CN107430826A - 飞行模拟器及飞行模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种飞行模拟器和飞行模拟方法，包括设置在并联运动装置上的模拟器舱(1)，所述模拟器舱(1)具有最大正俯仰位置，在最大正俯仰位置翻滚轴(11)在并联运动装置(6)的运动能力范围内从水平方向尽量向上倾斜第一俯仰角(12)，同时顾及可能设置的任何控制边界条件，由此使得操作者(3)向后倾斜，其中第一俯仰角(12)大于25°。

Description

飞行模拟器及飞行模拟方法

技术领域

本发明涉及根据独立权利要求的前序部分的一种飞行模拟器以及一种飞行模拟方法。

背景技术

各种配置的飞行模拟器是已知和公开的。例如，在落地六足体上设置模拟器舱，这样的飞行模拟器是已知的。六足体是并联运动装置的构造，其中通过改变各个线性运动装置的长度，载体可以相对于基座做六个自由度的运动。这六个自由度指的是三个旋转自由度和三个平移自由度。

这种六足体是标准组件，用于移动和控制模拟器舱。常规飞行模拟器的缺点在于六足体的特殊配置限制了运动的自由度。在顾及通常的控制边界条件的情况下，模拟器舱围绕俯仰轴的倾角限制在±20°左右。这意味着人或模拟器舱可以向后倾斜最多20°，向前倾斜最多20°。因此，在顾及通常的控制边界条件的情况下，人或模拟器舱的翻滚轴只能从水平方向向顶部或底部倾斜小于20°。

然而，这种运动自由度不足以模拟特殊的飞行情况。例如，一种特殊飞行情况，即就是所谓的“完全失速”，在这种情况下，在机翼的关键部位出现完全的失速。为了提高移动自由度，现有技术提出了旨在防止各个线性运动装置之间的碰撞的复杂结构。然而，实际上，这种设置几乎不能成功，因为控制这些特殊的设置太复杂了，以至于不能经济地实现小批量的生产。相比之下，控制界面在传统的六足体中是存在和已知的。

常规六足体的飞行模拟器(也称为包络)的运动自由度或运动特性是基于最坏情况而设计的，其中模拟器的最大位置是在这些(仅仅是假想的)最坏情况下出现的，而在模拟器的实际操作过程中几乎从不会遇到这样的最坏情况。在模拟一个实际可能的失速时，常规模拟器中模拟器舱的倾斜度远远不及六足体的最大运动自由度，因此六足体的潜在可用运动自由度实际上远远没有被充分利用。

因此，传统的基于六足体的飞行模拟器，不能够足够现实地模拟完全失速，它所模拟的只是开始或部分失速。

发明内容

本发明的目的是提供一种克服现有技术的缺点的飞行模拟器和飞行模拟方法，从而能够实现改进的飞行模拟。特别地，例如，人可以倾斜超过20°或25°，例如可以在感知上以足够准确的方式模拟完全失速。

本发明的目的通过独立权利要求中的特征来实现。

在适用的情况下，本发明涉及一种飞行模拟器，包括：

-模拟器舱，其中所述模拟器舱室包括用于操作者的座椅，如果需要，包括用于显示所模拟的环境的图像显示装置，以及优选的，至少一个控制元件，所述控制元件用于产生模拟控制数据，特别是用于控制所模拟的飞行器并且让操作者影响模拟过程，

-并联运动装置，其包括基座，载体元件和若干个线性运动装置，其中所述载体元件通过至少三个，优选为六个，线性运动装置与所述基座连接，并且如果需要，其中所述基座与地面相连，载体元件与模拟器舱连接，从而模拟器舱设置于并联运动装置上或具有落地式设计，其中模拟器舱具有实质上对应于所模拟的飞行器的平稳直线飞行的基本位置，并且在该基本位置，所模拟的飞行器或操作员的翻滚轴实质上保持水平，其中模拟器舱具有最大正俯仰位置，在最大正俯仰位置翻滚轴在并联运动装置的运动能力范围内从水平方向尽量向上倾斜第一俯仰角，同时顾及可能设置的任何控制边界条件，并且由此使得操作者向后倾斜，其中，优选的，倾斜围绕俯仰轴或围绕平行于俯仰轴的轴线发生，其中模拟器舱室具有最大负俯仰位置，其中翻滚轴在并联运动装置的运动能力的范围内从水平方向尽量向下倾斜第二俯仰角，同时顾及可能设置的任何控制边界条件，并且由此使得操作者向前倾斜，其中，优选的，倾斜围绕俯仰轴或围绕平行于俯仰轴的轴线发生，并且第一俯仰角大于25°。

在适用的情况下，第一俯仰角的值大于第二俯仰角的值，或者第一俯仰角的值比第二俯仰角的值大一个差角。

在适用的情况下，模拟器舱围绕俯仰轴或围绕平行于俯仰轴的轴在最大负俯仰位置和最大正俯仰位置之间的倾斜仅通过驱动并联运动装置来实现。

在适用的情况下，线性运动装置设置为具有可以被控制或调节的可变长度的线性运动装置，其中线性运动装置的长度位于最小长度和最大长度的范围内，从而经由线性运动装置的长度的变化，载体元件可以围绕至少两个轴线相对于基座枢转，并且载体元件具有三个旋转自由度和三个平移自由度。

