一种舰载直升机飞行模拟器的着舰仿真方法
【专利摘要】本发明提供的一种舰载直升机飞行模拟器的着舰仿真方法，所述舰载直升机飞行模拟器包括飞行性能仿真系统、操纵采样系统、显示系统、六自由度运动系统、仪表系统和舰船模拟系统；在判断直升机与舰船甲板相对位置关系时，采用了把起落架在直升机体系下的坐标直接转换到船体系下，能够更简洁、更准确的判断直升机起落架是否在甲板上方，是否受到压缩，并方便直接计算压缩量大小。在判断直升机与舰船甲板相对速度关系时，把舰船速度通过坐标转换投影到直升机机体轴系上，方便把直升机起落架受到的力、对直升机的作用力矩直接投影到直升机体系上，提高舰载直升机模拟器着舰过程的逼真度。
【专利说明】一种舰载直升机飞行模拟器的着舰仿真方法
【技术领域】
[0001]本发明属于飞行仿真领域。本发明公开一种舰载直升机飞行模拟器的着舰仿真方法。
【背景技术】
[0002]舰载直升机着舰训练的难度和风险大。因此，进行舰载直升机着舰仿真研究，建设舰载直升机地面飞行模拟器，开展舰载直升机着舰地面飞行模拟，对飞行员训练具有极为重要的意义。如何建立能够准确模拟直升机着舰的数学模型，并在飞行模拟器上进行实现是一个急待解决的难题。在舰载直升机着舰仿真过程中主要的技术难点有:计算直升机起落架与与舰船甲板的相对位置关系；直升机与甲板碰撞时起落架受力建模。目前，从科技查新检索到国内外文献上看，直升机着舰仿真一般集中在着舰自动控制仿真、纯数字仿真领域。实际应用于飞行模拟器中的仿真方法暂时还没被查到。
【发明内容】
[0003]为了解决已有技术存在的问题，本发明提供了一种舰载直升机飞行模拟器的着舰仿真方法。该方法能在模拟器中依据舰载直升机起落架与舰船运动甲板相对位置关系，实时计算舰载直升机着舰过程中运动甲板对直升机的力、力矩作用，提高舰载直升机模拟器着舰过程逼真度。
[0004]本发明提供的一种舰载直升机飞行模拟器着舰仿真方法，使用的舰载直升机飞行模拟器，包括飞行性能仿真系统、操纵采样系统、显示系统、六自由度运动系统、仪表系统和舰船t吴拟系统；
[0005]主解算计算机分别与操纵采样计算机、舰船仿真计算机、运动平台计算机、仪表驱动计算机、成像计算机连接，舰船仿真计算机还与成像计算机连接；
[0006]所述的飞行性能仿真系统是由进行实时飞行性能计算的主解算计算机构成，该主解算计算机中存储和运行解算舰载直升机飞行参数的飞行程序，主解算计算机中还存储和运行舰载直升机飞行模拟器着舰仿真方法的软件程序；
[0007]所述的操纵采样系统是由舰载直升机飞行模拟器的驾驶舱操纵设备及与其连接的操纵采样计算机构成；驾驶舱操纵设备包括驾驶杆、脚蹬和总距；操纵采样计算机中存储和运行操纵系统的操作软件程序，并与主解算计算机进行通讯；
[0008]所述的六自由度运动系统由运动平台计算机及与其连接的六个电动缸(7，8，9，10，11，12)构成的提供实时六自由度瞬时过载的仿真系统，由运动平台计算机提供操作信息；运动平台计算机存储和运行六自由度运动系统的操作软件程序，并与主解算计算机进行通讯；
[0009]所述的仪表系统是由舰载直升机飞行模拟器座舱内的指示仪表及与其连接的仪表驱动计算机组成，由仪表驱动计算机向指示仪表提供操作信息；指示仪表包括空速表、高度表、地平仪、升降速度表、过载指示器和罗盘；仪表驱动计算机存储和运行仪表系统的操作软件程序，并与主解算计算机进行通讯；
