CN104658361B - 一种半实物仿真驾舱 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种半实物仿真驾舱，属于数字表演与仿真技术领域。半实物仿真驾舱包括底座部件组、U型架部件组、操作室部件组、关键轴部件组和U型轴部件组，能够实现两个角度的全自由度旋转；能够在角度姿态上模拟固定翼飞行器、旋翼飞行器、特种车辆、火箭设备等有人驾驶的驾舱姿态，用于支持使用者参与和完成相关的虚拟训练过程。本发明结构件少、连接复杂程度低，极大的降低了仿真驾舱的成本；可进一步模拟传统仿真模拟器无法模拟的空间感，更加逼真的模拟飞行姿态机器运动过程；将仿真驾舱小型化，为仿真器进入民用市场创造条件。

Description

一种半实物仿真驾舱

技术领域

本发明涉及一种半实物仿真驾舱，属于数字表演与仿真技术领域。

背景技术

半实物仿真驾舱训练是实际操作前的必要过程。相对于真实驾驶汽车、飞行器等设备，半实物仿真训练在带来教程的同时，能够极大的免去上机失误所带来的风险。目前半实物仿真驾舱训练广泛应用在军事训练、民航训练、驾驶训练中。同时半实物仿真驾舱设备的制作仍存在一些问题，主要包括：成本高、复用程度低、仿真指标少。

成本居高不下。洛克希德马丁、中国航天工业集团都是设计驾舱仿真设备的先驱，他们设计的宗旨是精准再现飞机操作的每一个细节。由此带来的是，驾舱规模(体积、重量)和操作按键都跟真机基本吻合，而按键的复杂程度和机舱的大小都指数级别的增加设备的成本。

复用程度低下。半实物仿真驾舱一般用于特殊领域，通常用于特殊机型的训练，民航机型的训练等。由于各组织、公司对机型的要求较为离散，因此训练舱的设计通常需要“一机、一设计、一制造”。这导致较长的制作周期，制作成本高，给人力、物力、时间造成了巨大负担。

仿真指标少。由于传统的仿真训练设备巨大，因此一般采用电动推杆的驱动方式进行管理，这导致驾舱无法完成真实设备的姿态。因此制造商门通常选择精细相关系统，而放弃体感上指标的仿真程度。

发明内容

本发明的目的是为解决降低驾舱制造成本、进一步增强半实物驾舱的体感仿真指标，提供一种半实物仿真驾舱，能够实现两个角度的全自由度旋转，支持虚拟驾驶训练。

本发明的半实物仿真驾舱，具体包括底座部件组、U型架部件组、操作室部件组、关键轴部件组和U型轴部件组。

所述底座部件组用于为半实物仿真驾舱提供支撑和动力，获取控制室内下位机的信号并完成Y轴方向的旋转过程。底座部件组包括底座、第一减速器、第一电机、第一伺服器和四个脚轮。其中，底座呈L型起支撑作用；第一减速器用螺栓与L型的顶端固定，用于输出增大后的扭矩；第一电机用来提供高速扭矩，与第一减速器通过法兰盘相连；第一伺服器与第一减速器贴合，用螺栓固定，用来为第一电机输入控制信号；四个脚轮与L型支架底部固定，使得整体结构能平稳移动。

所述U型架部件组为操作室部件组的旋转提供支撑结构，包括U型架和挡圈。其中，U型架为操作室部件组与底座部件组衔接的支撑结构，用于支持操作室旋转框主体沿X轴方向的旋转；挡圈与U型架以法兰方式相连，用来避免键轴部件组产生轴向移动。U型架的两端分别连接操作室旋转框主体的两侧中点，挡圈位于U型架中点处利用法兰连接，与关键轴部件组的主轴相连。