在适用的情况下，线性运动装置成对设置，其中构成一个线性运动装置对的两个线性运动装置相对于彼此倾斜，从而特别地，形成六足体。

在适用的情况下，并联运动装置具有并联运动基本位置，在并联运动基本位置基座和载体元件实质上平行设置，当模拟器舱位于其基本位置时，并联运动装置偏离其并联运动基本位置。

在适用的情况下，并联运动装置具有并联运动基本位置，在并联运动基本位置基座和载体元件实质上平行设置，当模拟器舱位于其基本位置时，基座围绕俯仰轴或围绕平行于俯仰轴的轴线相对于载体元件倾斜。

在适用的情况下，并联运动装置具有并联运动基本位置，在并联运动基本位置基座和载体元件实质上平行设置，在并联运动基本位置翻滚轴向上倾斜一个正差角，并且在并联运动基本位置模拟器舱偏离其基本位置。

在适用的情况下，基座相对于水平面向上倾斜一个正差角，或者翻滚轴相对于载体元件的延伸方向向上倾斜一个正差角，或者基座相对于水平面向上倾斜一个正差角并且翻滚轴相对于载体元件的延伸方向也向上倾斜所述正差角，其中，优选的，差角位于俯仰轴的法向平面内。

在适用的情况下，设有形状类似楔形物的或作用类似楔形物的并且位于基座和地面之间的楔形装置，楔形装置的作用在于使得基座相对于水平面倾斜。

在适用的情况下，设有形状类似楔形物的或作用类似楔形物的并且位于模拟器舱和载体元件之间的楔形装置，楔形装置的作用在于使得翻滚轴相对于载体元件的延伸方向倾斜。

在适用的情况下，楔形装置是刚性楔形装置，其楔形角度在模拟期间保持不变。

在适用的情况下，所有线性运动装置实质上具有相同的最小和最大长度，并且特别地，在结构上相同，从而，特别地，形成对称的并联运动装置。

在适用的情况下，从操作者的目视方向观察，前部线性运动装置或前部线性运动装置对具有比后部线性运动装置或后部线性运动装置对更大的最大长度，从而形成非对称的并联运动装置。

在适用的情况下，从操作者的目视方向观察，在并联运动基本位置，前部线性运动装置或前部线性运动装置对的设置角度比后部线性运动装置或后部线性运动装置对的设置角度更陡，从而形成非对称的并联运动装置。

在适用的情况下，第二俯仰角在-10°至-25°之间，第二俯仰角在-10°至-22°之间，和/或第二俯仰角测量在-19°至-21°之间。

在适用的情况下，第一俯仰角在25°至35°之间，第一俯仰角在28°至35°之间，第一俯仰角在29°至35°之间，第一俯仰角在30°至35°之间，第一俯仰角在32°至35°之间，和/或第一俯仰角在29°至31°之间。

在适用的情况下，差角在约2°至20°之间，约2°至12°之间，约3°至10°之间，4°至8°之间，和/或约5°。

在适用的情况下，在地面和基座之间或载体元件和模拟器舱之间设置旋转板或旋转圈，使得模拟器舱可以围绕竖直轴，特别是围绕偏航轴旋转。

在适用的情况下，设有包括调节模块的控制装置，用于处理模拟控制数据并且控制并联运动装置，其中控制装置能够用于使模拟器舱从最大正俯仰位置进入最大负俯仰位置，其中最大正俯仰位置和最大负俯仰位置限定了模拟器舱在俯仰方向的运动自由度。

在适用的情况下，本发明涉及用于前述任一项权利要求所述的飞行模拟器的飞行模拟方法，包括以下步骤：

-驱动并联运动装置以使模拟舱处于其基本位置，

-随后驱动并联运动装置以使得模拟器舱从其基本位置围绕俯仰轴或围绕平行于俯仰轴的轴线向后倾斜，倾斜角度为大于25°的正俯仰角。

在适用的情况下，通过并联运动装置的第一驱动来模拟平稳的直线飞行，使模拟器舱位于其基本位置，

并且通过并联运动装置的第二驱动来模拟完全失速，使得模拟器舱从其基本位置围绕俯仰轴或围绕平行于俯仰轴的轴线向后倾斜，倾斜角度为大于25°的正俯仰角。

在适用的情况下，仅仅通过驱动并联运动装置而使得模拟器舱从其基本位置围绕俯仰轴或围绕平行于俯仰轴的轴线向后倾斜，倾斜角度为大于25°的正俯仰角。

在适用的情况下，正俯仰角为28°、29°、30°、31°、32°、33°、34°、35°或更高。

在适用的情况下，通过并联运动装置的第一驱动来模拟平稳的直线飞行，使得模拟器舱位于其基本位置，

并且通过并联运动装置的第二驱动来模拟失速或完全失速，使模拟器舱从其基本位置围绕俯仰轴或围绕平行于俯仰轴的轴线向后倾斜，倾斜角度为大于25°的正俯仰角，而且所模拟的飞行情况在此偏离用于演示常规模拟器的运动自由度或运动特性的最坏情况。

在适用的情况下，通过并联运动装置的第一驱动来模拟平稳的直线飞行，使模拟器舱位于其基本位置，其中所模拟的速度低于所模拟的飞行器的最大速度，并且，特别地，比所模拟的飞行器的最大速度低10％以上，

并且通过并联运动装置的第二驱动来模拟失速或完全失速，使模拟器舱从其基本位置围绕俯仰轴或围绕平行于俯仰轴的轴线向后倾斜，倾斜角度为大于25°的正俯仰角，其中在失速期间，所模拟的速度比所模拟的飞行器的最大速度低，并且，特别地，比所模拟的飞行器的最大速度低10％以上，从而偏离用于演示常规模拟器的运动自由度或运动特性的最坏情况。

