专利名称：机场消防车操作训练模拟器的制作方法
技术领域：
本发明属于航空技术培训领域，具体涉及一种机场消防车驾驶训练的模拟系统装置。
背景技术：
机场消防车是民航机场飞机火灾扑救的专用消防车辆。出于保障民航安全生产的需要，以及民航机场火灾的特殊性，消防车的配置和使用与普通消防车辆有很大的区别，因此对机场消防人员的训练，也具有一定的特殊性。机场消防车操作训练模拟器就是专为该类人员的培训而设计的。它能够弥补实战训练不能涵盖面对火灾所应采取的全部技术措施和手段的缺陷。驾驶员通过视觉、听觉和身体感觉的信息亲身感知车辆的运动与操作、火灾的情景与处理，所以机场消防车操作训练模拟器是一种理想的教学和训练设备。专利(201010294927.2)曾公开了一种机场消防车驾驶训练系统，但在使用中发现，该系统过于复杂。例如:该系统采用机电模式构建消防车的模拟消防炮，在模拟消防炮炮口安装有摄像头，用摄像头摄制的图像传至消防炮方位显示屏显示消防炮朝向图像。这种模拟消防炮的构建方式有两个缺点。第一，消防炮安装在消防车驾驶训练系统的上部，而作为视景显示的投影机也要安装在该系统的上部。由于二者位置相互干涉，对视景的投射角度影响较大，造成视景图像失真。第二，因为视景屏幕的范围是有限的，摄像头在消防炮运动角度的某些位置图像只能看到视景屏幕的边沿，造成消防炮方位显示的图像与实际有所不同，会降低训练人员的沉浸感，影响系统的训练效果。第三，行车操纵系统过于复杂，三个操纵装置——刹车，油门和方向盘各接有位移传感器，位移传感器通过A/D卡转换进入数据采集与控制系统，使得数采系统线路复杂、易出故障。为了弥补所述专利的缺陷，本发明对系统的技术特征做了较大的改进。首先，取消了(201010294927.2)模拟消防炮实体，将消防炮虚拟化，避免了视景影像失真，沉浸效果更好。第二，专门设置了消防炮朝向指示器。通过数据采集与控制，通过消防炮朝向指示信息自动生成炮头朝向图像，显著提高了逼真度和训练人员的沉浸感。对行车操纵系统采用了一体化的手柄操作，使操纵系统结构更加紧凑，降低故障率，提高了操纵系统的可靠性。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于，提供一种能够对机场消防人员进行培训使用的机场消防车操作训练模拟装置。以下结合附图对本发明的结构原理进行说明。机场消防车操作训练模拟器包括:驾驶台、组合指示灯群、组合显示仪表群、模拟发动机启动开关、消防设备操纵台、消防炮朝向显示屏、消防设备启动开关、消防炮操作台、消防炮启动开关、消防炮控制摇杆、前台架消防炮控制摇杆、行车操纵系统、刹车机构、油门、方向盘、数字I/o接口、数据采集与控制系统、PLC控制器、计算机仿真系统、教员台计算机、模拟前台架消防炮、消防车运动及控制模型、飞机火灾及灭火模型、音响模拟模型、纵向与横向驱动电机、位移传感器、A/D卡、消防炮朝向指示器、视景系统、图形工作站、视景显示系统、音响模拟模型以及音箱等。驾驶台包括组合指示灯群、组合显示仪表群和模拟发动机启动开关。消防设备操纵台包括消防炮朝向显示屏和消防设备启动开关。消防炮操作台包括消防炮启动开关、消防炮控制摇杆和前台架消防炮控制摇杆。行车操纵系统包括刹车机构、油门和方向盘。计算机仿真系统包括消防车运动及控制模型、飞机火灾及灭火模型和音响模拟模型。模拟前台架消防炮为纵向和横向两自由度运动机构。数字I/o接口的输出接入数据采集与控制系统，消防车运动及控制模型的数据亦传至数据采集与控制系统。机场消防车操作训练模拟器器件连接的技术方案为:模拟发动机启动开关、消防设备操纵开关、消防炮启动开关、消防炮控制摇杆和前台架消防炮控制摇杆的开关信号控制线均并联接至数字I/o接口 ；数字I/O接口的信号输出接至数据采集与控制系统。行车操纵系统的信号通过数据线亦接至数据采集与控制系统；数据采集与控制系统的信号输出分别接至PLC控制器、计算机仿真系统以及消防炮朝向指示器。模拟前台架消防炮分别通过纵向驱动电机和横向驱动电机驱动，纵向和横向两个驱动电机由PLC控制器进行控制。