伺服控制系統，前機箱用于放置電腦主機。下平臺的固定方式可根據用戶(hù)的場(chǎng)地情況進(jìn)行設計，在需要固定的場(chǎng)合可以選擇預埋地籠或直接在地上打膨脹螺絲，在需要移動(dòng)的場(chǎng)合可以選擇配套萬(wàn)向輪和腳墊。
（3）虎克鉸連：采用虎克鉸鏈將電動(dòng)缸與上下平臺進(jìn)行連接，萬(wàn)向節鉸鏈傳動(dòng)效率高，允許兩軸間的角位移大，適用于有大角位移和兩軸之間的連接，一般兩軸的軸間角最大可達35°-45°，噪音小，對潤滑要求不高，傳遞轉矩大，而且使用可靠，因此得到廣泛的應用。
（4）電動(dòng)缸：電動(dòng)缸的技術(shù)參數如下表所示：
名   稱(chēng) 參 數 備 注
電動(dòng)缸類(lèi)型 折返式  
絲桿導程 10 滾珠絲桿
行程(mm) 200  
額定出力(kN) 7.6KN  
額定速度(mm/sec) 83.3  
電機功率（W） 750  
電機額定轉矩(Nm) 2.39  
電機額定轉速(rpm) 3000  
減速比 6:1  
內置磁環(huán) 無(wú)需  
潤滑方式 脂潤滑  
安裝方式 前關(guān)節軸承、后鉸鏈座 參考外形圖
（5）伺服電機及驅動(dòng)器：
①伺服電機
額定轉矩 2.4N.m
額定轉速 3000r/min
額定電流 5.6A
環(huán)境條件 環(huán)境溫度 運行：0℃~40℃（無(wú)結凍）
保管：-15℃~70℃（無(wú)結凍）
環(huán)境濕度 運行：80%RH以下（無(wú)凝露）
保管：90%RH以下（無(wú)凝露）
周?chē)h(huán)境 室內（無(wú)陽(yáng)光直射），無(wú)腐蝕性氣體、可燃性氣體、油霧及灰塵的場(chǎng)所。
海拔 海拔1000m以下
②伺服放大器
電源輸入 AC200-240V，
額定電流 3.8A
伺服功能 高級振動(dòng)抑制控制、自適應濾波器、自動(dòng)調諧、驅動(dòng)記錄儀功能、設備診斷功能、電力監視功能
控制模式 位置模式、速度模式、轉矩模式
環(huán)境條件 運行環(huán)境 0℃-55℃（無(wú)凍結）、保存：-20℃-65℃（無(wú)凍結）
環(huán)境濕度 運行/保存：90%RH以下（無(wú)結露）
空氣條件 室內（無(wú)陽(yáng)光直射），無(wú)腐蝕性氣體、可燃性氣體、油霧及灰塵的場(chǎng)所。
海拔 海拔1000m以下
4、平臺參數及技術(shù)指標
表1：電氣參數表
電缸 電缸行程 電缸推力 絲桿導程 推桿直徑 額定轉速
200mm 7.6KN 10mm 35mm 3000r/min
伺服電機 電機功率 電機轉矩 最大扭矩 額定電流 額定轉速
750W 2.4N.m 7.2 N.m 5.6A 3000r/min
電氣 供電電壓 峰值功率 均值功率 工作電流 峰值噪音（分貝）
AC 220V 3.5Kw 1.5KW 4-12A <60
表2：平臺技術(shù)指標表
自由度 位移或角度 速度 加速度
運動(dòng)范圍 定位精度 重復精度
翻滾(Roll) ±18° 0.05° 0.01° ±20°/s ±50°/s2
俯仰(Pitch) ±20° 0.05° 0.01° ±20°/s ±50°/s2
偏航(Yaw) ±22° 0.05° 0.01° ±20°/s ±50°/s2
縱蕩(Surge) ±150mm 0.1mm 0.02mm 83mm/s ±0.2g
橫蕩(Sway) ±150mm 0.1mm 0.02mm 83mm/s ±0.2g
垂蕩(Heave) ±110mm 0.1mm 0.02mm 83mm/s ±0.3g
系統工作頻率 0-4Hz可調 通訊速率 1-10ms
表3：平臺參數表
