CN102013187B - 具有持续性过载模拟能力的飞行模拟器系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有持续性过载模拟能力的飞行模拟系统，该飞行模拟系统包括有飞行模拟器和过载分量模型。过载分量模型存储在一PC机中。飞行模拟器包括有吊舱、滚转架、旋臂、配重块、基座组件、第一驱动组件、第二驱动组件、第三驱动组件和第四驱动组件；其中，旋臂、吊舱和滚转架构成运动载人离心平台；运动载人离心平台受基座组件中的电机驱动、以及第一驱动组件、第二驱动组件、第三驱动组件和第四驱动组件的驱动实现持续性的、而非瞬时的过载。对本发明的飞行模拟系统的控制通过受训练者操纵飞机座舱中各设备输出的飞行参数，然后由过载分量模型对飞行参数的处理，从而得到三轴过载所需的控制参数，最后通过控制旋臂的角速度和吊舱的滚转、俯仰角度，实现了对受训练者三轴持续性过载的精确模拟。

Description

具有持续性过载模拟能力的飞行模拟器系统

技术领域

本发明涉及一种地面飞行模拟系统，更特别地说，是指一种能够模拟实际飞行时产生的三个轴向持续性过载的地面飞行模拟系统。

背景技术

现代高性能飞机在机动时会产生非常大的过载，对人体生理有非常大的影响。这种过载的特点是峰值较大，最大过载可达9g(g为重力加速度常数，9.81m/s²)；过载加载快，增长率可达6g/s；过载的持续时间也较长，可持续数秒并可能反复出现。这种持续时间较长的较大过载严重影响飞行员在空战机动时的空间感和形势判断能力，飞行员可能出现短暂黑视、空间定位错觉甚至意识丧失，造成机毁人亡的严重飞行事故。这里所说的过载是指作用于飞行器或飞行员身体上的除重力以外的力产生的加速度与重力加速度常数之比。

航空医学研究表明，如果能对飞行员进行反复的高过载情况下的飞行训练，则可明显提高飞行员的过载耐受能力。但采用真实的飞机进行高过载科目的训练，不仅消耗飞机有限的结构寿命，还可能危及飞行安全。因此最好是能在地面模拟器上为飞行员提供各种机动下的过载体验。

地面飞行模拟器是在地面模拟飞行器空中飞行和地面运动的设备，按照其基座是否能运动可分为固定基座飞行模拟器和运动基座飞行模拟器。

固定基座飞行模拟器因其平台固定，对模拟器的体积和重量限制较少，其视景仿真和座舱仿真(座舱布局、音效等)可达到较高的逼真度，同时成本可以控制的较低，但其不具备过载模拟能力，受训飞行员(受训练者)没有运动输入，飞行模拟的真实感较差。

运动基座飞行模拟器目前一般采用Stewart六自由度机构(参见：Stewart D.Aplatform with six degree-of-freedom.Proceedings of the Institute forMechanical Engineering.1965，180：371-386)作为其运动平台，既有视景仿真又有有限的瞬时过载模拟能力(约为0.1g～1.9g，g为重力加速度常数，9.81m/s²)，目前已广泛应用于民航客机等低机动飞机的飞行训练，但应用于高机动飞机的飞行训练时受其运动平台工作范围的限制，只能模拟飞机有限的位移变化及微量的角加速度变化，且没有持续载荷模拟功能，模拟器的逼真度不高，飞行训练效果较差。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有持续性过载模拟能力的飞行模拟系统，该飞行模拟系统通过在地面模拟实际飞行时产生的三个轴向(胸-背向、左-右向、头-足向)持续性过载，并结合视景仿真为受训练者提供尽可能接近实际飞行的模拟飞行环境，以在地面进行安全可控的高机动飞行训练，提高受训练者的抗过载能力，熟练掌握高过载飞行机动。

本发明的一种具有持续性过载模拟能力的飞行模拟器系统，该飞行模拟器系统借助飞机座舱输出的飞行参数作为过载分量的输入信息；所述飞行参数经过载分量模型整合得到需要加载到受训练者身上的过载G_xc、G_yc和G_zc。

本发明的一种具有持续性过载模拟能力的飞行模拟器系统，其飞行模拟器系统中的飞行模拟器包括有吊舱(1)、滚转架(2)、旋臂(3)、配重块(4)、基座组件(5)、第一驱动组件(6)、第二驱动组件、第三驱动组件和第四驱动组件；其中，旋臂(3)、吊舱(1)和滚转架(2)构成运动载人离心平台；

