CN103921947A - 跳伞模拟训练半实物仿真系统及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种跳伞模拟训练半实物仿真系统，包括：图形服务器、视景仿真头盔、空间姿态感应传感器、位置追踪器以及模拟训练人员悬吊机构；所述图形服务器用于场景的设计与输出；所述仿真头盔接收并显示图形工作站生成并传输过来的视景；所述空间姿态感应传感器包括头盔感应器和伞绳运动感应器；所述模拟训练人员悬吊机构可以对试验人员提升至双脚离开地面，形成悬吊状态。本发明的跳伞模拟训练半实物仿真系统及其操作方法，集三维视景，实物设备和物理操作于一体的跳伞模拟训练半实物仿真系统，大大降低了跳伞训练的开销，避免了因天气环境等因素导致无法训练的情形，将跳伞训练的危险降至最低，作为跳伞人员进行实物跳伞前的必备训练系统。

Description

跳伞模拟训练半实物仿真系统及其操作方法

技术领域

本发明属于半实物仿真领域，主要涉及一种跳伞模拟训练半实物仿真系统及其操作方法。

背景技术

半实物仿真技术，即硬件在环技术，以其独特的可控性、可复用性和经济性等特点，在各行各业得到了广泛的应用。

目前，国内在跳伞训练方面，主要采取实物训练方式，该方式的主要优点是可以为跳伞人员提供最直接、真实的跳伞训练条件，也是最有效的跳伞训练方式，但是该方式存在一定的缺陷，主要体现在耗资巨大，为每次跳伞所做的准备要求花费巨大的人力、物力和经费；受天气环境因素影响大，雷雨、大风以及雾霾等天气都将导致无法训练；存在一定的危险，经常会出现人员受伤等现象，尤其是没有过跳伞经验的人员。跳伞模拟训练半实物仿真系统以其独有的特点，成为了弥补以上缺陷的首选方案，它可以节省大量的开销，不受外界天气环境的影响，而且不存在危险性，尤其对于很少甚至没有跳伞经验的人员来说，跳伞模拟训练将成为他们在进入实物跳伞前的必要准备。

发明内容

本发明的目的是为跳伞训练提供一种跳伞模拟训练半实物仿真系统及其操作方法，该系统集三维视景，实物设备及物理操作与一体，模拟最真实的跳伞训练，将成为跳伞人员在进入实物跳伞前的必要准备。

本发明的技术方案如下：

一种跳伞模拟训练半实物仿真系统，包括：

图形服务器、视景仿真头盔、空间姿态感应传感器、位置追踪器以及模拟训练人员悬吊机构；

所述图形服务器用于场景的设计与输出；

所述仿真头盔接收并显示图形工作站生成并传输过来的视景；

所述空间姿态感应传感器包括头盔感应器和伞绳运动感应器；

所述位置追踪器可以通过头盔感应器实现在场景中对头部三自由度运动的运动信息捕获，并将此信息传递给图形服务器上的仿真程序，生成与头部运动相匹配的人眼对场景的观测场景；

所述位置追踪器可以通过伞绳运动感应器作为伞绳感应器获取人对伞绳的控制信息，并传递给图形服务器上的仿真程序，控制场景中伞的运动轨迹；

所述模拟训练人员悬吊机构可以对试验人员提升至双脚离开地面，形成悬吊状态。

上述技术方案中，所述模拟训练人员悬吊机构包括：金属框架，平衡吊架以及起吊器；

所述金属框架为轻质高强度铝合金管材制作，以管件十字组合连接件连接，采用三角柱型支撑结构，立柱间隔2m，利用三层桁架加固，底部加装有地脚支撑件；

所述平衡吊架为双层结构，顶层以单结构杆作为起吊平衡杆，底层以四框型结构杆组件作为伞具挂架，两层之间通过长约0.5m的两根钢丝连接，起吊平衡杆两端分别与四框型结构组件的一组对角相连；