在适用的情况下，本发明涉及用于任何运动模拟器的调节模型和/或调节方法，例如具有六足体的运动模拟器，单臂离心机，多臂离心机，具有可移动的托架的单臂或多臂离心机，其中所述运动模拟器适于或设置用于模拟飞机，直升机，车辆和/或船舶，特别是用于模拟任何运输工具，并且其中调节模型和/或调节方法是根据图4的，根据图4的附加说明和/或根据整个说明书。

在适用的情况下，基座与地面刚性连接。在适用的情况下，载体元件与模拟器舱刚性连接。

在适用的情况下，所有实施例中的飞行模拟器被设计为所谓的“全飞行状态飞行模拟器”，其中操作者可以通过使用控制元件在模拟环境中控制飞行器，并且其中对于操作员来说，各种真实飞行情况中会产生的感官印象以在感知上准确的方式被充分或最佳地模拟。在适用的情况下，楔形装置的楔形角度对应于所述差角。

为了更加清楚，下面将定义几个术语：

翻滚轴对应于实质上沿着笔直向前看的放松目视方向的轴线。特别地，翻滚轴是水平轴，例如平稳直线运行的飞行器所在的轴线。

特别地，偏航轴位于翻滚轴的法向，特别是实质上位于竖直方向或位于竖直平面上。俯仰轴位于翻滚轴与偏航轴的法向。特别地，俯仰轴是从左到右或从右到左延伸的水平轴。根据定义，优选地，俯仰轴，偏航轴和翻滚轴相交于一个点或一个区域。优选地，该点或区域位于操作者的头部所在的区域。但是，在适用的情况下，该点或区域位于远离人头部所在的区域。特别地，轴的方向由待模拟的飞行器的性质决定。

在适用的情况下，并联运动装置被设置或调节以使得前部线性运动装置能够抬升模拟器舱或提高模拟器舱的运动自由度。在所有实施例中，前方表示位于模拟器的基本位置处的操作者的前方的方向。例如，在六足体构造的情况下，在前方设置布置于中央的线性运动装置对。两个线性运动装置在并联运动装置的后部区域与竖直中央纵平面在横向间隔开。然而，在适用的情况下，模拟器舱也可以相对于这种构造转动90°、180°或者某些其他角度。这里的前部线性运动装置总是指那些位于基本位置的操作者的目视前方的线性运动装置。

在适用的地方，处于基本位置的模拟器舱因此可以在前部具有两个线性运动装置，特别是一个线性运动装置对，并且在后部具有四个线性运动装置，特别是两个线性运动装置对。

在转动180度的结构中，在模拟器舱前部设置四个线性运动装置，特别是两个线性运动装置对，并且在后部配有两个线性运动装置，特别是一个线性运动装置对。

这两种结构特别适用于设置为六足体的并联运动装置。优选地，模拟器舱对称地位于处于基本位置上的六足体上或并联运动装置上，使得在围绕翻滚轴的翻滚运动的情况下，左右运动的自由度是对称的。

附图说明

接下来将基于附图进一步描述本发明，其中图1示出了并联运动装置的倾斜示意图，图2a、2b、2c和2d示出了本发明的不同实施例中的飞行模拟器的侧视示意图以及在下方示出了并联运动装置分别的连接位置的示意图，图3示出了本发明的可能实施例的侧视示意图，图4示出了本发明的装置的示例性调节模型。

除非另有说明，附图标记对应于以下组件：模拟舱1，座位2，操作者3，图像显示装置4，控制元件5，并联运动装置6，基座7，线性运动装置8，载体元件9，地面10，翻滚轴11，第一俯仰角12，第二俯仰角13，差角14，俯仰轴15，线性运动装置的长度16，前部线性运动装置17，后部线性运动装置18，旋转板19，偏航轴20，楔形装置21，飞行模型22，感知模型23，目标函数24，约束条件25，最优控制或最优调节算法26，感知模型27，模拟器运动模型28，待调节的飞行模拟器的组件29，可选反馈30，控制输入31。

具体实施方式

图1示出了传统六足体的倾斜示意图，特别是传统六足体的运动学构型，其中该六足体能够被用作本发明的飞行模拟器中的并联运动装置6。

并联运动装置6包括基座7，载体元件9和几个线性运动装置8。线性运动装置8各自具有可变长度16。例如，在所有实施例中，线性运动装置8被设计为液压缸。然而，在适用的情况下，在所有实施例中，这些线性运动装置8也可以被设计为电驱动的线性运动装置或气动的线性运动装置。线性运动装置8可以以受控或可调节的方式从最小长度伸展到最大长度。线性运动装置8也可以在每个中间位置被止动，从而具有特定长度16。以受控的方式改变线性运动装置8的长度使得载体元件9可以相对于底座移动。特别地，载体元件9可以围绕三个旋转轴相对于基座7倾斜，并且沿三个自由度平移。线性运动装置8可以沿着圆周接合在载体元件9和/或基座7上。特别地，这些接合点可以规则地、对称地、扭转对称地、旋转对称地或以预定方式位于基座7上和/或载体元件上。例如，两个相应的线性运动装置8成对设置，从而产生线性运动装置对。优选的，线性运动装置对的两个线性运动装置8彼此不平行，而是彼此相对歪斜或倾斜。