所述操作室部件组用于承载操作者、上位机、下位机，并完成X轴方向的旋转过程。操控室部件组包括旋转框主体、第二电机、第二减速器、第二伺服器、控制座、座椅及其安全装置、上位机、下位机。其中旋转框主体用于承载操作者、上位机和下位机，利用第一法兰轴和第二法兰轴与U型架进行连接；第二电机利用法兰与第二减速机相连，用来为旋转框主体X轴的旋转提供高速扭矩；第二减速器与第二电机以法兰轴相连，用来提供增大的扭矩；第二伺服器与二减速器以螺栓相连，用来为第二电机输入输出信号；控制座用螺栓与旋转框主体底部相连，用于固定放置上位机和下位机；座椅及其安全装置利用螺栓与控制座相连，用来固定操作者；上位机利用螺栓与控制座相连，用来实时计算整体结构当前需要旋转的角度；下位机利用螺栓与上位机相连，将上位机的角度结果换算成相应的控制信号，利用电缆，通过第一滑环与第一伺服器相连，通过第二滑环与第二伺服器相连。

所述关键轴部件组用于支撑U型架部件组的旋转。关键轴部件组包括主轴、平键、圆螺母、第一滑环、第一轴承、第二轴承、套筒、轴承外套、第一小链轮、第一大链轮。其中，主轴依次穿过第一轴承、套筒、第二轴承，前端利用圆螺母与底座相连，后端利用挡圈与U型架相连，用于支撑操作室部件组；平键采用过盈配合嵌入主轴，用来完成主轴与第一大链轮之间的动力传递；第一滑环利用法兰固定在主轴末端，用于信号线的连接；第一轴承、第二轴承用于支撑主轴运动；套筒用来阻止轴承的位移；轴承外套利用其阶梯结构套在第一轴承和第二轴承上，避免轴承的暴露；第一小链轮与第一减速器以工艺键进行连接，用于传输增大后的扭矩；第一大链轮利用平键与主轴相连，利用链条与第一小链轮相连，完成将扭矩从第一减速器到主轴的传递。

所述U型轴部件组用于支撑操作室部件组的旋转；U型轴部件组包括第二小链轮、第二大链轮、第二滑环、第一法兰轴、第二法兰轴、第三轴承、第四轴承、第一轴承座、第二轴承座。第二小链轮、第二大链轮、第一法兰轴、第三轴承、第三轴承座放置在U型架的一端用于连接U型架和旋转框主体一端，第二法兰轴、第四轴承、第四轴承座放置在U型架的另一端用来连接U型架和旋转框主体的另一端。其中，第二小链轮利用工艺键与第二减速器相连，用于传递扭矩；第二大链轮利用工艺键与第一法兰轴相连，利用第一法兰轴提供的肩阻止轴向运动；第二滑环与第二法兰轴利用法兰进行连接，用于信号线的连接；第一法兰轴位于第二大链轮一侧，利用法兰与U型架部件组进行固定，通过第三轴承对操作室部件组进行支撑；第二法兰轴位于第二滑环一侧，利用法兰与旋转框主体进行连接，通过第四轴承对操作室部件组进行支撑；第三轴承利用第一轴承座与第一法兰轴相连，并对旋转框主体进行支撑；第四轴承利用第二轴承座与第二法兰轴相连，并对旋转框主体进行支撑。

本发明的半实物仿真驾舱的工作流程为：

操作者与上位机进行交互；上位机进行绘制并计算虚拟设备的位置和姿态；下位机对姿态进行解算形成包含转速、转向的控制信号；下位机通过线路、滑环将控制信号传递给第一伺服器、第二伺服器；第一伺服器和第二伺服器分别驱动第一电机、第二电机运动；第一电机和第二电机分别带动第一减速器和第二减速器运动；第一减速器和第二减速器分别带动第一小链轮和第二小链轮转动。第一小链轮带动第一大链轮旋转，第一大链轮带动U型架旋转，完成Y轴方向的运动过程；第二小链轮相对第二大链轮旋转，带动旋转框主体进行旋转，并完成操作者期望的运动过程。

有益效果

本发明能够在角度姿态上模拟固定翼飞行器、旋翼飞行器、特种车辆、火箭设备等有人驾驶的驾舱姿态，用于支持使用者参与和完成相关的虚拟训练过程。与现有技术相比，具有以下优点：

