一种用于飞行模拟的联动平台及其控制方法与流程

本发明涉及飞行模拟开发技术领域，具体涉及一种用于飞行模拟的联动平台及其控制方法。

背景技术：

随着科技的发展，现代人类的出行已经极为方便，而飞行无疑是目前人类出行的重要交通方式之一。在我国的航空飞行领域,每年都需要对数量相当的飞行员进行培训模拟飞行,目前我国飞行模拟器存在一些通病:成本昂贵、运输不便、难以重复利用、任务模式单一、可维护性差、难以进行功能扩展。飞行模拟器的高昂的成本一定程度上限制了飞行员的训练以及成长模式和速度，也严重影响着我国飞行员培养的整体水平发展。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种用于飞行模拟的多舱联动平台，解决现有现有飞行模拟器成本昂贵、运输不便、难以重复利用、任务模式单一、可维护性差、难以进行功能扩展等问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

在本发明第一方面目的提供了一种用于飞行模拟的联动平台，包括多个stewart六自由度运动平台系统、控制系统、多个飞机舱体，所述多个stewart六自由度运动平台系统用于承载飞机舱体，并带动所述多个飞机舱体实现各种空间运动；所述控制系统用于根据多个stewart六自由度运动平台系统和多个飞机舱体的实时状态信息判断所述多个stewart六自由度运动平台系统是否正常以及保证所述多个stewart六自由度运动平台系统同步运动；所述多个飞机舱体组成飞行模拟器。

在本发明的第一个实施例中，每个stewart六自由度运动平台系统包括地基、上平台、动力源、传动机构，所述地基用于为动力源和传动机构提供支撑；所述动力源用于为上平台提供动力，并通过传动机构分别与上平台、地基连接；所述传动机构的两端分别与上平台、地基连接；所述上平台用于承载飞机舱体并带动舱体实现各种空间运动。

进一步的，所述动力源包括伺服电动缸和气缸，所述伺服电动缸用于为上平台提供动力源并支撑其运动；所述气缸用于平衡上平台的在运动过程中的自重以及为上平台提供安全缓冲。

更进一步的，所述伺服电动缸设有霍尔传感器，所述霍尔传感器用于限制伺服电动缸的最大和最小行程。

更进一步的，为了保障设备和人员的安全，所述伺服电动缸的电机带有抱闸，当系统出现故障或者断电时，电机制动器迅速启动，立即抱死电动缸，从而使平台能立即停止运动，保持在当前位置，不因自身以及舱体的惯性继续运动。

在上述的一些实施例中，所述伺服电动缸与所述气缸数量比小于2:1。

在本发明的第二个实施例中，所述控制系统包括plc、多个运动控制器、上位机，所述plc用于获取状态信息并将所述实时状态信息发送给上位机；所述上位机根据接收到的实时状态信息确定所述多个stewart六自由度运动平台系统是否满足运行要求，以及将预设的运动姿态数据发送给多个运动控制器并保证其数据同步和向所述多个运动控制器发出同步信号；

所述多个运动控制器分别与对应stewart六自由度运动平台系统的动力源连接，用于根据所述预设的运动姿态数据实时计算出对应上平台的位姿并根据所述上平台对应的动力源反馈得出该动力源的的运动参数并根据所述同步信号统一执行。

进一步的，为了保证所述多个运动控制器数据同步和控制同步，所述多个运动控制器包括一个第一运动控制器和多个第二运动控制器，所述第一运动控制器的时钟被配置为所述同步信号的基准时钟；所述多个第二运动控制器的时钟被配置为根据所述基准时钟进行时钟同步。

在上述的实施例中，所述实时状态信息包括动力源的位置、力矩、温度、电流、气压值，以及飞机舱门锁紧状态、安全带扣紧状态、各个stewart六自由度运动平台系统之间的相对距离。

在本发明第二方面目的提供了根据第二个实施例提供的用于飞行模拟的联动平台的控制方法，包括如下步骤：上位机确定各设备状态满足运行要求；上位机将预设的运动姿态数据发送给多个运动控制器，所述多个运动控制器根据所述预设的运动姿态数据实时计算出对应上平台的位姿并根据所述上平台对应的动力源反馈得出该动力源的的运动参数并根据所述同步信号统一执行。

进一步的，所述多个运动控制器根据接收数据中的同步周期数据与上位机的调节时间来确定数据交换的执行延时或提前时间量。

进一步的，所述上位机采用udp协议通过工业级局域网交换机与所述多个运动控制器进行数据交换。

本发明的有益效果是：

1.将原本很大很长的飞行模拟器舱体分解成为多段，节省了制造、安装以及运输和维护的成本，同时将原本所需的庞大的运动平台分解为多个较小的运动平台，大大减小运动平台的制造、安装以及运输和维护的成本。根据预设程序实时改变多个运动平台的姿态，即改变伺服电动缸和气缸的行程，使设备可以实现舱体的俯仰、横滚、航向、横移、纵移和升降六个自由度的同步姿态运动。