在适用的情况下，在所有具有对称的并联运动装置6或对称六足体的实施例中，所有线性运动装置8在结构上相同或具有相同的长度或相同的长度范围。线性运动装置8都具有最小长度和最大长度，其中对于所有线性运动装置8，这些最小和最大长度都可能是相同的。优选地，基座7位于地面上或与地面连接。优选地，载体元件9设置为承载待移动物体，例如模拟器舱1。特别地，模拟器舱1(未示出)与载体元件9连接。优选地，并联运动装置6位于地面上。在适用的情况下，基座7与地面10相连。在所有实施例中，例如，地面10可以是模拟器大厅或地基的地面。

图2a示出了根据本发明的飞行模拟器的侧视示意图。设有座椅2的模拟器舱1，图像显示装置4以及控制元件5位于并联运动装置6上，座椅2为操作者3而设置。操作者3坐在座椅2上。图像显示装置4适于并且/或者用于显示所模拟的环境和/或其他信息。控制元件5适于并且/或者用于产生控制信号，使得操作者可以影响模拟过程。例如，所有实施例中的控制元件5复制待模拟的飞行器的控制元件。在所模拟的环境中通过启动这些控制元件5来移动并且/或者控制所模拟的飞行器。数据处理系统可用于处理控制数据，以便控制或调节并联运动装置6。可以通过改变模拟器舱1和设置在其中的座椅2的位置或倾斜度来为操作者3展现类似于或反映所模拟的飞行条件下的相应状态的加速状态。在本实施例中，并联运动装置6设置为对称的并联运动装置6。其包括基本上水平地位于地面10上的基座7。并联运动装置6还包括载体元件9，其在当前位置也基本上水平延伸。特别地，载体元件9基本上平行于基座7。并联运动装置6的此位置对应于并联运动基本位置。在这个位置上，优选地，所有线性运动装置8具有相同的长度16。优选地，线性运动装置8的接合点对称地、均匀地或规则地围绕基底7或载体元件9的圆周分布。通过改变线性运动装置8的长度可以改变模拟器舱1的位置。在本实施例中，楔形装置21设置在模拟器舱1和载体元件9之间。该楔形装置21被示意性地示出为楔子。然而，它可以是所有能起到楔子作用的结构。例如，模拟器舱1可以包括刚性板或刚性板载体，其通过一侧上特别是在前部区域的间隔元件与载体元件9间隔开，从而使得模拟器舱1相对于载体元件9倾斜。优选地，该倾斜围绕俯仰轴或围绕平行于俯仰轴的轴线。在所有实施例中，该倾斜角对应于差角14。

在图2a所示的位置，模拟器舱1不位于其基本位置，而是后倾大约为俯仰角的特定角度，特别的，后倾角度为上述差角。俯仰轴15在该视图中投影。特别地，它位于翻滚轴11和偏航轴20之间的交叉点处。

例如，该位置对应于在所模拟的环境中模拟飞行器的纵向加速状态或爬升状态的位置。

在本实施例中，并联运动装置6包括六个线性运动装置8，因此并联运动装置6为六足体。线性运动装置8中的三个未画出，因为它们在三个可见的线性运动装置8之后且与三个可见的线性运动装置8对齐。

图2b的特征实质上与图2a的特征一致，其中图2b中的楔形装置21设置在地面10和基座7之间。在本实施例中或在该位置上，并联运动装置6处于其并联运动基本位置，与图2a中一致，所有线性运动装置8具有相同的长度16。在本实施例中，整个并联运动装置6倾斜相同角度，其中并联运动装置6围绕俯仰轴或围绕平行于俯仰轴的轴线倾斜。特别地，并联运动装置6向后倾斜的角度为差角14。模拟器舱1不在其基本位置，而是也向后倾斜。图2b中的并联运动装置6也被设置为对称的并联运动装置6。

为了模拟一个平稳的直线飞行，在该平稳直线飞行期间模拟器舱1处于其基本位置，可以改变线性运动装置8的长度从而使得模拟器舱1或操作者3实质上保持水平。具体地，在图2a或2b的构造中，前部线性运动装置17相对于后部线性运动装置18缩短，以将模拟器舱1布置在其基本位置。在该基本位置，优选地，翻滚轴1水平设置。优选地，偏航轴20实质上竖直设置。

该结构设置使得，模拟器舱1位于其基本位置，并联运动装置6位于并联运动基本位置之外，从而实现了提高围绕俯仰轴15向上倾斜的运动自由度的创造性效果，其中在图2a和图2b的结构中，围绕俯仰轴向下倾斜的运动自由度减小。特别地，围绕俯仰轴的正向倾斜的运动自由度向上被增加了一个差角14，围绕俯仰轴的负向倾斜的运动自由度向下被减少了所述差角14。

图2c示出了飞行模拟器的另一实施例的侧视示意图，其中图2c的元件和特征实质上与图2a和2b的特征相对应。在图2c的本实施例中，前部线性运动装置17设置为比后部线性运动装置18长。特别地，前部线性运动装置17的最大长度大于后部线性运动装置18的最大长度。以这种方式也可以改善围绕俯仰轴向上运动的自由度。

图2d示出了根据本发明的飞行模拟器的另一实施例的侧视示意图，其中本实施例中的部件实质上与前述实施例中的部件相对应。在本实施例中，所有线性运动装置8具有相同的最大长度。然而，前部线性运动装置17的设置角度比后部线性运动装置17的设置角度更陡。以这种方式也可以增加向上运动的自由度。特别地，如侧视图下方的线性运动装置8作用点示意图所示，前部线性运动装置的作用点更靠近中心，以实现更陡峭的设置角度。