1、结构件少、连接复杂程度低，极大的降低了仿真驾舱的成本；

2、提供两个角度的全自由度旋转，可进一步模拟传统仿真模拟器无法模拟的空间感，更加逼真的模拟飞行姿态机器运动过程；

3、将仿真驾舱小型化，为仿真器进入民用市场创造条件。

附图说明

图1为本发明的半实物仿真驾舱整体结构正视图；

图2为本发明的半实物仿真驾舱整体结构侧视图；

图3为本发明的半实物仿真驾舱底座结构图；

图4为本发明的半实物仿真驾舱U型架组件结构图；

图5为本发明的半实物仿真驾舱操作室结构图；

图6为本发明的半实物仿真驾舱关键轴组装图；其中(a)为关键轴组装图中与主轴直接相连的部件图，(b)为第一小链轮图；

图7为本发明的半实物仿真驾舱U型轴组装图；其中(a)为U型轴与旋转框连接一端的组装图，(b)为U型轴与旋转框连接另一端的组装图，(c)第二小链轮图；

图8为本发明的半实物仿真驾舱关键轴剖面图；

图9为本发明的半实物仿真驾舱U型轴(第一法兰轴一侧)剖面图；

图10为本发明的半实物仿真驾舱U型轴(第二法兰轴一侧)剖面图；

图11为本发明的半实物仿真驾舱信号传递流程图；

标号说明：1-底座，2-第一减速器，3-第一电机，4-第一伺服器，5-脚轮，6-U型架，7-挡圈，8-旋转框主体，9-第二电机，，10-第二减速器，11-第二伺服器，12-控制座，13-座椅及安全装置，14-上位机，15-下位机，16-主轴，17-平键，18-圆螺母，19-第一滑环，20-第一轴承，21-第二轴承，22-套筒，23-轴承外套，24-第一小链轮，25-第一大链轮，26-第二小链轮，27-第二大链轮，28-第二滑环，29-第一法兰轴，30-第二法兰轴，31-第三轴承，32-第四轴承，33-第一轴承座，34-第二轴承座。

具体实施方式

为了进一步说明本发明的优点，下面结合内容和实施例作进一步说明。

依照本发明制作Reaigine Developer Kit 1型半实物仿真驾舱原型机，其结构实施方案与本发明完全一致。其中，

底座采用100*80*5的碳钢型材；底座采用40*40*4碳钢型材作为支撑焊管；U型架采用100*80*5的碳钢型材；主轴材料采用金属铬材质；链轮组采用34齿、17齿的双链轮组；链轮组链条采用12A链条；其他未声明结构采用40*25*2.5的冷弯空心钢；电机采用国产1.5KW和3.8KW的2500转电机；减速机采用2500线的1:40的减速机；将以上材料按图1-10所示连接；其工作流程如图11所示，具体为：

操作者与上位机进行交互；上位机进行绘制并计算虚拟设备的位置和姿态；下位机对姿态进行解算形成包含转速、转向的控制信号；下位机通过线路、滑环将控制信号传递给第一伺服器、第二伺服器；第一伺服器和第二伺服器分别驱动第一电机、第二电机运动；第一电机和第二电机分别带动第一减速器和第二减速器运动；第一减速器和第二减速器分别带动第一小链轮和第二小链轮转动。第一小链轮带动第一大链轮旋转，第一大链轮带动U型架旋转，完成Y轴方向的运动过程；第二小链轮相对第二大链轮旋转，带动旋转框主体进行旋转，并完成操作者期望的运动过程。

实验结果表明，仿真驾舱表现良好，数值与姿态匹配正确，能够完成0-30rpm的旋转目标，能够支撑0-80KG的操作者，达到预期效果。

Claims (4)

1.一种半实物仿真驾舱，其特征在于：包括底座部件组、U型架部件组、操作室部件组、关键轴部件组和U型轴部件组；

底座部件组包括底座、第一减速器、第一电机、第一伺服器和四个脚轮；其中，底座呈L型起支撑作用；第一减速器用螺栓与L型的顶端固定，输出增大后的扭矩；第一电机提供高速扭矩，与第一减速器通过法兰盘相连；第一伺服器与第一减速器贴合，用螺栓固定，为第一电机输入控制信号；四个脚轮与L型支架底部固定，使得整体结构能平稳移动；