纵向与横向两个驱动电机各自接有一个位移传感器，两个位移传感器的输出均接至A/D卡，A/D卡的输出接入数据采集与控制系统。数据采集与控制系统随时与A/D卡输出的信息、以及教员台计算机进行数据传输与交换。本发明是一个模拟消防车驾驶、灭火等操作的训练装置，学员坐在驾驶室内的操作与实际非常近似。根据教员台计算机上所选择的训练课目，通过操纵数据采集与控制系统收到状态信息，使视景输出和音响输出与教员台计算机设定一致。消防车驾驶训练状态时在视景中将显示机场消防车库现场。启动消防车的信号为开关量信号，经数字I/O端口被数据采集与控制系统采集并传至计算机仿真系统。此过程中，方向盘转动、油门动作、刹车动作由行车操纵系统统一采集，经数据采集与控制计算机传至计算机仿真系统。同时方向盘及油门刹车操纵机构均具备“自动回位”的功能。计算机仿真系统中的消防车运动及控制模型根据这些信息解算出消防车当前的运动状态、运动位置，并通过视景系统输出显示，音响模拟模型根据消防车的运动状态由音箱输出发动机音响、路面作用音响等音响信息。同时，消防车运动与控制模型将解算出消防车仿真仪表显示信息和消防车指示灯显示状态，传给操纵数据采集与控制系统后传至PLC控制器，PLC控制器控制仿真仪表群和指示灯群进行相应的显示。消防炮控制摇杆和前台架消防炮控制摇杆分为前、后、左、右四个方向，输出四个开关量信号由数字I/O 口采集并传至数据采集与控制计算机。数据采集与控制计算机根据操纵信号经PLC控制器控制模拟前台架消防炮的纵向驱动电机和横向驱动电机，通过控制炮塔的纵横向运动调整模拟前台架消防炮口的朝向。纵横向驱动电机均有位移传感器相连，位移传感器信号接至A/D板卡，A/D板卡采集位移信号并传给数据采集与控制计算机，数据采集与控制计算机据此计算模拟前台架消防炮炮口的朝向。同时，数据采集与控制计算机根据操纵输入计算消防炮炮口朝向，将朝向信息传输给消防炮朝向指示器，该指示器生成消防炮朝向图像并传至消防炮朝向显示屏显示。喷射按钮按下后，消防车运动及控制模型可控制输出喷口的流量，灭火剂喷射场景由视景系统相应输出，与此同步，音响模拟模型控制音箱输出灭火剂喷射的音响。消防车到达时间、飞机火灾控制时间、消防车位置、灭火操作过程均由计算机仿真系统实时传给教员台计算机，教员台计算机记录这些信息并在仿真结束后生成对学员训练效果的评分，教员也可以实时浏览这些信息以便对受训驾驶员进行进一步的指导。消防车运动及控制模型和飞机火灾及灭火模型的视景显示系统为单通道计算机三维图像系统或三通道计算机三维图像系统，视景系统由视景系统图形工作站、视景显示系统组成，视景显示系统由高分辨率投影机、投影屏幕组成。音箱为三维环绕立体声音响系统，由多声道立体声高保真音响组成，具有逼真的声音定位感觉，为驾驶员提供强烈的沉浸感。本发明的特点和有益效果是，为学员提供了一种驾驶消防车进行飞机火灾灭火的模拟训练装置。仿真系统能够提供高逼真度的视景和音响，通过解算机场消防车的运动模型模拟消防车的驾驶和运动，使学员能够在视景中驾驶巡航。通过火灾场景的设计模拟，可实时控制飞机火灾的发展趋势。视景中可以提供非常真实的火灾场景，提供碰撞检测功能，以达到仿真环境与实战环境相同，提高训练效果。同时在虚拟场景中训练，能最大限度地保证学员的安全，相比用实物现场训练，可节省巨大的训练费用。
附图为本发明系统原理与部件结构连接示意图。
具体实施例方式下面结合附图并通过具体实施例对本发明的结构以及原理作进一步的说明。机场消防车操作训练模拟器，其系统组成如图所示:驾驶台I包括组合指示灯群
2、组合显示仪表群3和模拟发动机启动开关4 ;消防设备操纵台5包括消防炮朝向显示屏6和消防设备启动开关7 ;消防炮操作台8包括消防炮启动开关9、消防炮控制摇杆10和前台架消防炮控制摇杆11 ;行车操纵系统12包括刹车机构13、油门14和方向盘15 ;计算机仿真系统19包括消防车运动及控制模型20、飞机火灾及灭火模型21和音响模拟模型22。模拟前台架消防炮18为纵向和横向两自由度运动机构。消防车运动及控制模型的数据传至数据采集与控制系统。其技术特征在于:模拟发动机启动开关4、消防设备操纵开关7、消防炮启动开关