第一驱动组件(6)包括有A直流力矩电机(61)、A联轴器(62)、第一转轴(63)、A滚珠轴承(64)、B滚珠轴承(65)和A电机支架(66)，凸字形A电机支架(66)的两端固定在滚转架(2)的第一边梁(21)上，A电机支架(66)的中间面板上安装有A直流力矩电机(61)，A直流力矩电机(61)的输出轴穿过A电机支架(66)的中间面板上的通孔后连接在A联轴器(62)的一端，A联轴器(62)的另一端连接在第一转轴(63)的一端上，第一转轴(63)的另一端顺次穿过A滚珠轴承(64)、B滚珠轴承(65)后连接在吊舱(1)的B半球壳(1B)的安装孔(1C)内，A滚珠轴承(64)和B滚珠轴承(65)安装在滚转架(2)的第一边梁(21)的A通孔(211)内；

第二驱动组件包括有B直流力矩电机、B联轴器、第二转轴(63B)、C滚珠轴承、D滚珠轴承和B电机支架，凸字形B电机支架的两端固定在B支臂(34)的外侧，B电机支架的中间面板上安装有B直流力矩电机，B直流力矩电机的输出轴穿过B电机支架的中间面板上的通孔后连接在B联轴器的一端，B联轴器的另一端连接在第二转轴(63B)的一端上，第二转轴(63B)的另一端顺次穿过C滚珠轴承、D滚珠轴承后连接在滚转架(2)的第二边梁(22)的B通孔(221)内；C滚珠轴承和D滚珠轴承安装在B支臂(34)的C轴孔(36)内；

第三驱动组件包括有C直流力矩电机、C联轴器、第三转轴(63C)、E滚珠轴承、F滚珠轴承和C电机支架，凸字形C电机支架的两端固定在滚转架(2)的第三边梁(23)上，C电机支架的中间面板上安装有C直流力矩电机，C直流力矩电机的输出轴穿过C电机支架的中间面板上的通孔后连接在C联轴器的一端，C联轴器的另一端连接在第三转轴(63C)的一端上，第三转轴(63C)的另一端顺次穿过E滚珠轴承、F滚珠轴承后连接在吊舱(1)的A半球壳(1A)的安装孔内；E滚珠轴承和F滚珠轴承安装在滚转架(2)的第三边梁(23)的C通孔(231)内；

第四驱动组件包括有D直流力矩电机、D联轴器、第四转轴(63D)、G滚珠轴承、H滚珠轴承和D电机支架，凸字形D电机支架的两端固定在A支臂(33)的外侧，D电机支架的中间面板上安装有D直流力矩电机，D直流力矩电机的输出轴穿过D电机支架的中间面板上的通孔后连接在D联轴器的一端，D联轴器的另一端连接在第四转轴(63D)的一端上，第四转轴(63D)的另一端顺次穿过G滚珠轴承、H滚珠轴承后连接在滚转架(2)的第四边梁(24)的D通孔(241)内；G滚珠轴承和H滚珠轴承安装在A支臂(33)的B轴孔(35)内。

吊舱(1)包括有第一半球壳(1A)、第二半球壳(1B)、模拟飞行座椅(10B)、支撑板(10C)、球幕投影显示器(10D)、平视显示器(10E)、仪表显示面板(10F)。

第一半球壳(1A)与第二半球壳(1B)固定连接后形成一个球体壳，为了方便受训练者(10A)的进出，并在球体壳的下方开了一个窗口，该窗口上安装有一个门。

支撑板(10C)安装在球体壳内的底部，模拟飞行座椅(10B)安装在支撑板(10C)的中心位置上；当打开门时，受训练者(10A)的脚能够蹬踏在所述支撑板(10C)上，方便受训练者(10A)进入球体壳内完成高机动飞行训练。

滚转架(2)为四边形框架结构，在滚转架(2)的第一边梁(21)的中心位置开有A通孔(211)，第二边梁(22)的中心位置开有B通孔(221)，第三边梁(23)的中心位置开有C通孔(231)，第四边梁(24)的中心位置开有D通孔(241)。

所述A通孔(211)用于放置第一驱动组件(6)的A滚珠轴承(64)和B滚珠轴承(65)。

所述B通孔(221)用于放置第二驱动组件的C滚珠轴承和D滚珠轴承。

所述C通孔(231)用于放置第三驱动组件的E滚珠轴承和F滚珠轴承。

所述D通孔(241)用于放置第四驱动组件的G滚珠轴承和H滚珠轴承。

旋臂(3)的一端开有A轴孔(31)，旋臂(3)的另一端为U形叉(32)结构，U形叉(32)的A支臂(33)上开有B轴孔(35)，U形叉(32)的B支臂(34)上开有C轴孔(36)；旋臂(3)上开减重孔(37)。