上平臺支點(diǎn)間最小圓心角 38.21° 上平臺直徑 1222mm
下平臺支點(diǎn)間最小圓心角 32.49° 下平臺直徑 1430mm
上平臺支點(diǎn)間最短距離 400mm 電缸最長(cháng)距離 812mm
下平臺支點(diǎn)間最短距離 400mm 電缸最短距離 612mm
5、平臺結構仿真
（1）俯仰角度為20°，符合設計要求。
（2）翻滾角度為±18°，符合設計要求。
（3）偏航角度為±22°，符合設計要求。
（4）垂直位移為220mm，符合設計要求。
（5）縱向向位移為±250mm，符合設計要求。
（6）橫向位移為±210mm，符合設計要求。
6、系統分為五個(gè)部分：
（1）上位機控制軟件：包括飛行模擬器軟件和平臺控制軟件，飛行模擬軟件主要負責模擬飛行駕駛，通過(guò)對軟件中飛機的姿態(tài)數據進(jìn)行獲取，經(jīng)過(guò)數據轉換成平臺控制信號，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )端口發(fā)送到平臺控制系統，平臺控制軟件主要完成對平臺的手動(dòng)控制、自動(dòng)控制、振動(dòng)測試等功能，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò )端口獲取平臺的狀態(tài)數據，通過(guò)數據轉換，顯示在軟件的UI界面；
（2）網(wǎng)絡(luò )通信接口：通過(guò)指定的數據格式完成控制信號和狀態(tài)信號的傳輸；
（3）下位機控制系統：完成對上位機數據的解算，轉換成伺服控制信號，驅動(dòng)電機帶動(dòng)電動(dòng)缸完成制定的動(dòng)作；
（4）運動(dòng)平臺：帶動(dòng)負載完成指定的姿態(tài)動(dòng)作；
（5）傳感器模塊：完成平臺狀態(tài)的數據采集，包括姿態(tài)、振動(dòng)頻率等，并將數據反饋回平臺控制系統。
5.4.2平臺的基本功能模塊
（1）HMI（人機界面）控制軟件：它是平臺控制系統的操作平臺，功能主要包括：平臺運動(dòng)軌跡監視、數據管理、系統參數設定、運行模式設定以及各缸當前運行狀態(tài)顯示等，用戶(hù)可以使用該軟件對平臺進(jìn)行多自由度的測試、振動(dòng)測試，還可以完成平臺狀態(tài)的檢測、振動(dòng)頻譜、故障處理等。
（2）伺服控制系統：利用STM32系列芯片內部網(wǎng)絡(luò )模塊進(jìn)行外部PHY擴展，實(shí)現網(wǎng)絡(luò )通信硬件電路。在μC/OS-Ⅲ操作系統上進(jìn)行相關(guān)程序開(kāi)發(fā)，內置公司自主研發(fā)的“六自由度平臺洗出算法”，可以根據不同模擬軟件進(jìn)行數據處理，結合Stewart反解算法實(shí)現對平臺的精準控制。也能完成平臺的自檢、預位、復位，以低速自動(dòng)運行至零位或中位的功能。
（3）伺服驅動(dòng)模塊：伺服驅動(dòng)模塊主要包含伺服驅動(dòng)器與伺服電機，它是控制系統中直接與機械部分相連的模塊，控制系統通過(guò)伺服驅動(dòng)模塊執行相應的動(dòng)作，驅動(dòng)機械結構完成規定空間運動(dòng)軌跡。
（4）安全檢測模塊：為了規范平臺的使用以及保障人員安全，平臺增加一個(gè)安全檢測模塊，即當使用流程規范沒(méi)有達到安全指標時(shí)，平臺不能運行，例如使用人員未佩戴安全帶、平臺電缸超過(guò)限位點(diǎn)、平臺未到達啟動(dòng)點(diǎn)等一系列安全規范。
（5）緊急制動(dòng)模塊：當平臺出現緊急故障狀態(tài)時(shí)，可以通過(guò)緊急制動(dòng)模塊快速停止平臺的運動(dòng)，從而達到保護人員和平臺的目的。