[0010]所述的显示系统是由实时显示直升机飞行模拟器的三维场景和舰船三维模型的图形工作站及投影器、显示屏及及与之连接的成像计算机组成，由成像计算机提供操作信息；成像计算机存储和运行显示系统的操作软件程序，并与主解算计算机进行通讯；
[0011]所述的舰船模拟系统是由实时解算舰船六自由度运动模型的舰船仿真计算机构成，舰船仿真计算机存储和运行舰船模拟系统的操作软件程序，并与主解算计算机进行通讯；
[0012]所述的着舰仿真方法，按照主解算计算机中存储和运行的舰载直升机飞行模拟器的着舰仿真的软件程序进行，先介绍所述的着舰仿真软件流程，其步骤和条件如下:
[0013]步骤095，系统初始化；在系统初始化阶段定义坐标系，所使用的坐标系有:直升机体系、直升机体浮动地球坐标系、地心坐标系、船体浮动地球坐标系和船体系；
[0014]步骤100，接收信号:主解算计算机，通过网络接收操纵采样计算机的操纵采样信号和舰船仿真计算机的舰船位置、角度、线速度、角速度信号；
[0015]步骤105，参数转换:主解算计算机把接收到舰船仿真计算机发出的舰船角度、线速度、角速度参数转换为符合着舰仿真计算要求的参数；
[0016]步骤110，起落架坐标转换:主解算计算机将直升机前、左、右三个起落架在直升机体系下坐标变换到船体系下；
[0017]步骤115，判断起落架相对甲板位置关系:在船体系下能够更简洁、更准确的判断直升机起落架是否处于甲板上方、是否受到甲板压缩、压缩量多大；
[0018]步骤120，舰船线速度、角速度信号变换到直升机体系下:主解算计算机将转换过的舰船线速度、角速度信号变换到直升机体系下，该转换的目的是:在直升机体系下计算直升机与舰船的相对速度、相对角速度，计算结果不用坐标变换直接就可以用来计算起落架受到的力、力矩；
[0019]步骤125，计算飞机与舰船相对速度、相对角速度；
[0020]步骤130，计算直升机起落架的力、力矩:主解算计算机在船体系下，判断直升机起落架是否受力，受力的话，在直升机体系下计算直升机起落架的力、力矩；
[0021]步骤135，计算飞行状态参数:主解算计算机中的飞行程序依据直升机受到总的力、力矩计算出飞行加速度、速度、经度、纬度、高度、角速度、角度诸多飞行状态参数；
[0022]步骤140，主解算计算机向六自由度运动系统的运动平台发送参数:
[0023]主解算计算机将飞行状态参数输送到六自由度运动系统的运动平台计算机去控制平台六个电动缸的长度，输送到运动平台计算机的飞行状态参数有:直升机线加速度在机体轴X上分量，直升机线加速度在机体轴Y上分量，直升机线加速度在机体轴Z上分量；直升机线速度在机体轴X上分量，直升机线速度在机体轴Y上分量，直升机线速度在机体轴Z上分量；直升机角加速度在机体轴X上分量，直升机角加速度在机体轴Y上分量，直升机角加速度在机体轴Z上分量；俯仰角，滚转角，偏航角；运动平台计算机根据飞行状态参数，计算六个电动缸每一根的驱动信号，使运动平台产生位置和姿态；
[0024]步骤145，主解算计算机向仪表系统发送参数:主解算计算机将飞行状态参数输送到仪表系统的仪表驱动计算机，进而驱动直升机飞行模拟器的仪表工作，指示对应的参数值；所述的仪表有:空速表，高度表，地平仪，升降速度表，过载指示器，罗盘；输送到仪表系统的飞行状态参数数据有:直升机空速，高度，俯仰角、滚转角，升降速度、过载，航向角；
[0025]步骤150，主解算计算机向显示系统发送参数:主解算计算机将飞行状态参数输送到显示系统的成像计算机，通过投影器、屏幕显示飞行员视角观察到的舰载直升机着舰时三维场景；输送到显示系统的飞行状态参数数据有:直升机经度，纬度，高度，俯仰角、滚转角，航向角；