9、消防炮控制摇杆10和前台架消防炮控制摇杆11的开关信号控制线均并联接至数字I/O接口 16，数字I/O接口的信号输出接至数据采集与控制系统17。行车操纵系统12的信号通过数据线亦接至数据采集与控制系统。数据采集与控制系统的信号输出分别接至PLC控制器23、计算机仿真系统19以及消防炮朝向指示器24。模拟前台架消防炮18分别通过纵向驱动电机25和横向驱动电机26驱动，纵向和横向两个驱动电机由PLC控制器进行控制。纵向与横向两个驱动电机各自接有一个位移传感器27，两个位移传感器的输出均接至A/D卡28，A/D卡的输出接入数据采集与控制系统，数据采集与控制系统随时与A/D卡输出的信息、以及教员台计算机29进行数据传输与交换。计算机仿真系统及其消防车运动及控制模型、飞机火灾及灭火模型、音响模拟模型均为设置在教员台计算机内的软件。该操作训练模拟器没有模拟消防炮塔身，并且不设有摄像头等装置，采用消防炮朝向指示器模拟消防炮操作台系统中炮头的指向位置，位置图像由消防炮朝向显示屏显示。消防车运动及控制模型与飞机火灾及灭火模型的输出数据传至视景系统30中的图形工作站31，图形工作站生成计算机视景图像后送至视景系统中的视景显示系统32显示。音响模拟模型的输出传至音箱33播放模拟音响。行车操纵系统米用手柄操作，刹车机构、油门和方向盘可以自动回位。机场消防车操作训练模拟器运行工作时，由教员在教员台计算机上选择训练课目，然后启动系统运行。此时，计算机仿真系统收到启动信息进行消防车运动及控制模型、飞机火灾及灭火模型、音响模拟模型参数的初始化，使视景输出和音响输出与教员台计算机设定一致。操纵数据采集与控制系统收到启动信息后，进行计算机板卡的初始化，同时向消防炮朝向指示器和PLC控制器发出初始化指令。消防炮朝向指示器根据指令生成当前消防炮朝向图像并用消防炮朝向显示屏输出。PLC控制器根据初始化指令将组合指示灯群和组合显示仪表群的显示及模拟前台架消防炮的位置等均进行初始化处理。系统初始化完毕后，视景显示屏中将显示设定的机场消防车库。学员按动消防车驾驶台上的模拟发动机启动开关进行消防车的启动，同时音响模拟模型控制输出车辆启动声音。操纵行车系统中的方向盘、油门、刹车等将消防车从车库开出，并一直行驶至视景显示屏中的飞机火灾现场。在这一过程中，方向盘转动、油门动作、刹车动作被操纵数据采集与控制计算机采集并被其传至计算机仿真系统。计算机仿真系统中的消防车运动及控制模型解算出消防车当前的运动状态、运动位置，并通过视景显示屏显示；音响模拟模型输出发动机工作音响、路面作用音响等。同时，消防车运动与控制模型将解算出组合指示灯群和组合显示仪表群应显示对应的状态并控制组合指示灯群和组合显示仪表群进行相应的显示。消防车到达飞机火灾现场后，学员操纵消防炮操作台和消防设备操纵台进行灭火操作。通过消防设备操纵台上的消防炮朝向显示屏观察确定消防炮操作台系统中炮口的位置朝向，观察模拟前台架消防炮炮口确定其朝向。通过操纵前后左右四个方向转动的消防炮控制摇杆或台架消防炮控制摇杆，将炮口对准飞机或机场起火位置，按下消防炮控制摇杆或前台架消防炮控制摇杆的喷射按钮(此时视景显示屏将显示喷射情况)。在此过程中，PLC控制器驱动模拟前台架消防炮的两个电机控制横向运动轴和纵向运动轴，使模拟前台架消防炮炮口朝向位置准确无误。同时，消防炮朝向指示器生成消防炮朝向图像并传至消防炮朝向显示屏显示，从朝向显示屏可以直接看到。消防炮控制摇杆或台架消防炮控制摇杆上的喷射按钮信号也被数据采集与控制系统采集。数据采集与控制系统将这些信息传至计算机仿真系统。飞机火灾及灭火模型控制视景系统输出逼真的飞机火灾情景。同时在视景系统显不的同时音响模拟模型也输出产生相应的音响变化。纵横两个驱动电机可选用步进电机、直流电机或交流电机均可，消防设备操纵台上安装有与真实消防车上同样的开关按钮及指示灯。自仿真消防车从接警开始，学员都可真实模拟驾驶消防车行驶至飞机火灾现场，用高压水炮灭火的整个过程。视景显示屏中还将会有多辆消防车按指定程序配合参训人员的消防车共同完成灭火任务。