（6）故障檢測模塊：當平臺運行時(shí)，控制系統通過(guò)Modbus RTU協(xié)議與伺服控制器及其他控制部件進(jìn)行數據的對聯(lián)，實(shí)時(shí)監控平臺的運行狀態(tài)，能及時(shí)對出現的故障做出響應，同時(shí)停止平臺的運動(dòng)，保障人員與平臺的安全。
（7）狀態(tài)檢測模塊：通過(guò)在平臺安裝姿態(tài)傳感器和振動(dòng)傳感器，實(shí)時(shí)獲取平臺的運行狀態(tài)，獲取的數據經(jīng)過(guò)控制系統的數據洗出，解算出平臺的姿態(tài)與振動(dòng)數據，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )通信方式將數據發(fā)送到HMI模塊進(jìn)行平臺狀態(tài)的顯示與對比。
7、平臺運動(dòng)功能模式
運動(dòng)平臺可以完成包括：?jiǎn)巫杂啥冗\動(dòng)、任意自由度組合復合運動(dòng)、單缸測試、振動(dòng)測試等多種運行模式：
（1）平臺參數調整：
（2）單自由度運動(dòng)：可以完成任意一個(gè)自由度的獨立運動(dòng)，用戶(hù)可以通過(guò)控制軟件輸入指定角度，平臺就會(huì )運行到指定角度；
（3）復合運動(dòng)：可以完成任意六個(gè)自由度的組合，用戶(hù)可以通過(guò)控制軟件輸入指定角度與平移量，平臺就會(huì )運行到指定位置；
（4）單缸測試：可以任意控制平臺的電缸進(jìn)行伸縮運動(dòng)，用戶(hù)可以通過(guò)控制軟件輸入指定的伸縮量，電缸會(huì )運行到指定的位置；
（5）振動(dòng)測試：可以讓平臺以指定的頻率進(jìn)行振動(dòng)，用戶(hù)可以通過(guò)控制軟件輸入指定的振動(dòng)頻率與自由度、運動(dòng)范圍，平臺會(huì )根據設置的參數進(jìn)行振動(dòng)測試；
8、模擬座艙設計
    模擬座艙外罩：座艙罩用玻璃鋼材質(zhì)制造，玻璃鋼材料是屬于一種玻璃纖維的復合材料,玻璃鋼在行業(yè)中也稱(chēng)為FRP(玻璃纖維強化塑料)在工業(yè)中我們采用,環(huán)氧樹(shù)脂與飽和聚脂等為基體采用與玻璃纖維復合制作而成的增強型塑料這便是我們現在看到的玻璃鋼,這種玻璃鋼的強化復合材料在性能上具有很多優(yōu)于塑料的優(yōu)點(diǎn),例如機械強度高、質(zhì)輕而硬、不導電。
9、視景系統
    視景系統軟件是利用計算機圖像生成技術(shù)，產(chǎn)生逼真的窗外影像，如機場(chǎng)、跑道、田野、河流、道路等地形地貌，云、霧、雨、雪以及白天、黃昏、夜間等天氣氣象，燈光、建筑物等模型，汽車(chē)、輪船、飛機等活動(dòng)目標，為駕駛員、參試者、工程設計人員和觀(guān)察者提供體現飛機性能表現及飛機飛行時(shí)的真實(shí)世界的窗外景象。
（1）硬件結構：1、視景系統硬件由視景支架、3臺32寸顯示器等組成。
 視景支架由基座、電視架連接板、電視支撐板、電視架支撐板、電視架支撐骨架組成；整體噴漆(亞光黑色)；
視景顯示器采用:  1、32英寸全高清顯示器。 
屏幕尺寸 最佳分辨率 屏幕比例 視場(chǎng)角 接口
32英寸 1920x1080 16:9 垂直150°
水平150°		 1HDMI、1DVI
 （2）場(chǎng)景模擬：采用了大量渲染貼圖材質(zhì)，無(wú)論是戰斗機、坦克還是地面建筑都進(jìn)行了細致認真的三維建模，萬(wàn)里無(wú)云的天空、呼嘯而過(guò)的戰機等，在細膩的紋理襯托下，顯得極其真實(shí)、生動(dòng)。使用虛構的世界和國家，許多細節和現實(shí)中的戰爭非常相似。一些戰斗機的現實(shí)特征在游戲中表現出來(lái)，也包括一些虛構的飛機，尤其是空中堡壘。