[0026]步骤155，如果继续，重复步骤105至步骤150 ;否则，进行步骤160 ；
[0027]步骤160，结束。
[0028]有益效果:本发明提供的一种舰载直升机飞行模拟器的着舰仿真方法，在判断直升机与舰船甲板相对位置关系时，采用了把起落架在直升机体系下的坐标直接转换到船体系下，能够更简洁、更准确的判断直升机起落架是否在甲板上方，是否受到压缩，并方便直接计算压缩量大小。在判断直升机与舰船甲板相对速度关系时，把舰船速度通过坐标转换投影到直升机机体轴系上，方便把直升机起落架受到的力、对直升机的作用力矩直接投影到直升机体系上，提高舰载直升机模拟器着舰过程的逼真度。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]图1是本发明的舰载直升机飞行模拟器结构方框示意图。
[0030]图2是本发明的舰载直升机飞行模拟器软件流程图。
[0031]图3是本发明的舰载直升机的机轮支撑力计算流程图。
[0032]图4是本发明的舰载直升机的机轮纵向摩擦力计算流程图。
[0033]图5是本发明的舰载直升机的机轮侧向摩擦力计算流程图。
【具体实施方式】
[0034]下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。
[0035]该方法在模拟舰载直升机着舰过程时，需要对直升机、舰船两个六自由度仿真模型做出相对位置、相对速度做出判断，以便计算直升机着舰时的力、力矩。在判断直升机与舰船甲板相对位置关系时，采用了把起落架在直升机体系下的坐标直接转换到船体系下。在判断直升机与舰船甲板相对速度关系时，把舰船速度通过坐标转换投影到直升机体系上，把直升机起落架受到的力、对直升机作用力矩直接投影到直升机体系上。所以本方法涉及多个坐标系及坐标系转换。实施例1如图1所示，一种舰载直升机飞行模拟器的着舰仿真方法，使用的舰载直升机飞行模拟器，包括飞行性能仿真系统、操纵采样系统、显示系统、六自由度运动系统、仪表系统和舰船模拟系统；
[0036]主解算计算机(I)分别与操纵采样计算机(2)、舰船仿真计算机(3)、运动平台计算机(4)、仪表驱动计算机(5)、成像计算机(6)连接，舰船仿真计算机(3)还与成像计算机
(6)连接；
[0037]所述的飞行性能仿真系统是由进行实时飞行性能计算的主解算计算机(I)构成，该主解算计算机(I)中存储和运行解算舰载直升机飞行参数的飞行程序，主解算计算机
(I)中还存储和运行舰载直升机飞行模拟器着舰仿真方法的软件程序；
[0038]所述的操纵采样系统是由舰载直升机飞行模拟器的驾驶舱操纵设备及与其连接的操纵采样计算机(2)构成；驾驶舱操纵设备包括驾驶杆、脚蹬和总距；操纵采样计算机(2)中存储和运行操纵系统的操作软件程序，并与主解算计算机(I)进行通讯；
[0039]所述的六自由度运动系统由运动平台计算机⑷和与之连接的六个电动缸(7，8，9，10，11，12)构成的提供实时六自由度瞬时过载的仿真系统，由运动平台计算机(4)提供操作信息；运动平台计算机(4)存储和运行六自由度运动系统的操作软件程序，并与主解算计算机(I)进行通讯；
[0040]所述的仪表系统是由舰载直升机飞行模拟器座舱内的指示仪表及与其连接的仪表驱动计算机(5)组成，由仪表驱动计算机(5)向指示仪表提供操作信息；指示仪表包括空速表、高度表、地平仪、升降速度表、过载指示器和罗盘；仪表驱动计算机(5)存储和运行仪表系统的操作软件程序，并与主解算计算机(I)进行通讯；
