专利名称：轻型飞行模拟器的制作方法
技术领域：
本发明专利涉及在地面模拟空中飞行的系统，用于航空器驾驶员训练和航空器驾驶舱设计评估等场合。特别是具有座舱内外立体视景，座舱内所有驾驶杆、脚蹬、旋钮、按钮、拨钮、手柄等操作的力感和触觉真实模拟，六自由度动感模拟和听觉模拟，可以在普通办公建筑内安装使用的飞行模拟器。
背景技术：
飞行模拟器的基本组成如图1。从技术和功能角度划分，目前的飞行模拟器可以大致分为基于传统技术的传统型飞行模拟器和基于虚拟现实的飞行模拟器。
传统型飞行模拟器以全任务飞行模拟机为代表。全任务飞行模拟机的典型技术特征是采用大屏幕(包括球幕)实现座舱外视景模拟；采用1∶1实物座舱实现座舱内视景模拟和开关操作等的触觉模拟。由于舱内的设备与实际装备完全一样，因此既再现了舱内视景，也提供了肢体的操纵力反馈和手指触觉模拟。这类模拟机一般体积、重量大，需要相当于普通三层楼房高度的专用建筑，需要大功率驱动系统。另外，由于舱内设备要像实际系统一样具有显示和操作效果，因此需要复杂的硬件设备和接口保证数据采集和驱动。由于重量大，这类模拟机难以采用复合等效球铰，因此往往采用6-6型并联机构(stewart机构)。
基于虚拟现实的飞行模拟器的基本技术特征是采用虚拟现实技术实现视景模拟(为了满足全视场模拟的要求，一般采用头盔式视景设备而不是桌面式视景设备)；采用带力反馈或触觉发生器的数据手套实现手部力反馈和触觉模拟。其优点是体积小，重量轻，同一套系统可以灵活模拟不同型号的飞机座舱。基于虚拟现实的飞行模拟器的缺点是带上头盔以后飞行员无法看到舱内实景及自己的手部；开关操作模拟困难；带力反馈的数据手套影响人的动作；数据手套有异物感，影响手指触觉；目前力反馈数据手套还不能同时提供逼真的手臂力、手掌力和手指力反馈；基于虚拟现实的飞行模拟器一般没有动感模拟，因此按照有关飞行模拟机的定义，一般称飞行训练器。
基于虚拟现实的飞行模拟器中，有一种采用实物模拟开关等操作对象的方案，称为TOPiT。该方案是一种座舱模拟系统，由一个伺服系统将适当的实物开关在适当的时候送到适当的空间位置，供操作人员操作。其中，伺服系统的开关模拟部分事先安装了各种类型的开关，使用时将适当开关转换到供人员操作的位置。人员手部定位采用了数据手套。该方案的一个潜在问题是不能模拟目前飞机座舱内广泛使用的键盘操作，因为在这种场合下，伺服系统难以跟上人的操作速度。该方案的另一个问题是当开关类型很多时，系统结构复杂，实现开关类型的转换将十分困难，难以在规定时间内给操作人员提供适当开关。
发明内容
本发明的目的在于提出一种能克服上述现有技术缺点的轻型飞行模拟器系统技术方案，其特点是确保模拟器体积小巧、视景设备成本低廉、系统简单；克服现有虚拟现实技术在舱内开关操作模拟上的困难；实现六自由度动感模拟的同时保证模拟器使用场地的总高度在普通办公楼层高之内。
为了确保模拟器体积小巧、视景设备成本低廉，采用虚拟现实的立体头盔作为视景设备，舱外视景和舱内视景都由头盔实现；为了克服现有虚拟现实技术在舱内开关操作模拟上的困难，提出半虚拟现实座舱技术。为了确保动感模拟功能不低于传统模拟机，同时降低驱动系统成本和使用限制，开发纯电动运动平台，实现6自由度全动感运动模拟；为了保证模拟器使用场地的总高度在普通办公楼层高之内，提出边置式运动平台布局，有效降低结构高度；实现标准6-3并联机构，简化控制算法。