A轴孔(31)内安装有J滚珠轴承(55)和K滚珠轴承(56)。

B轴孔(35)内安装有G滚珠轴承和H滚珠轴承。

C轴孔(36)内安装有C滚珠轴承和D滚珠轴承。

基座组件(5)的底盘(52)的底部安装有带有减速器的交流电机(53)，交流电机(53)的输出轴连接在E联轴器(57)的一端，E联轴器(57)的另一端连接有旋转轴(51)的一端，旋转轴(51)的另一端顺次穿过I滚珠轴承(54)、J滚珠轴承(55)、K滚珠轴承(56)后与A轴孔(31)的上部固定。I滚珠轴承(54)安装在底盘(52)的中心通孔内。J滚珠轴承(55)和K滚珠轴承(56)安装在旋臂(3)的A轴孔(31)内。

本发明具有持续性过载模拟能力的飞行模拟系统的优点在于：

①将受训练者安置在旋臂3的另一端的吊舱1内，通过基座组件5中电机53提供的动力使得旋臂3的一端绕旋转轴51沿逆时针方向的转动，模拟了实际飞机的圆周飞行状况。吊舱1在滚转架2和四组驱动组件的协同下，模拟了实际飞机的滚转和俯仰飞行状况。通过综合控制旋臂3旋转与吊舱1的滚转、俯仰偏转，消除了传统运动基座飞行模拟器在过载加载和卸载中存在的切向过载干扰，实现了在地面对实际飞行时受训练者所受的三轴过载G_xc，G_yc，G_zc的精确模拟。

②本发明飞行模拟系统能够产生的最大过载可达10g(g为重力加速度常数，9.81m/s²)，并且这种过载是持续性的，而非瞬时的。同时也借助某型飞机座舱中的设备进行实时的模拟环境下的外部场景获取，使受训练者真实感受到三轴过载G_xc，G_yc，G_zc带来的视觉和运动感觉。

③针对现代先进飞机高机动飞行时角运动剧烈的特点，本发明在过载分量模型中，综合考虑了飞机的平动过载和飞机角运动引起的转动附加过载，使得受训练者感受到三轴过载G_xc，G_yc，G_zc更为精确，从而使通过驱动模块提供给运动载人离心平台的过载分量更佳精确。

④本发明飞行模拟系统采用了人-机闭环控制，可实时响应受训练者的操纵输入，受训练者可像驾驶真实飞机那样的“飞行”模拟。受训练者能够主动体验到各种高机动飞行时的过载。

附图说明

图1是本发明飞行模拟器系统的过载控制功能框图。

图2是本发明中吊舱内部的结构示意图。

图3是本发明具有持续性过载模拟能力的飞行模拟器的结构图。

图3A是本发明具有持续性过载模拟能力的飞行模拟器的分解图。

图3B是本发明第一驱动组件的结构图。

图3C是本发明第一驱动组件的分解图。

图3D是本发明基座组件中的驱动组件的结构图。

图3E是本发明基座组件中的驱动组件的分解图。

图中：            1.吊舱          1A.第一半球壳   1B.第二半球壳   1C.安装孔

10A.受训练者      10B.模拟飞行座椅                10C.支撑板

10D.球幕投影显示器                10E.平视显示器  10F.仪表显示器  2.滚转架

21.第一边梁       211.A通孔       22.第二边梁     221.B通孔       23.第三边梁

231.C通孔         24.第四边梁     241.D通孔       3.旋臂          31.A轴孔

32.U形叉          33.A支臂        34.B支臂        35.B轴孔        36.C轴孔

37.减重孔         4.配重块        5.基座组件      51.旋转轴       52.底盘

53.交流电机       54.I联轴器      55.J联轴器      56.K滚珠轴承    6.第一驱动组件

61.A直流力矩电机                  62.A联轴器      63.第一转轴     64.A滚珠轴承

65.B滚珠轴承      66.A电机支架    63B.第二转轴    63C.第三转轴    63D.第四转轴

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图1所示，本发明的一种具有持续性过载模拟能力的飞行模拟器系统，应用了某型飞机座舱中的设备(如视景模块、仪表显示模块、驱动启动模块等)，在受训练者1A的操纵下，将输出飞机实际飞行时的各个飞行参数，然后对所述的飞行参数进行过载分量提取，从而实现持续性的过载模拟。本发明飞行模拟器系统包括有飞行模拟器和过载分量模型；过载分量模型采用Microsoft Visual Studio VC98编程语言。过载分量模型存储在一PC机中；PC机是一种能够按照事先存储的程序，自动、高速地进行大量数值计算和各种信息处理的现代化智能电子设备。最低配置为CPU 2GHz，内存2GB，硬盘20GB；操作系统为windows 2000/2003/XP。