所述起吊器为调动卷扬机，其最大拉力为200kg。

上述跳伞模拟训练半实物仿真系统的操作方法，包括以下步骤：

1）启动系统；

2）设置系统参数，包括风速、风向、跳伞高度和跳伞环境，软件计算合成风速和风向；

3）跳伞人员就位，穿好跳伞装备，佩戴好视景仿真头盔，调整坐姿；

4）启动飞机起飞；

5）根据合成风速和风向自动判断是否进行跳伞，如果是则进行第6步，否则进入循环判断；

6）对头盔感应器和伞绳运动感应器进行位置初始化；

7）跳伞人员通过手拉伞绳触发伞绳运动感应器进行跳伞控制操作，头部旋转触发头盔感应器来查看整个场景；

8）接收伞绳运动感应器反馈的数据，调整伞的6自由度运动数据，接收头盔感应器反馈的数据，进行视场角度的调整；

9）判断跳伞人员是否已经着陆，如果是则进行第10步，否则进入第7步，进行循环；

10）跳伞过程结束，教员根据跳伞情况对跳伞人员打分；

11）退出系统。

本发明具有以下的有益效果：

本发明的跳伞模拟训练半实物仿真系统及其操作方法，集三维视景，实物设备和物理操作于一体的跳伞模拟训练半实物仿真系统，大大降低了跳伞训练的开销，避免了因天气环境等因素导致无法训练的情形，将跳伞训练的危险降至最低，作为跳伞人员进行实物跳伞前的必备训练系统。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明的系统硬件整体布局图。

图2是本发明的位置追踪器的工作原理图。

图3是本发明的伞绳运动感应系统示意图。

图4是本发明的伞绳运动感应系统原理图。

图5是本发明的悬吊机构原理框图。

图6是本发明的软件开发流程图。

图7是本发明的系统工作流程图。

具体实施方式

本发明的发明思想为：

1)硬件技术方案

该系统的硬件部分由一台图形服务器、一套视景仿真头盔、一套空间姿态感应传感器以及模拟训练人员悬挂机构组成。该系统的整体布局如图1所示。

图形服务器用于场景的设计与输出，仿真头盔接收并显示图形工作站生成并传输过来的视景，学员佩戴头盔后，位置追踪器可以通过传感器实现在场景中对头部三自由度运动的运动信息捕获，并将此信息传递给仿真程序，生成与头部运动相匹配的人眼对场景的观测场景，使学员具有身临其境的感觉，运动范围不受限制；同时，位置追踪器可通过另外一个传感器作为伞绳感应器获取人对伞绳的控制信息，并传递给仿真程序，进而去控制场景中伞的运动轨迹；悬吊控制器可以对试验人员提升至双脚离开地面，从而形成悬吊状态，体会空间控伞操作。

a)位置追踪器设计

本系统中位置追踪器设计是关键技术，其决定了视景仿真系统中人机交互的最终实现。在模拟跳伞训练系统中，采用了一套Polhemus G4型磁感应位置追踪器，该追踪器系统由一台磁场发生器及两个磁感应传感器组成。磁场发生器在一定范围内产生电磁场，当磁感应传感器在磁场内运动时，可以产生六个自由度的运动反馈值，从而实现对物体空间位置及运动的感知。位置追踪器的工作原理如图2所示。

头盔感应器：与视景头盔固联，安装于头盔前方。由于试验人员在悬吊状态下运动受限，因此在信号提取过程中，可以忽略位置运动所带来的视角偏差，仅获取转动带来的两维运动信号，即方位、俯仰运动信息。

伞绳运动感应器：用于获取试验人员对于伞控的操作信息。为了使试验人员伞控操作接近真实的手感和力度，本系统采用配重块与伞绳连接的方式实现伞控力度仿真，对于左右手控制状态及控制度量的提取，则采用伞绳结合点配置磁感应器的方式实现，伞绳运动感应器系统如图3所示。磁感应器安置于两个伞绳的结合部，通过对其运动轨迹的获取，可得到左、右手单独或同时拉动的运动状态感知；通过磁感应传感器的运动距离，可模拟测试人员的伞控力度。所有控制数据均可在磁感应传感器的一维投影数据中获取，其原理如图4所示。

b)悬吊机构设计

悬吊机构主要用于将被试人员吊离地面，使其产生空间悬浮感，使仿真过程更接近于真实操控。由于视景仿真可以通过视觉对运动场景的感应，对人的小脑产生运动刺激，从而带来与真实运动时同样的生理和心理反映，因此悬吊系统无需额外增加机械动作控制，即可达到仿真训练效果。悬吊机构采用金属框架结构实现结构支撑，通过小型起吊系统的短距起吊，实现对人体的离地起吊，其原理结构图如图5所示。

金属框架：采用轻质高强度铝合金管材制作，采用管件十字组合连接件连接，采用三角柱型支撑结构，立柱间隔2m，利用三层桁架加固，底部加装地脚支撑件提高安放的稳定性。

平衡吊架：平衡吊架采用双层结构设计，顶层采用单结构杆作为起吊平衡杆，底层采用四框型结构杆组件作为伞具挂架，两层之间通过长约0.5m的两根钢丝连接，起吊平衡杆两端分别连接四框型结构的一组对角。