半虚拟现实座舱方案是按照“眼见为虚，手摸为实”的原则构建模拟座舱，取消舱内仪表盘等所有显示部件实物，但所有可触摸操作的部分均保持1∶1的实物。即，采用虚拟现实的立体头盔作为视景设备，不但舱外视景用计算机生成，舱内视景也一律用计算机生成(虚拟现实)，包括座舱仪表板、开关、飞行员手部等。其效果是视景设备体积小、重量轻，省去仪表盘等，进一步减轻了重量，降低了系统复杂性。舱内视景也采用虚拟现实实现，做到了“以软代硬”，增加了系统的灵活性，使得同一套基本硬件经简单改装可以模拟不同型号的飞机。重量减轻的另一个好处是可以用低功率电动机驱动运动平台，不需要液压源或大功率电机。取消仪表盘的另一个好处是空出的位置可以安装摄像头等视频测量设备或摄像头定位用的标记图形，有利于尚未公开的非接触式视频测量定位的实现。
我们对跟踪器和数据手套的静态和动态精度特性进行了系统性测试分析，提出了三种改进方法。一是，提出差分电磁跟踪算法提高手掌定位精度；二是，用手指附近的开关类型辅助确定手形模式，用手形模式校正手指定位误差；三是，针对定位精度要求设计了典型开关，用于标定飞行员手指参数。其效果是保证了半虚拟现实座舱方案的有效，即保证手眼一致，或虚实一致。
本发明设计了边置式运动平台布局，降低了整个装置的高度。其效果是确保轻型飞行模拟器可以在普通办公建筑内安装使用。
本发明还采用基础为六个点，运动平台为理想的3个点的6-3式6自由度并联机构。其效果是有关的动力学正解求解比6-6式简单。
本发明还采用直接驱动式伺服电机的纯电动六自由度运动平台方案，没有传动设备。其效果是实现动感模拟，驱动系统没有间隙，等效刚度大，且驱动系统的等效惯量小。本发明采用空心电机转子，丝杠伸缩过程中可以穿过电机。其好处是增大了丝杠行程，有利于降低模拟器整体结构高度。
实现上述技术特点的整体技术方案，包括六自由度运动平台、运动控制器、用于处理图形的计算机及头盔、主操纵力反馈单元、声音合成及扬声器、用于处理模型及核心计算用计算机、驾驶杆、脚蹬、开关。其中驾驶杆、脚蹬、开关的输出信号分别送入用于处理模型及核心计算用计算机的输入，该计算机的输出分别送入运动控制器的输入、用于处理图形的计算机及头盔的输入、主操纵力反馈单元的输入、声音合成及扬声器的输入，后述三个单元的输出信号分别直接提供给驾驶员，而运动控制器的输出信号经由6自由度运动平台后提供给驾驶员。所述6自由度运动平台包括主梁(1)，桁架结构(2)，驾驶杆(3)、脚蹬(4)、丝杠(5)、电机(6)、底盘(7)，及开关，其中主梁(1)包括左右两个弓字梁(8、9)和前横梁(10)。左右两根弓字梁(8、9)的一端相连接，两根弓字梁(8、9)的另一端分别连于前横梁(10)两端构成俯视图为正三角形的结构；桁架结构(2)包括左右桁架支撑连接杆(12)、地板(13)、座椅(14)、仪器设备舱(15)。座椅(14)安装在地板(13)后半部的地板与主梁(1)之间，将主梁(1)后端与地板连接在一起，座椅下方为仪器设备舱(15)。左右两根桁架支撑连接杆(12)的一端分别连接于地板前半部左右两侧的地板上，左右两根桁架支撑连接杆(12)的另一端连接在主梁(1)的前横梁(10)上；底盘(7)为正六边形结构，正六边形的六个顶角处分别通过连接托盘连接电机(6)的一端，电机(6)的另一端通过连接托盘连接丝杠(5)的一端，相邻的两根丝杠(5)的另一端相连接后分别连于三角形主梁(1)的三个顶角处与主梁(1)构成一整体结构。驾驶杆安装在主梁(1)的前横梁(10)的中间，前端通过左右两根支撑杆(11)连接在桁架结构(2)的左右两桁架支撑连接杆(12)上，后端与手柄相连；脚蹬(4)安装在桁架结构(2)的地板(13)的前部。开关按所模拟航空器的实际座舱布局1∶1安装在平台适当位置。