图3示出了图2a的实施例的侧视示意图，其中模拟器舱1处于其基本位置。图3所示的飞行模拟器的部件和特征实质上与前述实施例的特征相对应。翻滚轴11实质上水平延伸。并联运动装置6处于偏离并联运动基本位置的位置。特别地，载体元件9以特定角度倾斜，特别是倾斜一个差角14。

此种结构使得，模拟器舱1或翻滚轴11可以从实质上水平的方向向上倾斜第一俯仰角12以及向下倾斜第二俯仰角13，优选地，第一俯仰角12大于25°。特别地，第一俯仰角12的值大于第二俯仰角13的值，这将导致围绕俯仰轴15做倾斜运动的模拟器舱的不对称的运动自由度。

在适用的情况下，设置旋转板或旋转圈19。模拟器舱1可以通过该旋转板或旋转圈相对于地面10转动。例如，旋转板19可以设置在模拟器舱1和载体元件9之间。在适用的情况下，旋转板19设置在地面10和基座7之间。

图4示出了用于调节并且/或者控制飞行模拟器的调节电路中的调节模块的结构示意图，其中优选地，调节电路是数据处理装置的至少一部分，特别地为控制装置和/或调节装置，其优选地由计算机实现。调节模块或调节电路适用于实时调节飞行模拟器，特别是所谓的“全飞行状态飞行模拟器”，或者控制模拟器的运动。这种类型的调节模块可以用于本实施例的飞行模拟器。

然而，调节模块也可用于控制并且/或者调节其他运动模拟器，例如单臂离心机，带有可移动托架的双臂离心机，带有可移动托架的单臂离心机或其他运动模拟器。为了模拟任意的运输工具，例如车辆、船舶、直升机等，飞行模型可以由与要模拟的运输工具相对应的模型替代，以在本发明的所有实施例中被模拟。为了模拟各种飞机类型或特殊飞机类型，飞行模型可以分别对应于或被适配于要模拟的飞机。

可通过改变运动模拟器或飞行模拟器的组件29以及模拟器运动模型28，使得运动过滤器或调节模块能够用于所需的任何飞行模拟器或运动模拟器。优选地，也可以调整约束条件25。

优选地，调节模型包括控制输入31，其中控制输入31尤其是由控制元件5产生，飞行模型22，感知模型23，目标函数24，最优控制算法或最优调节算法26，约束条件25，感知模型27和模拟器运动模型28。要控制或调节的飞行模拟器的部件29与调节电路连接。该调节模块也被称为运动过滤器，它具有的一个优点是将与目标函数相对应的实际运动和模拟运动之间的偏差减小到最小。飞行模型22基于操作员的控制数据31计算作用在操作者上的运动，该运动在感知模型23中被进一步处理，以计算飞行员感觉到的运动。要模拟的运动被转换成飞行模拟器的相应参数，并且转发到模拟器运动模型28，模拟器运动模型28的输出数据进一步由感知模型27处理成已经被操作者感知或者将要被操作者感知的运动。两个感知模型23和27的输出数据之间的差异被优化或最小化，使得整个运动过滤器或整个调节模块产生最优模拟。通过积极考虑约束条件25，可以最优地利用模拟器的工作空间。因此，不再绝对需要基于“最坏情况”的演示。例如，所述约束条件是运动平台或飞行模拟器的运动学极限。

在适用的情况下，两个感知模型23，27在所有实施例中是相同的。

在适用的情况下，飞行模拟器实际出现的运动数据通过反馈路线30返回到调节电路。在适用的情况下，也可以省略感知模型，使得飞行模型22和/或模拟器运动模型28的输出数据直接提供给目标函数24。虚线因此对应于替代实施例，其可以与相应的实线部分同时存在或替代相应的实线部分。

图4中以及后面说明书内容中公开的调节模块允许对飞行模拟器的实时调节，其中使得在感知上精确的模拟得到改进或成为可能。

本发明尤其是由权利要求中的特征限定，而不限于所展示的示例性实施例。特别地，实施例中公开的特征的组合也是本发明的一部分。例如，可以使用并联运动装置，并联运动装置的线性运动装置在设计上相似或结构上相同。特别地，所有线性运动装置的最小长度和最大长度可以大致相同。同样的，在本实施例中，前部线性运动装置也可以更加陡峭地设置，从而增加围绕俯仰轴向上移动的自由度。此外，模拟器舱的位置可以相对于载体元件倾斜，并且/或者整个并联运动装置的位置可以倾斜。并联运动装置的部件的倾斜位置与加长的前部线性运动装置的组合也反映了本发明的创造性设计。