[0041]所述的显示系统是由实时显示直升机飞行模拟器的三维场景和舰船三维模型的图形工作站及投影器、显示屏及与之连接的成像计算机(6)组成，由成像计算机提供操作信息；成像计算机(6)存储和运行显示系统的操作软件程序，并与主解算计算机(I)进行通讯；
[0042]所述的舰船模拟系统是由实时解算舰船六自由度运动模型的舰船仿真计算机(3)构成，舰船仿真计算机 (3)存储和运行舰船模拟系统的操作软件程序，并与主解算计算机
(I)进行通讯:
[0043]所述的的着舰仿真方法，按照主解算计算机(I)中存储和运行的舰载直升机飞行模拟器的着舰仿真的软件程序进行(所述的着舰仿真软件流程图如图2所示)，其步骤和条件如下:
[0044]步骤095，系统初始化；在系统初始化阶段定义坐标系，所使用的坐标系有:直升机体系、直升机体浮动地球坐标系、地心坐标系、船体浮动地球坐标系和船体系。
[0045]a.各坐标系的定义如下:
[0046]a.1直升机体系(oxht yht zht):原点ο位于飞行器质心,oxht沿飞机纵轴指向前方，oyht在飞机对称面内垂直于oxht指向上方，ozht垂直于飞机对称面指向右方。
[0047]a.2直升机体浮动地球坐标系(oxhf yhf zhf):原点ο位于飞行器质心，oxhf沿指向正北方，oyhf沿当地铅垂线指向上方，Ozhf指向东方。根据此定义该坐标系可称为“北-上-东”坐标系。由于大地是球体，当飞行器运动时，该坐标系原点与指向是变化的。
[0048]a.3地心坐标系(oxc y。zc):原点位于地心,与地球一起旋转。oy。在赤道平面内通过λ = O的子午线，οζ。在赤道平面内通过东经λ = 90度子午线，οχ。垂直于赤道平面指向北极(地球半径rd:6371288米，地理经度λ:从格林威洽子午线算起，东经为正，西经为负，定义域为-180° ( λ <180°，地理纬度；从赤道算起，北纬为正，南纬为负。定义域为-C1.--)。
[0049]a.4船体浮动地球坐标系(oxtf ytf ztf):原点位于船体重心,oxtf沿指向正北方，oytf沿当地铅垂线指向上方，oztf指向东方:根据此定义该坐标系可称为“北-上-东”坐标系。
[0050]a.5船体系(Oxsrt yst zst):原点位于船体重心，oxst指向船首方向，oyst在船体对称面内垂直于oxst指向上，ozst垂直于xstyst平面指向右。
[0051]步骤100，接收信号:主解算计算机(I)，通过网络接收操纵采样计算机(2)的操纵采样信号和舰船仿真计算机(3)的舰船位置、角度、线速度、角速度信号。[0052]步骤105，参数转换按如下步骤进行:
[0053]b.1舰船模拟系统参数转换
[0054]主解算计算机(I)把接收到的舰船仿真计算机(3)发出的在舰船模拟系统坐标系下定义的速度、角速度、角度参数转换为符合着舰仿真计算要求的参数。
[0055]b.1.1舰船模拟系统的坐标系及参数定义
[0056](I)船体浮动地球坐标系(OXtf' ytf' Ztf1 ):原点位于船体重心，OXtf'指向正北方，oytf,指向东方，Ozt/沿当地铅垂线指向球心方向。根据此定义该坐标系可称为“北-东-下”坐标系。
[0057](2)船体系(oxs/ yst' Zst 1 ):原点位于船体重心，OXst'沿指向船首方向，oyst/垂直于船对称面指向右，Ozst'垂直于Xst' yst'平面指向下(符合右手定则)。