2.通过增加plc、气缸伺服电动缸的抱闸与霍尔传感器构成飞机模拟舱体安全机制，保障设备和人员的安全。

3.通过使用udp协议通信增强数据时效性，采用工业级局域网交换机降低数据延迟与丢包概率，以及时钟同步机制，保证数据与控制能保持在毫秒级的精度的同步。

附图说明

图1为本发明的一些施例中的飞行模拟的联动平台的整体结构示意图；

图2为单个stewart六自由度运动平台系统示意图；

图3为本发明的飞行模拟的联动平台在工作时的状态示意图；

图4为本发明的一些施例中的控制系统的结构示意图；

图5为本发明的一些施例中的飞行模拟的联动平台的控制方法；

图6为本发明的一些施例中的上位机综合控制监控软件的工作流程图。

附图标记：1、飞机舱体；2、stewart六自由度运动平台系统；3、上平台；4、传动机构；41、铰链座；5、动力源；51、伺服电动缸；52、气缸；7、地基；71预埋钢混地基；8、控制系统；81、plc；82、上位机；83、运动控制器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

参考图1，本发明第一方面目的提供了一种用于飞行模拟的联动平台，包括多个stewart六自由度运动平台系统2、控制系统8、多个飞机舱体1，所述多个stewart六自由度运动平台系统2用于承载飞机舱体，并带动所述多个飞机舱体1实现各种空间运动；所述控制系统8用于根据多个stewart六自由度运动平台系统2和多个飞机舱体1的实时状态信息判断所述多个stewart六自由度运动平台系统2是否正常以及保证所述多个stewart六自由度运动平台系统2同步运动；所述多个飞机舱体1组成飞行模拟器。具体地，上述飞行模拟的三舱联动平台，包括三台用于放置飞机舱体1的stewart六自由度运动平台系统2，通过三个stewart六自由度运动平台系统2的联动配合，实现三个舱体的同步运动。

参考图2和图3，在本发明的第一个实施例中，每个stewart六自由度运动平台系统2包括地基7、上平台3、动力源5、传动机构4，所述地基7用于为动力源5和传动机构4提供支撑；所述动力源5用于为上平台3提供动力，并通过传动机构4分别与上平台3、地基7连接；所述传动机构4的两端分别与上平台3、地基7连接；所述上平台3用于承载飞机舱体1并带动舱体实现各种空间运动。

进一步的，所述动力源5包括伺服电动缸51和气缸52，所述伺服电动缸51用于为上平台3提供动力源并支撑其运动；所述气缸52用于平衡上平台3的在运动过程中的自重以及为上平台3提供安全缓冲。具体地，每个stewart六自由度运动平台系统2包括一个上平台3、十八个铰链座41、六支伺服电动缸51、三支气缸52、一个预埋钢混地基71。预埋件钢混地基71作为stewart六自由度运动平台系统2的安装基础，通过混凝土灌浆与地面固定。上平台3用于承载飞机舱体1，并带动负载实现各种空间运动。伺服电动缸51和气缸52的上下部均通过铰链座41与上平台3和预埋钢混地基71连接。伺服电动缸51为上平台3提供动力源。当上平台3运动时,加速度载荷和负载的一部分不平衡自重由其承担,气缸52在运动的过程中平衡上平台的自重,也起到安全缓冲的作用。

更进一步的，所述伺服电动缸51设有霍尔传感器，所述霍尔传感器用于限制伺服电动缸51的最大和最小行程。

更进一步的，为了保障设备和人员的安全，所述伺服电动缸51的电机带有抱闸，当系统出现故障或者断电时，电机制动器迅速启动，立即抱死电动缸，从而使平台能立即停止运动，保持在当前位置，不因自身以及舱体的惯性继续运动。

为提高stewart六自由度运动平台系统2的安全性，在上述的实施例中，所述伺服电动缸51与所述气缸数量52比小于2:1。

参考图4，在本发明的第二个实施例中，每个stewart六自由度运动平台系统2与实施例1相同，所不同的是：控制系统8包括plc(programmablelogiccontroller，可编程逻辑控制器)81、上位机82、多个运动控制器83，所述plc81用于获取实时状态信息并将所述实时状态信息发送给上位机82；上位机82根据接收到的实时状态信息确定所述多个stewart六自由度运动平台2系统满足运行要求，以及将预设的运动姿态数据发送给多个运动控制器83并保证其数据同步和向所述多个运动控制器83发出同步信号；所述多个运动控制器83分别与对应stewart六自由度运动平台系统2的动力源5连接，用于根据所述预设的运动姿态数据实时计算出对应上平台3的位姿(位置姿态)并根据所述上平台3对应的动力源5反馈得出该动力源5的的运动参数并根据所述同步信号统一执行。