所述开关是指主要用手指操作的设备，如旋钮、按钮、拨钮、手柄。
上述技术方案的效果是轻型飞行模拟器实现了重量轻、体积小、模拟逼真，价格低廉，改装灵活。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是现有飞行模拟器的基本组成示意2是轻型飞行模拟器组成框3是轻型飞行模拟器的6自由度运动平台的整体结构示意4是轻型飞行模拟器的6自由度运动平台的主视5是轻型飞行模拟器的6自由度运动平台的左视图(右视图与左视图对称)图6是轻型飞行模拟器的6自由度运动平台的俯视7是主梁结构示意8是主梁结构俯视9是主梁结构的弓字梁示意10是主梁结构的前横梁示意11是桁架结构主视12是桁架结构左视图(右视图与左视图对称)图3～图12的标号名称1、主梁。2、桁架结构。3、驾驶杆。4、脚蹬。5、丝杠。6、电机。7、底盘。8、弓字梁。9、前横梁。11、支撑杆。12、桁架支撑连接杆。13、地板。14、座椅。15、仪器设备舱。
具体实施例方式
图2是轻型飞行模拟器的组成框图，包括6自由度运动平台、运动控制器、用于处理图形的计算机及头盔、主操纵力反馈单元、声音合成及扬声器、用于处理模型及核心计算用计算机、驾驶杆、脚蹬、开关。其中六自由度运动平台如图3至图12所示。主要包括主梁1、桁架结构2、驾驶杆3、脚蹬4、丝杠5、电机6、底盘7。
该运动平台承受操作者和其他设备的载荷。运动平台的主梁由两个弓字梁和一个前横梁通过接头接合组成的。主梁具体结构见图7至图10。从外观上，整个主梁的外型呈弓字形，采用了边置式运动平台布局(边置式是指运动平台与驱动杆的连接点位于平台侧面，而不是底面)，有效降低结构高度。弓字形梁便于使用者进入操作位置，同时也美观。主梁与丝杠的连接方式是通过接头连接的。每两根丝杠与平台之间通过一个等效复合球铰连接，用于实现上平台的六自由度运动。
电机与底盘的连接是通过托盘连接的，电机转子上安装外筒，外筒上安装滚珠丝杠螺母，螺母与丝杠构成螺旋副。电机底部与托盘的连接，都是通过6个同心均布的螺钉连接到一起。电机转动之后，通过外筒带动螺母转动，而丝杠不能绕其轴线转动，这样就实现了丝杠的伸缩。
电机托盘与底盘支座通过一个十字铰(虎克铰)相连。底盘支座与底盘是通过4个螺钉紧密连接在一起。六个电机都采用如上所述的结构。
桁架结构全部由铝材制成，图11与12为座椅下的桁架结构，采用的角铝都是符合国家标准的型号。角铝与角铝之间，应用铝片、通过铆接相连。座椅下部的空间可以用来放置相关的控制部件。
驾驶杆3、脚蹬4作为两个相对独立的部件安装到桁架结构2上，采用基于真实外形、带力反馈的驾驶杆、脚蹬、油门杆等的飞行主操纵模拟系统，用于采集使用者的输入信息，并通过传感器将这些信息传输到主控计算机中进行处理，通过分析处理数据，根据飞行动力学等模型控制电机的运动，进而控制六跟丝杠的各个伸缩加速度，最终实现运动平台的运动。在控制运动平台运动的同时，也要控制虚拟环境视景的变化，以实现带上头盔的操作者所看到的视景运动，与运动平台对应的飞行运动一致。这就实现了模拟器既有真实的触觉，又不乏立体感。在视景的设计当中，可以通过改变虚拟环境来实现不同的机型模拟，改装十分灵活。