[0058]
[0059]
[0060](3)横摆角(滚转角.<):绕船体..向右倾斜为正。单位弧度。
[0061](4)纵摇角(俯仰角< ):绕船体,向下低头为正。单位弧度。
[0062](5)艏摆角(偏航角)绕船体二/,向右偏航为正。单位弧度。
[0063](6)速度在船体轴的分量:? ,沿坐标轴正方向为正，单位m/s
[0064](7)角速度在船体轴的分量:' ,沿坐标轴正方向为正，单位rad/s
[0065](8)舰船重心偏离地球面的距离Alts,向上为下，向下为负，单位米。
[0066](9)甲板宽度WIDE、甲板长度LONG、甲板距重心距离DIS,单位米。
[0067]b.1.2参数转换
[0068]参数转换由主解计算机(I)完成，转换结果供步骤b.2.4，b.3.1，
[0069]b.3.2 计算用。
[0070](I)输入数据:由舰船仿真计算机(3)通过网络发出的舰船横摆角Y ’ 3，纵摇角θ' z，艏摆角Ψ' z，速度在船体轴的分量:VX' st，vy' st，vz' st，角速度在船体轴的分量:WX' st，wy' st,wz' st)；
[0071](2)输出数据:符合着舰计算要求的舰船角度(0s、Ys、Vs)、速度(vxst，vyst,VZst)、角速度(WXst，wyst，WZst):
[0072](3)算法:
[0073]
【权利要求】
1.一种舰载直升机飞行模拟器着舰仿真方法，其步骤和条件如下: 使用的舰载直升机飞行模拟器，包括飞行性能仿真系统、操纵采样系统、显示系统、六自由度运动系统、仪表系统和舰船模拟系统； 主解算计算机(I)分别与操纵采样计算机(2)、舰船仿真计算机(3)、运动平台计算机(4)、仪表驱动计算机(5)、成像计算机(6)连接，舰船仿真计算机(3)还与成像计算机(6)连接; 所述的飞行性能仿真系统是由进行实时飞行性能计算的主解算计算机(I)构成，该主解算计算机(I)中存储和运行解算舰载直升机飞行参数的飞行程序，主解算计算机(I)中还存储和运行舰载直升机飞行模拟器着舰仿真方法的软件程序； 所述的操纵采样系统是由舰载直升机飞行模拟器的驾驶舱操纵设备及与其连接的操纵采样计算机(2)构成；驾驶舱操纵设备包括驾驶杆、脚蹬和总距；操纵采样计算机(2)中存储和运行操纵系统的操作软件程序，并与主解算计算机(I)进行通讯； 所述的六自由度运动系统由运动平台计算机(4)及与其连接的六个电动缸(7，8，9，10，11，12)构成的提供实时六自由度瞬时过载的仿真系统，由运动平台计算机(4)提供操作信息；运动平台计算机(4)存储和运行六自由度运动系统的操作软件程序，并与主解算计算机(I)进行通讯； 所述的仪表系统是由舰载直升机飞行模拟器座舱内的指示仪表及与其连接的仪表驱动计算机(5)组成，由仪表驱动计算机(5)向指示仪表提供操作信息；指示仪表包括空速表、高度表、地平仪、升降速度表、过载指示器和罗盘；仪表驱动计算机(5)存储和运行仪表系统的操作软件程序，并与主解算计算机(I)进行通讯； 所述的显示系统是由实时显示直升机飞行模拟器的三维场景和舰船三维模型的图形工作站及投影器、显示屏及与之连接的成像计算机(6)组成，由成像计算机提供操作信息；成像计算机(6)存储和运行显示系统的操作软件程序，并与主解算计算机(I)进行通讯；所述的舰船模拟系统是由实时解算舰船六自由度运动模型的舰船仿真计算机(3)构成，舰船仿真计算机(3)存储和运行舰船模拟系统的操作软件程序，并与主解算计算机(I)进行通讯； 