10、軟件仿真系統
（1）戰斗機模擬器仿真系統由飛行性能仿真系統和設備系統仿真系統兩部分組成。飛行性能仿真包括飛行動(dòng)力學(xué)與飛行運動(dòng)學(xué)計算、動(dòng)力裝置模擬及特情處置模擬等部分組成，主要模擬戰斗機的飛行性能和操穩特性，并且提供每個(gè)時(shí)刻的飛行狀態(tài)數據；設備系統仿真包括操縱、電氣、發(fā)動(dòng)機、燃油、告警、剎車(chē)、儀表等機載設備系統仿真軟件模塊，主要完成機載設備系統的操作與操作響應模擬。
（2）模擬器是人在回路中的仿真系統，由接口軟件實(shí)時(shí)檢測飛行人員對操縱系統及座艙設備系統的操縱變化，仿真計算機通過(guò)飛行器性能仿真和設備仿真軟件及軟件模塊，解算出飛行器運動(dòng)及姿態(tài)等性能數據及飛行人員對座艙設備的操作響應數據，各分系統仿真軟件及仿真模塊利用上述數據解算出此刻的系統響應狀態(tài)數據，再經(jīng)過(guò)接口轉換及驅動(dòng)系統驅動(dòng)，通過(guò)顯示器顯示、儀表指示、信號燈指示、視景圖像、動(dòng)感平臺、音響聲音等，將飛行人員的操作響應實(shí)時(shí)反饋給飛行人員，從而模擬出實(shí)裝駕駛的整個(gè)過(guò)程。
（2）其具體工作過(guò)程如下：飛行人員在模擬座艙內操縱側桿、加油及其他座艙設備，由各類(lèi)操縱傳感器感知駕駛員的操縱動(dòng)作并發(fā)出工作信號，接口系統將這些信息輸給仿真計算機，仿真計算機通過(guò)飛行性能仿真和設備仿真等軟件系統對飛行動(dòng)力學(xué)模塊、設備系統工作模塊、環(huán)境仿真模塊和外部仿真模塊等進(jìn)行解算，解算結果經(jīng)網(wǎng)絡(luò )分系統輸送給各仿真物理效應分系統；儀表及航空電子模擬分系統實(shí)時(shí)指示或顯示各種飛行參數和系統工作參數；視景分系統按駕駛員視點(diǎn)關(guān)系及設定的能見(jiàn)度和氣象條件生成此刻座艙外的各種景象，包括跑道、燈光、建筑物、田野、河流、海浪、地形地貌、活動(dòng)目標（空中、地面、海面）等；聲音模擬分系統給飛行人員提供音響效果，如發(fā)動(dòng)機聲響、氣流噪聲、設備工作聲音等。各仿真物理分系統給飛行人員提供多維感知信息，根據上述信息飛行人員可以在地面完成各種條件下的模擬飛行訓練。
五、配置參數表
產(chǎn)品名稱(chēng) 配置參數 附圖 備注
戰斗機模擬器 ♦ 六自由度
♦ 全鋼制骨架，玻璃鋼外罩
♦ 模擬戰斗機駕駛艙制作，表面高亮噴漆漆，單人座 
♦ 規格：3100*1900*2200 MM（長(cháng)寬高）
♦ 控制系統：A10C戰斗機搖桿、腳舵控制系統
♦ 引擎控制單元：雙油門(mén)控制鍵,Shift按鈕,11個(gè)指令按鈕,1個(gè)滾輪,一個(gè)3D軸，7個(gè)金屬上下?lián)軇?dòng)開(kāi)關(guān)多種組裝搭配：配合固定夾可任意組合，強大的智能技術(shù)編程軟件可以自行設定需要的功能。
♦ 三屏32寸高清無(wú)邊框顯示器，分辨率為：5760*1080，60Hz
♦ 主機控制：
CPU i7\內存：8G\硬盤(pán)M.2  500G\主板：微星迫擊炮B360，顯卡：微星魔龍 GeForce GTX 1660 SUPER GAMING X6G 1660S		  
 
 
 
 
 
 
 
 		  

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