权利要求
1.机场消防车操作训练模拟器，包括:驾驶台、组合指示灯群、组合显示仪表群、模拟发动机启动开关、消防设备操纵台、消防炮朝向显示屏、消防设备启动开关、消防炮操作台、消防炮启动开关、消防炮控制摇杆、前台架消防炮控制摇杆、行车操纵系统、刹车机构、油门、方向盘、数字I/o接口、数据采集与控制系统、PLC控制器、计算机仿真系统、教员台计算机、模拟前台架消防炮、消防车运动及控制模型、飞机火灾及灭火模型、音响模拟模型、纵向与横向驱动电机、位移传感器、A/D卡、消防炮朝向指示器、视景系统、图形工作站、视景显示系统、音响模拟模型以及音箱，驾驶台(I)包括组合指示灯群(2)、组合显示仪表群(3)和模拟发动机启动开关(4);消防设备操纵台(5)包括消防炮朝向显示屏(6)和消防设备启动开关(7);消防炮操作台(8)包括消防炮启动开关(9)、消防炮控制摇杆(10)和前台架消防炮控制摇杆(11);行车操纵系统(12)包括刹车机构(13)、油门(14)和方向盘(15)，模拟前台架消防炮(18)为纵向和横向两自由度运动机构，计算机仿真系统(19)包括消防车运动及控制模型(20)、飞机火灾及灭火模型(21)和音响模拟模型(22)，消防车运动及控制模型的数据传至数据采集与控制系统， 其特征在于:模拟发动机启动开关(4)、消防设备操纵开关(7)、消防炮启动开关(9)、消防炮控制摇杆(10)和前台架消防炮控制摇杆(11)的开关信号控制线均并联接至数字I/O接口( 16);数字I/O接口的信号输出接至数据采集与控制系统(17)，行车操纵系统(12)的信号通过数据线亦接至数据采集与控制系统；数据采集与控制系统的信号输出分别接至PLC控制器(23)、计算机仿真系统(19)以及消防炮朝向指示器(24)，模拟前台架消防炮(18)分别通过纵向驱动电机(25)和横向驱动电机(26)驱动，纵向和横向两个驱动电机由PLC控制器进行控制，纵向与横向两个驱动电机各自接有一个位移传感器(27)，两个位移传感器的输出均接至A/D卡(28)，A/D卡的输出接入数据采集与控制系统，数据采集与控制系统随时与A/D卡输出的信息以及教员台计算机(29)进行数据传输与交换。
2.按照权利要求1所述的机场消防车操作训练模拟器，其特征在于:采用所述消防炮朝向指示器(24)和消防炮操作台(8)系统中炮头的指向位置，位置图像由所述消防炮朝向显示屏(6)显示输出。
3.按照权利要求1所述的机场消防车操作训练模拟器，其特征在于所述消防车运动及控制模型(20)与飞机火灾及灭火模型(21)的输出数据传至视景系统(30)中的图形工作站(31)，图形工作站生成计算机视景图像后送至视景系统中的视景显示系统(32)显示，音响模拟模型的输出传至音箱(33)播放模拟音响。
4.按照权利要求1所述的机场消防车操作训练模拟器，其特征在于所述行车操纵系统(12)采用手柄操作，所述刹车机构(13)、油门(14)和方向盘(15)可以自动回位。
全文摘要
本发明公开了一种机场消防车操作训练模拟器，其技术结构是模拟发动机启动开关、消防设备操纵开关、消防炮启动开关、消防炮控制摇杆和前台架消防炮控制摇杆的开关信号控制线均并联接至数字I/O接口，接口的输出接入数据采集与控制系统；行车操纵系统的信号亦接至数据采集与控制系统。模拟前台架消防炮分别通过纵、横向驱动电机驱动，两个驱动电机各自接有一个位移传感器，驱动电机由PLC控制器控制，位移传感器的输出通过A/D卡接入数据采集与控制系统。学员根据教员台计算机确定训练课目，可模拟完成从驾驶车辆直至高压水炮灭火的整个训练过程。视景显示屏输出逼真的灭火剂喷射情景，与此同时音响系统也输出相应的声音。
文档编号G09B9/04GK103198729SQ201310140589
公开日2013年7月10日 申请日期2013年4月22日 优先权日2013年4月22日
发明者贾立山, 王立文, 邢志伟 申请人:中国民航大学