所述的着舰仿真方法，按照主解算计算机(I)中存储和运行的舰载直升机飞行模拟器的着舰仿真的软件程序进行，其步骤和条件如下: 定义坐标系，所使用的坐标系有:直升机体系、直升机体浮动地球坐标系、地心坐标系、船体浮动地球坐标系和船体系； 接收信号:主解算计算机(1)，通过网络接收操纵操纵采样计算机(2)的操纵采样信号和舰船仿真计算机(3)的舰船位置、角度、线速度、角速度信号； 参数转换:主解算计算机(I)把接收到舰船仿真计算机(3)发出的舰船角度、线速度、角速度参数转换为符合着舰仿真计算要求的参数； 起落架坐标转换:主解算计算机(I)将直升机前、左、右三个起落架在直升机体系下坐标变换到船体系下； 判断起落架相对甲板位置关系:在船体系下能够更简洁、更准确的判断直升机起落架是否处于甲板上方、是否受到甲板压缩、压缩量多大； 舰船线速度、角速度信号变换到直升机体系下主解算计算机(I)将转换过的舰船线速度、角速度信号变换到直升机体系下，该转换的目的是:在直升机体系下计算直升机与舰船的相对速度、相对角速度，计算结果不用坐标变换直接就可以用来计算起落架受到的力、力矩； 计算飞机与舰船相对速度、相对角速度； 计算直升机起落架的力、力矩:主解算计算机(I)在船体系下，判断直升机起落架是否受力，受力的话，在直升机体系下计算直升机起落架的力、力矩； 计算飞行状态参数:主解算计算机(I)中的飞行程序依据直升机受到总的力、力矩计算出飞行加速度、速度、经度、纬度、高度、角速度、角度诸多飞行状态参数； 主解算计算机向六自由度运动系统的运动平台发送参数:主解算计算机(I)将飞行状态参数输送到六自由度运动系统的运动平台计算机(4)去控制平台六个电动缸的长度，输送到运动平台计算机(4)的飞行状态参数有:直升机线加速度在机体轴X上分量，直升机线加速度在机体轴Y上分量，直升机线加速度在机体轴Z上分量；直升机线速度在机体轴X上分量，直升机线速度在机体轴Y上分量，直升机线速度在机体轴Z上分量；直升机角加速度在机体轴X上分量，直升机角加速度在机体轴Y上分量，直升机角加速度在机体轴Z上分量；俯仰角，滚转角，偏航角；运动平台计算机根据飞行状态参数，计算六个电动缸每一根的驱动信号，使运动平台产生位置和姿态； 主解算计算机向仪表系统发送参数:主解算计算机(I)将飞行状态参数输送到仪表系统的仪表驱动计算机(5)，进而驱动直升机飞行模拟器的仪表工作，指示对应的参数值；所述的仪表有:空速表，高度表 ，地平仪，升降速度表，过载指示器，罗盘；输送到仪表系统的飞行状态参数数据有:直升机空速，高度，俯仰角、滚转角，升降速度、过载，航向角； 主解算计算机向显示系统发送参数:将飞行状态参数输送到显示系统的成像计算机(6)，通过投影器、屏幕显示飞行员视角观察到的舰载直升机着舰时三维场景；输送到显示系统的飞行状态参数数据有:直升机经度，纬度，高度，俯仰角、滚转角，航向角； 如果继续，重复参数转换步骤至主解算计算机(I)向显示系统发送参数步骤；否则，结束。
【文档编号】G06F17/50GK103942085SQ201310744897
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2013年12月31日 优先权日:2013年12月31日
【发明者】李友毅, 李松维, 侯宇航, 张志春, 胥文, 徐坤, 盖永军, 何昀 申请人:中国人民解放军空军航空大学军事仿真技术研究所