在本发明中，驱动启动模块分别与飞行模拟器中的五个电机连接，即实现吊舱1俯仰运动的A直流力矩电机61和C直流力矩电机；实现吊舱1滚转运动的B直流力矩电机和D直流力矩电机；实现旋臂3绕旋转轴51转动的带有减速器的交流电机53。

在本发明中，飞行模拟器如图2、图3、图3A～图3E所示，本发明的飞行模拟器包括有吊舱1、滚转架2、旋臂3、配重块4、基座组件5、第一驱动组件6、第二驱动组件、第三驱动组件和第四驱动组件；其中，旋臂3、吊舱1和滚转架2构成运动载人离心平台；运动载人离心平台受基座组件5中的电机驱动、以及第一驱动组件6、第二驱动组件、第三驱动组件和第四驱动组件的驱动实现持续性的、而非瞬时的过载。

在本发明中，第一驱动组件6、第二驱动组件、第三驱动组件和第四驱动组件的结构相同，故仅对第一驱动组件6的结构有附图说明(如图3B、图3C所示)。

(一)第一驱动组件6

第一驱动组件6包括有A直流力矩电机61、A联轴器62、第一转轴63、A滚珠轴承64、B滚珠轴承65和A电机支架66，凸字形A电机支架66的两端固定在滚转架2的第一边梁21上，A电机支架66的中间面板上安装有A直流力矩电机61，A直流力矩电机61的输出轴穿过A电机支架66的中间面板上的通孔后连接在A联轴器62的一端，A联轴器62的另一端连接在第一转轴63的一端上，第一转轴63的另一端顺次穿过A滚珠轴承64、B滚珠轴承65后连接在吊舱1的B半球壳1B的安装孔1C内，A滚珠轴承64和B滚珠轴承65安装在滚转架2的第一边梁21的A通孔211内；

第二驱动组件包括有B直流力矩电机、B联轴器、第二转轴63B、C滚珠轴承、D滚珠轴承和B电机支架，凸字形B电机支架的两端固定在B支臂34的外侧，B电机支架的中间面板上安装有B直流力矩电机，B直流力矩电机的输出轴穿过B电机支架的中间面板上的通孔后连接在B联轴器的一端，B联轴器的另一端连接在第二转轴63B的一端上，第二转轴63B的另一端顺次穿过C滚珠轴承、D滚珠轴承后连接在滚转架2的第二边梁22的B通孔221内；C滚珠轴承和D滚珠轴承安装在B支臂34的C轴孔36内；

第三驱动组件包括有C直流力矩电机、C联轴器、第三转轴63C、E滚珠轴承、F滚珠轴承和C电机支架，凸字形C电机支架的两端固定在滚转架2的第三边梁23上，C电机支架的中间面板上安装有C直流力矩电机，C直流力矩电机的输出轴穿过C电机支架的中间面板上的通孔后连接在C联轴器的一端，C联轴器的另一端连接在第三转轴63C的一端上，第三转轴63C的另一端顺次穿过E滚珠轴承、F滚珠轴承后连接在吊舱1的A半球壳1A的安装孔内；E滚珠轴承和F滚珠轴承安装在滚转架2的第三边梁23的C通孔231内；

第四驱动组件包括有D直流力矩电机、D联轴器、第四转轴63D、G滚珠轴承、H滚珠轴承和D电机支架，凸字形D电机支架的两端固定在A支臂33的外侧，D电机支架的中间面板上安装有D直流力矩电机，D直流力矩电机的输出轴穿过D电机支架的中间面板上的通孔后连接在D联轴器的一端，D联轴器的另一端连接在第四转轴63D的一端上，第四转轴63D的另一端顺次穿过G滚珠轴承、H滚珠轴承后连接在滚转架2的第四边梁24的D通孔241内；G滚珠轴承和H滚珠轴承安装在A支臂33的B轴孔35内。

(二)吊舱1

在本发明中，参见图2所示的吊舱1包括有第一半球壳1A、第二半球壳1B、模拟飞行座椅10B、支撑板10C、球幕投影显示器10D、平视显示器10E、仪表显示面板10F。