将描述示范性的模拟序列以进一步示出可能的应用：

例如，在初始状态下具有民用客机的巡航速度。在第一步中，模拟飞行速度可以由于不同的原因(例如大气扰动，传感器缺陷，驾驶员错误等)而被不希望地减少。因此，必须增加迎角，从而防止飞机下降。如果这种情况导致一个完全的失速，所谓的失速，例如，会出现超过25°的迎角。模拟过程中飞行模拟器几乎精确地复制了这种迎角，从而实现了逼真的模拟。为了使训练有价值，优选地，要求将失速模拟至临界迎角以上约10°。因此，飞行模拟器应能够实现或模拟超过25°的迎角，优选在30°至35°之间的迎角。作为对失速的回应，飞行员现在将引导飞机做潜水式下降，例如大约-15°至-20°的下降，以使流量比和飞行速度再次回到正常范围。然后定向且小心的拦截飞机。例如，在这个演习过程中，遇见了围绕俯仰轴的+30°到+35°和-15°到-20°的最大迎角。在实践中通常不会遇见精确再现的迎角，因为有其它加速度作用于人，例如速度的降低，即延迟，或速度的增加，即加速，这些是通过倾斜模拟器舱的位置来模拟的。例如，在至多3-5°的范围内的这些倾斜位置，被从所模拟的飞行姿态中减去或增加。

在适用的情况下，所有实施例中的飞行模拟器被设计成使得模拟器有最大俯仰位置，在最大俯仰位置，在并联运动装置的运动能力范围内，翻滚轴从水平方向向上或向下倾斜第一或第二俯仰角，必要时顾及控制边界条件。例如，运动能力受到并联运动装置的结构设计的限制。然而，这些运动能力在飞行模拟器中仅被部分利用，从而控制边界条件被维持。

为了控制飞行模拟器，在模拟器舱中设置控制元件。例如，依照待模拟的飞行器的控制元件来模型化这些控制元件。在所有实施例中，模拟器舱可以包括与要模拟的飞行器的驾驶舱相对应的驾驶舱。

在模拟器中，操作控制元件以将控制信号传到数据处理装置，特别是传到控制装置和/或调节装置。数据处理装置、控制装置和/或调节装置可以包括一个或多个程序控制计算机，并且至少部分地根据图4进行设计。特别地，存储由计算机实现的数学飞行模型，其对应于要模拟的飞机的虚拟运动模型。模拟控制数据，例如控制元件的数据或潜在地还包括干扰影响的数据，例如环境影响或定向的人为干扰影响，被传送到所述由计算机实现的飞行模型，其中模型对控制数据的响应被计算出来，优选地，实时计算。例如，飞行模型的数据包含加速度、速度和/或位置数据，这些数据将影响模拟环境中的操作者，也会影响真实环境中的飞行员。

在模拟期间，加速度参数或位置参数以感知上尽可能精确的方式进行模拟是至关重要的。为此，由计算机实现的感知模型也可以存储在数据处理设备中。该感知模型包括关于操作者如何感知特定加速度状态或变化的参数。如果需要，控制元件的控制数据因此被传送到飞行模型和感知模型，并且优选地在那里被实时处理，以实现感知上精确的对模拟器控制或调节。优选地，该调节是实时调节，其特别地还考虑关于并联运动装置和飞行模拟器的运动限制条件的数据。优选地，由调节装置输出的数据被发送到并联运动装置以控制或调节其运动。

此外，可以存储模拟器运动学特性的和/或并联运动装置的运动特性的由计算机实现的模型。控制数据传送给该模型，以在由计算机实现的模型中模拟模拟器运动。并联运动设备的模拟以及为实现该模拟而输出的变量也可以提供给由计算机实现的感知模型。为了优化模拟，随后可以优化或最小化飞行模型的感知模型的输出数据与模拟器模型的感知模型的输出数据之间的差异。然后优化的控制数据用于控制实际的并联运动装置。在适用情况下，飞行模拟器的实际数据，特别是位置数据或加速度数据，通过感知模型而被返回到调节装置。感知模型的参数可以被分别适配于各个操作者。两种感知模型在设计上可以相同。

在示例性调节模型中，例如图4所描述的调节模型中，控制元件的模拟器控制数据因此被发送到由计算机实现的飞行模型，然后由此计算所模拟的飞行器对此操作的响应。例如，输出变量是位置数据或加速度数据。这些被提供给由计算机实现的感知模型，以便获得对应于操作者的感知的参数。优选地，调节电路还包括由计算机实现的模拟器运动学模型，其输出数据又被提供给由计算机实现的感知模型，此感知模型的输出数据实质上对应于由模拟器运动产生的感知数据。优选地，由控制输入产生的感知数据和由模拟器运动产生的感知数据之间的差异被最小化。另外，这些数据构成调节电路的输入变量。调节电路与并联运动装置连接，用于控制并联运动装置。算法的目标不主要是使运动中的物理偏差最小化，而主要是在遵守必要约束条件的同时最小化感知偏差，其中运动中的物理偏差也可以最小化。模拟器或并联运动装置的工作空间可以通过积极考虑约束条件来最优地利用。不再需要基于“最坏情况”的配置。不是复制物理运动，而是复制对运动的感知，这导致更逼真的模拟结果。感知是一个主观标准，意味着每个人在感知运动时会有稍微的不同。感知模型反映了人类感知的基本特征，可以通过个人参数化来适配于个体感知。在适用的情况下，即使在模拟期间，系统操作者也有机会对操作者的反馈或飞行员的反馈作出反应，从而可以相应地调整系统行为。运动过滤器不绑定到运动平台的特定运动结构。调整使得将算法应用于其他平台例如单臂离心机或多臂离心机成为可能。与离线模式相反，飞行员可以在实时使用本调节装置时，特别是使用图4的调节装置时，主动地控制飞机，这诠释了在运动模拟中通常使用的术语“闭环模式”。操作者的控制输入被用于计算参考轨迹，但是后者可能仅在当前时间内已知，如果需要可以预测将来的进度。可以根据该参数实时计算运动平台的路径。本调节装置特别是根据图4的调节装置的一个优点在于其满足这两个要求：一方面能够实时地解决优化任务，另一方面能够最优地追踪未知的参考运动。实时方法面向“基于模型的预测调控”(模型预测控制，MPC)，一种通过使用过程模型并考虑约束条件的计算最优控制变量的调节方法。术语MPC并没有描述任何特定的调节算法，而是表示一类模型支持的调节方法，可以实时解决移动的界限上的动态优化问题。过程模型用于预测当前和未来操作变量的后果，并根据所需的目标函数对操作变量进行优化。