操作者操作开关时，其手部摸到的是真实开关，眼睛看到的是虚拟视景的计算机立体造型，即虚拟座舱(含开关)和虚拟手。
操作者实际手的定位有两种方式，一是采用数据手套，二是采用非接触式视频测量定位。经定位算法获得的实际手在座舱坐标系中的位置用于决定虚拟视景中虚拟手的位置。
权利要求
1.一种轻型飞行模拟器，其特征在于包括六自由度运动平台、运动控制器、用于处理图形的计算机及头盔、主操纵力反馈单元、声音合成及扬声器、用于处理模型及核心计算用计算机、驾驶杆、脚蹬、开关、手柄，其中驾驶杆、脚蹬、开关、手柄的输出信号分别送入用于处理模型及核心计算用计算机的输入，该计算机的输出分别送入运动控制器的输入、用于处理图形的计算机及头盔的输入、主操纵力反馈单元的输入、声音合成及扬声器的输入，后述三个单元的输出信号分别直接提供给驾驶员，而运动控制器的输出信号经由6自由度运动平台后提供给驾驶员，所述6自由度运动平台包括主梁(1)，桁架结构(2)，驾驶杆(3)、脚蹬(4)、丝杠(5)、电机(6)、底盘(7)，及开关，其中主梁(1)包括左右两个弓字梁(8、9)和前横梁(10)，左右两根弓字梁(8、9)的一端相连接，两根弓字梁(8、9)的另一端分别连于前横梁(10)两端构成俯视图为正三角形的结构；桁架结构(2)包括左右桁架支撑连接杆(12)、地板(13)、座椅(14)、仪器设备舱(15)，座椅(14)安装在地板(13)后半部的地板与主梁(1)之间，将主梁(1)后端与地板连接在一起，座椅下方为仪器设备舱(15)，左右两根桁架支撑连接杆(12)的一端分别连接于地板前半部左右两侧的地板上，左右两根桁架支撑连接杆(12)的另一端连接在主梁(1)的前横梁(10)上；底盘(7)为正六边形结构，正六边形的六个顶角处分别通过连接托盘连接电机(6)的一端，电机(6)的另一端通过连接托盘连接丝杠(5)的一端，相邻的两根丝杠(5)的另一端相连接后分别连于三角形主梁(1)的三个顶角处与主梁(1)构成一整体结构；驾驶杆安装在主梁(1)的前横梁(10)的中间，前端通过左右两根支撑杆(11)连接在桁架结构(2)的左右两桁架支撑连接杆(12)上，后端与手柄相连；脚蹬(4)安装在桁架结构(2)的地板(13)的前部；开关按所模拟航空器的实际座舱布局1∶1安装在平台适当位置。
2.根据权利要求1所述的轻型飞行模拟器，其特征在于，所述开关是指用于手指操作的设备，如旋钮、拨钮、手柄的模拟开关。
全文摘要
一种轻型飞行模拟器，属地面模拟空中飞行的模拟器，该模拟器包括6自由度运动平台、运动控制器、用于处理图形的计算机以及头盔、主操纵力反馈单元、声音合成及扬声器、用于处理模型及核心计算用计算机、驾驶杆、脚蹬、开关、手柄。其中6自由度运动平台包括主梁(1)、桁架结构(2)、驾驶杆(3)、脚蹬(4)、丝杠(5)、电机(6)、底盘(7)、座舱上还安装开关、手柄等部件。本发明克服了现有虚拟现实技术在舱内开关操作模拟上的困难，实现了六自由度全动感模拟，有效地降低了结构高度，体积小巧，重量轻，模拟逼真，价格低廉。
文档编号G09B9/08GK101034503SQ20071002140
公开日2007年9月12日 申请日期2007年4月10日 优先权日2007年4月10日
发明者顾宏斌, 刘晖, 吴东苏, 高振兴, 柴功博 申请人:南京航空航天大学