第一半球壳1A与第二半球壳1B固定连接后形成一个球体壳，为了方便受训练者10A的进出，并在球体壳的下方开了一个窗口，该窗口上安装有一个门。

支撑板10C安装在球体壳内的底部，模拟飞行座椅10B安装在支撑板10C的中心位置上；当打开门时，受训练者10A的脚能够蹬踏在所述支撑板10C上，方便受训练者10A进入球体壳内完成高机动飞行训练。

球幕投影显示器10D、平视显示器10E和仪表显示面板10F置于模拟飞行座椅10B的正前方，且球幕投影显示器10D与球体壳固定，平视显示器10E安装在仪表显示面板10F的上方，仪表显示面板10F安装在支撑板10C上。

对受训练者10A进行高机动飞行训练时，受训练者10A座在模拟飞行座椅10B上，并系上安装带。

球幕投影显示器10D用于显示本发明飞行模拟器所在环境下的外部场景；

平视显示器10E用于显示与飞行任务及飞行安全相关的飞行参数；

仪表显示面板10F用于显示飞机的各种飞行参数和机载系统的运行状态；

球幕投影显示器10D、平视显示器10E和仪表显示面板10F属于某型飞机座舱中的设备。

(三)滚转架2

在本发明中，参见图3、图3A所示的滚转架2为四边形框架结构，在滚转架2的第一边梁21的中心位置开有A通孔211，第二边梁22的中心位置开有B通孔221，第三边梁23的中心位置开有C通孔231，第四边梁24的中心位置开有D通孔241。

所述A通孔211用于放置第一驱动组件6的A滚珠轴承64和B滚珠轴承65。

所述B通孔221用于放置第二驱动组件的C滚珠轴承和D滚珠轴承。

所述C通孔231用于放置第三驱动组件的E滚珠轴承和F滚珠轴承。

所述D通孔241用于放置第四驱动组件的G滚珠轴承和H滚珠轴承。

(四)旋臂3

在本发明中，参见图3、图3A所示的旋臂3的一端开有A轴孔31，旋臂3的另一端为U形叉32结构，U形叉32的A支臂33上开有B轴孔35，U形叉32的B支臂34上开有C轴孔36；为了减轻旋臂3的重量，可以在旋臂3上开减重孔37。

A轴孔31内安装有J滚珠轴承55和K滚珠轴承56。

B轴孔35内安装有G滚珠轴承和H滚珠轴承。

C轴孔36内安装有C滚珠轴承和D滚珠轴承。

(五)配重块4

在本发明中，参见图3、图3A所示的配重块4的重量是用来使吊舱1在运动过程中保持平衡的。

(六)基座组件5

在本发明中，参见图3、图3A、图3E所示的基座组件5的底盘52的底部安装有带有减速器的交流电机53，交流电机53的输出轴连接在E联轴器57的一端，E联轴器57的另一端连接有旋转轴51的一端，旋转轴51的另一端顺次穿过I滚珠轴承54、J滚珠轴承55、K滚珠轴承56后与A轴孔31的上部固定。I滚珠轴承54安装在底盘52的中心通孔内。J滚珠轴承55和K滚珠轴承56安装在旋臂3的A轴孔31内。

参见图3所示，本发明设计的飞行模拟器具有三个自由度：

第一自由度是指旋臂3绕旋转轴51(也称旋臂转轴)的转动，此转动称为飞行模拟器的离心运动；

第二自由度是指滚转架2绕第一转轴63和第三转轴63C的转动，此转动称为飞行模拟器的滚转运动；由于吊舱1安装在滚转架2的框内，第一转轴63的轴心线与第三转轴63C的轴心线是重合的，故吊舱滚转轴与第一转轴63、第三转轴63C三者的轴心线重合；

第三自由度是指球体壳绕第二转轴63B和第四转轴63D的转动，此转动称为飞行模拟器的俯仰运动；由于吊舱1安装在滚转架2的框内，第二转轴63B的轴心线与第四转轴63D的轴心线是重合的，故吊舱俯仰轴与第二转轴63B、第四转轴63D三者的轴心线重合。

Burton R R，Meeker L J，Raddin J H.Centrifuges for studying the effectsof sustained acceleration on Human Physiology.IEEE Engineering inMedicine and Biology，March 1991：56～65(译文为：Burton R R，Meeker L J，Raddin J H.利用离心机研究持续性加速度对人体生理的影响.IEEE医学及生物工程，1991，3：56～65)中图2介绍了人体所受三个轴向的过载。为了让受训练者10A能够感受到实际飞行时飞行员受到的三轴过载作用，本发明将胸-背向过载记为G_xc、左-右向过载记为G_yc、头-足向过载记为G_zc，参见图3所示。