Claims (26)

1.一种飞行模拟器，包括：

模拟器舱(1)，其中所述模拟器舱包括用于操作者(3)的座椅(2)，用于显示所模拟的环境的图像显示装置(4)，以及至少一个控制元件(5)，所述控制元件(5)用于产生模拟控制数据，特别是用于控制所模拟的飞行器并且让操作者(3)影响模拟过程，

并联运动装置(6)，其包括基座(7)，载体元件(9)和若干个线性运动装置(8)，其中所述载体元件(9)通过至少三个，优选为六个，线性运动装置(8)与所述基座(7)连接，其中所述基座(7)与地面(10)相连，所述载体元件(9)与所述模拟器舱(1)连接，从而所述模拟器舱(1)设置于所述并联运动装置(6)上，

其中，所述模拟器舱(1)具有实质上对应于所模拟的飞行器的平稳直线飞行的基本位置，并且在该基本位置，所模拟的飞行器或所述操作者(3)的翻滚轴(11)实质上保持水平，

其中所述模拟器舱(1)具有最大正俯仰位置，在所述最大正俯仰位置所述翻滚轴(11)在所述并联运动装置(6)的运动能力范围内从水平方向尽量向上倾斜第一俯仰角(12)，同时顾及可能设置的任何控制边界条件，并且由此使得所述操作者(3)向后倾斜，

其中所述模拟器舱室(1)具有最大负俯仰位置，在所述最大负俯仰位置所述翻滚轴(11)在并联运动装置的运动能力的范围内从水平方向尽量向下倾斜第二俯仰角(13)，同时顾及可能设置的任何控制边界条件，并且由此使得所述操作者(3)向前倾斜，其特征在于，所述第一俯仰角(12)大于25°。

2.如权利要求1所述的飞行模拟器，其特征在于：所述第一俯仰角(12)的值大于所述第二俯仰角(13)的值，或者所述第一俯仰角(12)的值比所述第二俯仰角(13)的值大一个差角(14)。

3.如权利要求1或2所述的飞行模拟器，其特征在于：模拟器舱围绕俯仰轴(15)或围绕平行于俯仰轴的(15)的轴线在最大负俯仰位置和最大正俯仰位置之间的倾斜仅通过驱动并联运动装置(6)来实现。

4.如权利要求1-3中任一项所述的飞行模拟器，其特征在于：所述线性运动装置(8)设置为具有可被控制或调节的可变长度(16)的线性运动装置(8)，其中线性运动装置(8)的长度(16)在最小长度和最大长度之间的范围内，从而经由所述线性运动装置(8)的长度的变化，载体元件(9)可以围绕至少两个轴线相对于基座(7)枢转，载体元件具有三个旋转自由度和三个平移自由度。

5.如权利要求1-4中任一项所述的飞行模拟器，其特征在于：所述线性运动装置(8)成对设置，其中构成一个线性运动装置对的两个线性运动装置(8)相对于彼此倾斜，从而特别地，形成六足体。

6.如权利要求1-5中任一项所述的飞行模拟器，其特征在于：所述并联运动装置(6)具有并联运动基本位置，在所述并联运动基本位置所述基座(7)和所述载体元件(9)实质上平行设置；当所述模拟器舱(1)位于其基本位置时，所述并联运动装置(6)偏离所述并联运动基本位置。

7.如权利要求1-6中任一项所述的飞行模拟器，其特征在于：所述并联运动装置(6)具有并联运动基本位置，在所述并联运动基本位置所述基座(7)和所述载体元件(9)实质上平行设置，

当所述模拟器舱(1)位于其基本位置时，所述基座(7)围绕俯仰轴(15)或围绕平行于俯仰轴(15)的轴线相对于所述载体元件(9)倾斜。

8.如权利要求1-7中任一项所述的飞行模拟器，其特征在于：所述并联运动装置(6)具有并联运动基本位置，在所述并联运动基本位置所述基座(6)和所述载体元件(9)实质上平行设置，在所述并联运动基本位置所述翻滚轴(11)向上倾斜一个正差角(14)，并且在所述并联运动基本位置所述模拟器舱(1)偏离其基本位置。

9.如权利要求1-8中任一项所述的飞行模拟器，其特征在于：

所述基座(7)相对于水平面向上倾斜一个正差角(14)，

或者所述翻滚轴(11)相对于所述载体元件(9)的延伸方向向上倾斜一个正差角(14)，

或者所述基座(7)相对于水平面向上倾斜一个正差角(14)并且所述翻滚轴(11)相对于所述载体元件(9)的延伸方向也向上倾斜所述正差角(14)，

其中，所述差角(14)位于所述俯仰轴(15)的法向平面内。

10.如权利要求1-9中任一项所述的飞行模拟器，其特征在于：设有形状类似楔形物的或作用类似楔形物的并且位于所述基座(7)和所述地面(10)之间的楔形装置(21)，所述楔形装置(21)的作用在于使得所述基座(7)相对于水平面倾斜。