具体地，plc81主要负责采集外部传感器信息、内部按键开关信号、检查安全保护措施，包括：飞机舱门闭合状态、安全带扣紧状态、三舱相对距离变化、辅助支撑气缸压力、控制台模式锁定状态、急停开关状态等。

进一步的，为了保证所述多个运动控制器83的数据同步和控制同步，所述多个运动控制器83包括一个第一运动控制器和多个第二运动控制器，所述第一运动控制器的时钟被配置为所述同步信号的基准时钟；所述多个第二运动控制器的时钟被配置为根据所述基准时钟进行时钟同步。

在上述的实施例中，所述实时状态信息包括动力源的位置、力矩、温度、电流、气压值，以及飞机舱门锁紧状态、安全带扣紧状态、各个stewart六自由度运动平台系统2之间的相对距离。

参考图4，在本发明第二方面目的提供了根据第二个实施例提供的用于飞行模拟的联动平台的控制方法，包括如下步骤：s100.上位机82确定各设备(stewart六自由度运动平台系统2以及飞机舱体1)状态满足运行要求；s105.上位机82将预设的运动姿态数据发送给多个运动控制器83；s110.所述多个运动控制器83根据所述预设的运动姿态数据实时计算出对应上平台3的位姿并根据所述上平台3对应的动力源5反馈得出该动力源5的的运动参数并根据所述同步信号统一执行。

进一步的，多个运动控制器83根据接收数据中的同步周期数据与上位机82的调节时间来确定数据交换的执行延时或提前时间量。

进一步的，上位机82采用udp协议通过工业级局域网交换机与所述多个运动控制器83进行数据交换。

具体地，在运动的过程中，上位机82通过综合控制监控软件接收各运动控制器反馈的伺服驱动器实时位置、实时力矩、温度、电流等相关信息，以及接收plc81反馈的辅助支撑气缸气压值、飞机舱门锁紧状态、安全带扣紧状态、三舱之间的相对距离，判定系统的运转状态是否正常。当出现异常或故障时，上位机82通过综合控制监控软件会自动触发保护措施，快速停止设备的运行，发出警报并显示故障点，以此来保障人员与设备安全。

所有数据交换(运动控制器与控制系统、控制系统与plc)，均接入局域网，使用udp(userdatagramprotocol，用户数据报)协议通信协议增强数据时效性。同时采用工业级局域网交换机降低数据延迟与丢包概率。针对多舱同步性要求，以三舱同步为例，使用下述方案实现：在所有运动控制器83启动时，上位机82通过综合控制监控软件会进行一次轮询握手，并采集所有运动控制器83的自有时钟器数据。上位机82通过综合控制监控软件采集到所有运动控制器83的自有时钟器数据后，以一号运动控制器的时钟器为基准，通知二号、三号运动控制器进行时钟器校准，进行一次时钟同步。当整个系统开始运行时，在每一个运动控制器回传的数据中，都包含其在执行上一次操作所花费的时间周期，上位机82通过综合控制监控软件完整接收到所有运动控制器的数据后，依旧以一号运动控制器的上一次操作花费的执行时间周期为基准，调节二号、三号运动控制器中的同步数据周期并发送给控制器。二号、三号运动控制器根据接收数据中的同步时间与上位机82通过综合控制监控软件计算的调节时间来确定本次数据的执行延时或提前时间量。以此来保证数据与控制能保持在毫秒级的精度。需要说明的是，上述一号、二号、三号仅为了说明的方面，并不能作为具体运动控制器83的限定。

参考图3与图5、图6，上位机82通过综合控制监控软件控制上平台3的具体工作过程如下：首先操作台(操作上平台)上电、上位机82综合控制监控软件打开，在通过检查之后，平台(上平台3)开始上电。在上位机82综合控制监控软件或上平台3上选择机身段位，之后由上位机82综合控制监控软件依次执行开始、升起、运行等操作；然后在上位机82综合控制监控软件上选择相应的模拟运动：单步运动、自定义模拟、复合抖动模拟、状态复现等；接着输入上述模拟运动的相应的参数，上平台3在接收到相应参数后，开始控制气缸52带动上平台3执行相应运动。待运动结束后，上平台3恢复到中立位，然后降落恢复到等待执行模拟状态(待机状态)。

需要说明的是，上位机包括个人计算机、膝上型计算机、计算机终端、个人数字助手、掌上计算设备、以及连网的无线通讯设备(比如具有微浏览器移动电话)，而且并不限于此。这些设备通常有用户接口、用户接口包括有显示器、输入接口(如键盘)和一个点击设备(如鼠标，跟踪球，远距离操纵手柄，导航键盘或按键式键盘)；甚至是由摄像头和运动传感器组成的姿态识别装置用于捕获和识别用户的姿态与动作以转换为相应的指令。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置的实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

上述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例中方案的目的。另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

上述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(read-onlymemory，rom)、随机存取存储器(randomaccessmemory，ram)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。