起吊器：采用小型便携式调动卷扬机实现，该设备具有过载保护功能，最大拉力可达200kg，具有遥控起停控制功能。

2)软件技术方案

整个系统建立在Windows XP操作系统之上，使用MultiGen-Creator进行三维实体建模；利用MultiGen-Vega实现对三维视景的运动控制功能，驱动、控制、管理虚拟场景；最后在VC++6.0平台上建立Vega主应用程序，通过调用Vega API应用程序接口及Polhemus G4的应用程序接口，实现软件系统的设计与开发。该系统的软件开发流程如图6所示。

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

如图7所示，本发明的具体系统工作流程如下：

1）计算机及各电路系统上电，启动软件系统；

2）系统参数设置，包括风速、风向、跳伞高度和跳伞环境，软件计算合成风速和风向；

3）跳伞人员就位，穿好跳伞装备，佩戴好头盔显示器，调整坐姿；

4）软件启动飞机起飞；

5）软件根据合成风速和风向自动判断是否进行跳伞，如果是则进行第6步，否则进入循环判断；

6）软件对追踪器进行位置初始化，包括头盔感应器和伞绳运动感应器；

7）跳伞人员通过手拉伞绳触发伞绳运动感应器进行跳伞控制操作，头部旋转触发头盔感应器来查看整个场景；

8）软件接收伞绳运动感应器反馈的数据，调整伞的6自由度运动数据，接收头盔感应器反馈的数据，进行视场角度的调整；

9）软件判断跳伞人员是否已经着陆，如果是则进行第10步，否则进入第7步，进行循环；

10）跳伞过程结束，教员根据跳伞情况对跳伞人员打分；

11）软件退出，关闭计算机及各电路系统。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (3)

1.一种跳伞模拟训练半实物仿真系统，其特征在于，包括：

图形服务器、视景仿真头盔、空间姿态感应传感器、位置追踪器以及模拟训练人员悬吊机构；

所述图形服务器用于场景的设计与输出；

所述仿真头盔接收并显示图形工作站生成并传输过来的视景；

所述空间姿态感应传感器包括头盔感应器和伞绳运动感应器；

所述位置追踪器可以通过头盔感应器实现在场景中对头部三自由度运动的运动信息捕获，并将此信息传递给图形服务器上的仿真程序，生成与头部运动相匹配的人眼对场景的观测场景；

所述位置追踪器可以通过伞绳运动感应器作为伞绳感应器获取人对伞绳的控制信息，并传递给图形服务器上的仿真程序，控制场景中伞的运动轨迹；

所述模拟训练人员悬吊机构可以对试验人员提升至双脚离开地面，形成悬吊状态。

2.根据权利要求1所述的跳伞模拟训练半实物仿真系统，其特征在于，所述模拟训练人员悬吊机构包括：金属框架，平衡吊架以及起吊器；

所述金属框架为轻质高强度铝合金管材制作，以管件十字组合连接件连接，采用三角柱型支撑结构，立柱间隔2m，利用三层桁架加固，底部加装有地脚支撑件；

所述平衡吊架为双层结构，顶层以单结构杆作为起吊平衡杆，底层以四框型结构杆组件作为伞具挂架，两层之间通过长约0.5m的两根钢丝连接，起吊平衡杆两端分别与四框型结构组件的一组对角相连；

所述起吊器为调动卷扬机，其最大拉力为200kg。

3.权利要求1所述的跳伞模拟训练半实物仿真系统的操作方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）启动系统；

2）设置系统参数，包括风速、风向、跳伞高度和跳伞环境，软件计算合成风速和风向；

3）跳伞人员就位，穿好跳伞装备，佩戴好视景仿真头盔，调整坐姿；

4）启动飞机起飞；

5）根据合成风速和风向自动判断是否进行跳伞，如果是则进行第6步，否则进入循环判断；

6）对头盔感应器和伞绳运动感应器进行位置初始化；

7）跳伞人员通过手拉伞绳触发伞绳运动感应器进行跳伞控制操作，头部旋转触发头盔感应器来查看整个场景；

8）接收伞绳运动感应器反馈的数据，调整伞的6自由度运动数据，接收头盔感应器反馈的数据，进行视场角度的调整；

9）判断跳伞人员是否已经着陆，如果是则进行第10步，否则进入第7步，进行循环；

10）跳伞过程结束，教员根据跳伞情况对跳伞人员打分；

11）退出系统。