在受训练者1A操纵某型飞机座舱中的各设备时输出的飞行参数下，PC机中的过载分量模型对所述飞行参数进行整合得到需要加载到受训练者1A身上的过载分量

G_T表示吊舱滚转轴与吊舱俯仰轴交点处的切向过载；

θ_c表示吊舱运动时的俯仰角，且

G_xz表示G_x与G_z的合过载，G_x表示飞行员实际飞行过程中的胸-背向过载，G_z表示飞行员实际飞行过程中的头-足向过载；

G_R表示吊舱滚转轴与吊舱俯仰轴交点处的离心过载；

φ_c表示吊舱运动时的滚转角，且G_RV表示G_R与G_V的合过载，G_y表示飞行员实际飞行过程中的左-右向过载；

G_V表示吊舱滚转轴与吊舱俯仰轴交点处的垂直过载。

在本发明中，基座组件5提供给旋臂3的离心角速度为

${\mathrm{\ω}}_c=\sqrt{\frac{g}{R}}\·{[G_x^2+G_y^2+G_z^2-{\left(\frac{R{\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_c}{g}\right)}^2-1]}^{1/4};$

G_x表示飞行员实际飞行过程中的胸-背向过载；

G_y表示飞行员实际飞行过程中的左-右向过载；

G_z表示飞行员实际飞行过程中的头-足向过载；

g表示重力加速度常数，9.81m/s²；

R表示旋臂3的轴向臂长；

表示旋臂3在基座组件5的驱动下，旋臂3的U形叉32端产生的角加速度。

在本发明中，通过受训练者1A操纵输出的飞行参数经过载分量模型整合后输出的离心角速度ω_c、滚转角φ_c和俯仰角θ_c，而离心角速度ω_c、滚转角φ_c和俯仰角θ_c正是飞机飞行员在实际飞行过程中的飞机姿态。所述的离心角速度ω_c、滚转角φ_c和俯仰角θ_c再次经某型飞机座舱的驱动启动模块后，将离心角速度ω_c信息形成的启动指令作用到交流电机53上，实现飞行模拟器的第一自由度运动；滚转角φ_c信息形成的启动指令作用到A直流力矩电机61和C直流力矩电机上，实现飞行模拟器的第二自由度运动；俯仰角θ_c信息形成的启动指令作用到B直流力矩电机和D直流力矩电机上，实现飞行模拟器的第三自由度运动。

受训练者10A在本发明的模拟飞行器的吊舱内通过操纵驾驶杆、脚蹬、油门以及座舱内的开关按钮等进行控制输入，模拟飞机座舱输出对象飞机的飞行参数，然后将飞行参数经“过载分量模型”的处理，得到飞机飞行时的姿态信息(离心角速度ω_c、滚转角φ_c和俯仰角θ_c)，最后飞机姿态信息被飞机座舱设备转换成模拟器的驱动启动指令。使此时身处飞行仿真吊舱内的模拟器受训练者感受到相应操纵输入下的过载(运动感觉)。飞行仿真吊舱内的视景和仪表显示系统为模拟器飞行员提供视觉反馈，音效系统为模拟器飞行员提供听觉反馈，操纵驾驶杆、脚蹬、油门、按钮时模拟器飞行员可获得触觉反馈，由此实施例飞行模拟器飞行员可感受到与真实飞机飞行员非常接近的视觉、听觉、触觉以及运动反馈，在地面为飞行员提供了高逼真度模拟飞行环境。

Claims (4)

1.一种具有持续性过载模拟能力的飞行模拟器系统，该飞行模拟器系统借助飞机座舱输出的飞行参数作为过载分量的输入信息；其特征在于：所述飞行参数经过载分量模型 $\left.\begin{array}{c}{G}_{\mathrm{xc}}=G_T\cos {\mathrm{\θ}}_c-G_R\sin {\mathrm{\φ}}_c\sin {\mathrm{\θ}}_c-G_V\cos {\mathrm{\φ}}_c\sin {\mathrm{\θ}}_c\\ G_{\mathrm{yc}}=-G_R\cos {\mathrm{\φ}}_c+G_V\sin {\mathrm{\φ}}_c\\ G_{\mathrm{zc}}=G_T\sin {\mathrm{\θ}}_c+G_R\sin {\mathrm{\φ}}_c\cos {\mathrm{\θ}}_c+G_v\cos {\mathrm{\φ}}_c\cos {\mathrm{\θ}}_c\end{array}\right\}$ 整合得到需要加载到受训练者1A身上的过载G_xc、G_yc和G_zc；