所述U型架部件组为操作室部件组的旋转提供支撑结构，包括U型架和挡圈；其中，U型架为操作室部件组与底座部件组衔接的支撑结构，支持操作室旋转框主体沿X轴方向的旋转；挡圈与U型架以法兰方式相连，避免关键轴部件组产生轴向移动；U型架的两端分别连接操作室旋转框主体的两侧中点，挡圈位于U型架中点处利用法兰连接，与关键轴部件组的主轴相连；

操控室部件组包括旋转框主体、第二电机、第二减速器、第二伺服器、控制座、座椅及其安全装置、上位机、下位机；其中旋转框主体用于承载操作者、上位机和下位机，利用第一法兰轴和第二法兰轴与U型架进行连接；第二电机利用法兰与第二减速机相连，用来为旋转框主体X轴的旋转提供高速扭矩；第二减速器与第二电机以法兰轴相连，用来提供增大的扭矩；第二伺服器与第二减速器以螺栓相连，用来为第二电机输入控制信号；控制座用螺栓与旋转框主体底部相连，用于固定放置上位机和下位机；座椅及其安全装置利用螺栓与控制座相连，用来固定操作者；上位机利用螺栓与控制座相连，用来实时计算整体结构当前需要旋转的角度；下位机利用螺栓与上位机相连，将上位机的角度结果换算成相应的控制信号，利用电缆，通过第一滑环与第一伺服器相连，通过第二滑环与第二伺服器相连；

关键轴部件组包括主轴、平键、圆螺母、第一滑环、第一轴承、第二轴承、套筒、轴承外套、第一小链轮、第一大链轮；其中，主轴依次穿过第一轴承、套筒、第二轴承，前端利用圆螺母与底座相连，后端利用挡圈与U型架相连，支撑操作室部件组；平键采用过盈配合嵌入主轴，完成主轴与第一大链轮之间的动力传递；第一滑环利用法兰固定在主轴末端；第一轴承、第二轴承用于支撑主轴运动；套筒阻止轴承的位移；轴承外套利用其阶梯结构套在第一轴承和第二轴承上；第一小链轮与第一减速器以工艺键连接，传输增大后的扭矩；第一大链轮利用平键与主轴相连，利用链条与第一小链轮相连，完成将扭矩从第一减速器到主轴的传递；

U型轴部件组包括第二小链轮、第二大链轮、第二滑环、第一法兰轴、第二法兰轴、第三轴承、第四轴承、第一轴承座、第二轴承座；第二小链轮、第二大链轮、第一法兰轴、第三轴承、第三轴承座放置在U型架的一端，用于连接U型架和旋转框主体一端，第二法兰轴、第四轴承、第四轴承座放置在U型架的另一端，用来连接U型架和旋转框主体的另一端；其中，第二小链轮利用工艺键与第二减速器相连，用于传递扭矩；第二大链轮利用工艺键与第一法兰轴相连，利用第一法兰轴提供的肩阻止轴向运动；第二滑环与第二法兰轴利用法兰连接；第一法兰轴位于第二大链轮一侧，利用法兰与U型架部件组相固定，通过第三轴承支撑操作室部件组；第二法兰轴位于第二滑环一侧，利用法兰连接旋转框主体，通过第四轴承支撑操作室部件组；第三轴承利用第一轴承座与第一法兰轴相连，并支撑旋转框主体；第四轴承利用第二轴承座与第二法兰轴相连，并支撑旋转框主体。

2.根据权利要求1所述的一种半实物仿真驾舱，其特征在于：所述底座部件组用于为半实物仿真驾舱提供支撑和动力，获取控制室内下位机的信号并完成Y轴方向的旋转过程。

3.根据权利要求1所述的一种半实物仿真驾舱，其特征在于：所述操作室部件组完成半实物仿真驾舱X轴方向的旋转过程。

4.根据权利要求1所述的一种半实物仿真驾舱，其特征在于：所述关键轴部件组用于支撑U型架部件组的旋转；所述U型轴部件组用于支撑操作室部件组的旋转。