其中，G_T表示吊舱滚转轴与吊舱俯仰轴交点处的切向过载；θ_c表示吊舱运动时的俯仰角，且 ${\mathrm{\θ}}_c=\arcsin \left(\frac{G_T}{G_{\mathrm{xz}}}\right)-\arcsin \left(\frac{G_x}{G_{\mathrm{xz}}}\right),$ G_xz表示G_x与G_z的合过载，G_x表示飞行员实际飞行过程中的胸-背向过载，G_z表示飞行员实际飞行过程中的头-足向过载；G_R表示吊舱滚转轴与吊舱俯仰轴交点处的离心过载；φ_c表示吊舱运动时的滚转角，且 ${\mathrm{\φ}}_c=\arcsin \left(\frac{G_R}{G_{\mathrm{RV}}}\right)+\arcsin \left(\frac{G_y}{G_{\mathrm{RV}}}\right),$ G_RV表示G_R与G_V的合过载，G_y表示飞行员实际飞行过程中的左-右向过载；G_V表示吊舱滚转轴与吊舱俯仰轴交点处的垂直过载；

所述飞行模拟器系统中的飞行模拟器包括有吊舱(1)、滚转架(2)、旋臂(3)、配重块(4)、基座组件(5)、第一驱动组件(6)、第二驱动组件、第三驱动组件和第四驱动组件；其中，旋臂(3)、吊舱(1)和滚转架(2)构成运动载人离心平台；

第一驱动组件(6)包括有A直流力矩电机(61)、A联轴器(62)、第一转轴(63)、A滚珠轴承(64)、B滚珠轴承(65)和A电机支架(66)，凸字形A电机支架(66)的两端固定在滚转架(2)的第一边梁(21)上，A电机支架(66)的中间面板上安装有A直流力矩电机(61)，A直流力矩电机(61)的输出轴穿过A电机支架(66)的中间面板上的通孔后连接在A联轴器(62)的一端，A联轴器(62)的另一端连接在第一转轴(63)的一端上，第一转轴(63)的另一端顺次穿过A滚珠轴承(64)、B滚珠轴承(65)后连接在吊舱(1)的B半球壳(1B)的安装孔(1C)内，A滚珠轴承(64)和B滚珠轴承(65)安装在滚转架(2)的第一边梁(21)的A通孔(211)内；

第二驱动组件包括有B直流力矩电机、B联轴器、第二转轴(63B)、C滚珠轴承、D滚珠轴承和B电机支架，凸字形B电机支架的两端固定在B支臂(34)的外侧，B电机支架的中间面板上安装有B直流力矩电机，B直流力矩电机的输出轴穿过B电机支架的中间面板上的通孔后连接在B联轴器的一端，B联轴器的另一端连接在第二转轴(63B)的一端上，第二转轴(63B)的另一端顺次穿过C滚珠轴承、D滚珠轴承后连接在滚转架(2)的第二边梁(22)的B通孔(221)内；C滚珠轴承和D滚珠轴承安装在B支臂(34)的C轴孔(36)内；

第三驱动组件包括有C直流力矩电机、C联轴器、第三转轴(63C)、E滚珠轴承、F滚珠轴承和C电机支架，凸字形C电机支架的两端固定在滚转架(2)的第三边梁(23)上，C电机支架的中间面板上安装有C直流力矩电机，C直流力矩电机的输出轴穿过C电机支架的中间面板上的通孔后连接在C联轴器的一端，C联轴器的另一端连接在第三转轴(63C)的一端上，第三转轴(63C)的另一端顺次穿过E滚珠轴承、F滚珠轴承后连接在吊舱(1)的A半球壳(1A)的安装孔内；E滚珠轴承和F滚珠轴承安装在滚转架(2)的第三边梁(23)的C通孔(231)内；

第四驱动组件包括有D直流力矩电机、D联轴器、第四转轴(63D)、G滚珠轴承、H滚珠轴承和D电机支架，凸字形D电机支架的两端固定在A支臂(33)的外侧，D电机支架的中间面板上安装有D直流力矩电机，D直流力矩电机的输出轴穿过D电机支架的中间面板上的通孔后连接在D联轴器的一端，D联轴器的另一端连接在第四转轴(63D)的一端上，第四转轴(63D)的另一端顺次穿过G滚珠轴承、H滚珠轴承后连接在滚转架(2)的第四边梁(24)的D通孔(241)内；G滚珠轴承和H滚珠轴承安装在A支臂(33)的B轴孔(35)内；

吊舱(1)包括有第一半球壳(1A)、第二半球壳(1B)、模拟飞行座椅(10B)、支撑板(10C)、球幕投影显示器(10D)、平视显示器(10E)、仪表显示面板(10F)；

第一半球壳(1A)与第二半球壳(1B)固定连接后形成一个球体壳，为了方便受训练者(10A)的进出，并在球体壳的下方开了一个窗口，该窗口上安装有一个门；

支撑板(10C)安装在球体壳内的底部，模拟飞行座椅(10B)安装在支撑板(10C)的中心位置上；当打开门时，受训练者(10A)的脚能够蹬踏在所述支撑板(10C)上，方便受训练者(10A)进入球体壳内完成高机动飞行训练；

滚转架(2)为四边形框架结构，在滚转架(2)的第一边梁(21)的中心位置开有A通孔(211)，第二边梁(22)的中心位置开有B通孔(221)，第三边梁(23)的中心位置开有C通孔(231)，第四边梁(24)的中心位置开有D通孔(241)；

所述A通孔(211)用于放置第一驱动组件(6)的A滚珠轴承(64)和B滚珠轴承(65)；

所述B通孔(221)用于放置第二驱动组件的C滚珠轴承和D滚珠轴承；

所述C通孔(231)用于放置第三驱动组件的E滚珠轴承和F滚珠轴承；

所述D通孔(241)用于放置第四驱动组件的G滚珠轴承和H滚珠轴承；

旋臂(3)的一端开有A轴孔(31)，旋臂(3)的另一端为U形叉(32)结构，U形叉(32)的A支臂(33)上开有B轴孔(35)，U形叉(32)的B支臂(34)上开有C轴孔(36)；旋臂(3)上开减重孔(37)；

A轴孔(31)内安装有J滚珠轴承(55)和K滚珠轴承(56)；

B轴孔(35)内安装有G滚珠轴承和H滚珠轴承；

C轴孔(36)内安装有C滚珠轴承和D滚珠轴承；

基座组件(5)的底盘(52)的底部安装有带有减速器的交流电机(53)，交流电机(53)的输出轴连接在E联轴器(57)的一端，E联轴器(57)的另一端连接有旋转轴(51)的一端，旋转轴(51)的另一端顺次穿过I滚珠轴承(54)、J滚珠轴承(55)、K滚珠轴承(56)后与A轴孔(31)的上部固定；I滚珠轴承(54)安装在底盘(52)的中心通孔内；J滚珠轴承(55)和K滚珠轴承(56)安装在旋臂(3)的A轴孔(31)内；

所述飞行模拟器的三自由度运动为：

第一自由度是指旋臂(3)绕旋转轴(51)的转动，此转动称为飞行模拟器的离心运动；

第二自由度是指滚转架(2)绕第一转轴(63)和第三转轴(63C)的转动，此转动称为飞行模拟器的滚转运动；由于吊舱(1)安装在滚转架(2)的框内，第一转轴(63)的轴心线与第三转轴(63C)的轴心线是重合的，故吊舱滚转轴与第一转轴(63)、第三转轴(63C)三者的轴心线重合；

第三自由度是指球体壳绕第二转轴(63B)和第四转轴(63D)的转动，此转动称为飞行模拟器的俯仰运动；由于吊舱(1)安装在滚转架(2)的框内，第二转轴(63B)的轴心线与第四转轴(63D)的轴心线是重合的，故吊舱俯仰轴与第二转轴(63B)、第四转轴(63D)三者的轴心线重合。

2.根据权利要求1所述的具有持续性过载模拟能力的飞行模拟器系统，其特征在于：基座组件(5)提供给旋臂(3)的离心角速度为

${\mathrm{\ω}}_c=\sqrt{\frac{g}{R}}\·{[G_x^2+G_y^2+G_z^2-{\left(\frac{R{\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_c}{g}\right)}^2-1]}^{1/4};$

其中，G_x表示飞行员实际飞行过程中的胸-背向过载；G_y表示飞行员实际飞行过程中的左-右向过载；G_z表示飞行员实际飞行过程中的头-足向过载；g表示重力加速度常数，9.81m/s²；R表示旋臂(3)的轴向臂长；

表示旋臂(3)在基座组件(5)的驱动下，旋臂(3)的U形叉(32)端产生的角加速度。

3.根据权利要求1所述的具有持续性过载模拟能力的飞行模拟器系统，其特征在于：运动载人离心平台受基座组件(5)中的电机驱动、以及第一驱动组件(6)、第二驱动组件、第三驱动组件和第四驱动组件的驱动实现持续性的、而非瞬时的过载。

4.根据权利要求1所述的具有持续性过载模拟能力的飞行模拟器系统，其特征在于：飞行模拟器能够产生的最大过载可达10g。

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