11.如权利要求1-10中任一项所述的飞行模拟器，其特征在于：设有形状类似楔形物的或作用类似楔形物的并且位于所述模拟器舱(1)和所述载体元件(9)之间的楔形装置(16)，所述楔形装置(16)的作用在于使得所述翻滚轴(11)相对于所述载体元件(9)的延伸方向倾斜。

12.如权利要求10、11中任一项所述的飞行模拟器，其特征在于：所述楔形装置(16)是刚性楔形装置，其楔形角度在模拟期间保持不变。

13.如权利要求1-12中任一项所述的飞行模拟器，其特征在于：所有线性运动装置(8)实质上具有相同的最小和最大长度，并且特别地，在结构上相同，从而，特别地，形成对称的并联运动装置(6)。

14.如权利要求1-12中任一项所述的飞行模拟器，其特征在于：从操作者(3)的目视方向观察，前部线性运动装置(8)或前部线性运动装置对具有比后部线性运动装置(8)或后部线性运动装置对更大的最大长度，从而形成非对称的并联运动装置(6)。

15.如权利要求1-14中任一项所述的飞行模拟器，其特征在于：从操作者(3)的目视方向观察，在并联运动基本位置，前部线性运动装置(8，17)或前部线性运动装置对的设置角度比后部线性运动装置(8，18)或后部线性运动装置对的设置角度更陡，从而形成非对称的并联运动装置(6)。

16.如权利要求1-15中任一项所述的飞行模拟器，其特征在于：所述第二俯仰角(13)在-10°至-25°之间，

第二俯仰角(13)在-10°至-22°之间，

或第二俯仰角(13)在-19°至-21°之间。

17.如权利要求1-16中任一项所述的飞行模拟器，其特征在于：所述第一俯仰角(12)在25°至35°之间，

第一俯仰角(12)在28°至35°之间，

第一俯仰角(12)在29°至35°之间，

第一俯仰角(12)在30°至35°之间，

第一俯仰角(12)在32°至35°之间，

或第一俯仰角(12)在29°至31°之间。

18.如权利要求1-17中任一项所述的飞行模拟器，其特征在于：所述差角(14)在约2°至20°之间，约2°至12°之间，约3°至10°之间，4°至8°之间，或是约5°。

19.如权利要求1-18中任一项所述的飞行模拟器，其特征在于：在所述地面(10)和所述基座(7)之间或所述载体元件(9)和所述模拟器舱(1)之间设置有旋转板(19)或旋转圈(19)，使得所述模拟器舱(1)可以围绕竖直轴，特别是围绕偏航轴(20)旋转。

20.如权利要求1-19中任一项所述的飞行模拟器，其特征在于：设有控制装置，所述控制装置用于处理模拟控制数据并且控制并联运动装置，并且能够用于使所述模拟器舱(1)从最大正俯仰位置进入最大负俯仰位置，其中最大正俯仰位置和最大负俯仰位置限定了模拟器舱在俯仰方向的运动自由度。

21.一种飞行模拟方法，用于如前述任一项权利要求所述的飞行模拟器，包括如下步骤：

驱动所述并联运动装置以使得模拟器舱处于其基本位置，

随后驱动所述并联运动装置以使得模拟器舱从其基本位置围绕俯仰轴或围绕平行于俯仰轴的轴线向后倾斜，倾斜角度为大于25°的正俯仰角。

22.如权利要求21所述的方法，其特征在于：通过并联运动装置的第一驱动来模拟平稳的直线飞行，使模拟器舱位于其基本位置，

并且通过并联运动装置的第二驱动来模拟完全失速，使得模拟器舱从其基本位置围绕俯仰轴或围绕平行于俯仰轴的轴线向后倾斜，倾斜角度为大于25°的正俯仰角。

23.如权利要求21或22所述的方法，其特征在于：仅仅通过驱动并联运动装置而使得模拟器舱从其基本位置围绕俯仰轴或围绕平行于俯仰轴的轴线向后倾斜，倾斜角度为大于25°的正俯仰角。

24.如权利要求21-23任一项所述的方法，其特征在于：所述正俯仰角为26°、27°、28°、29°、30°、31°、32°、33°、34°、35°或更高。

25.如权利要求21-24任一项所述的方法，其特征在于：通过并联运动装置的第一驱动来模拟平稳的直线飞行，使得模拟器舱位于其基本位置，

并且通过并联运动装置的第二驱动来模拟失速或完全失速，使模拟器舱从其基本位置围绕俯仰轴线或围绕平行于俯仰轴的轴线向后倾斜，倾斜角度为大于25°的正俯仰角，而且所模拟的飞行情况在此偏离用于演示常规模拟器的运动自由度或运动特性的最坏情况。

26.如权利要求21-25任一项所述的方法，其特征在于：通过并联运动装置的第一驱动来模拟平稳的直线飞行，其使模拟器舱位于其基本位置，其中所模拟的速度低于所模拟的飞行器的最大速度，并且，特别地，比所模拟的飞行器的最大速度低10％以上，

并且通过并联运动装置的第二驱动来模拟失速或完全失速，使模拟器舱从其基本位置围绕俯仰轴线或围绕平行于俯仰轴的轴线向后倾斜，倾斜角度为大于25°的正俯仰角，其中在失速期间，所模拟的速度比所模拟的飞行器的最大速度低，并且，特别地，比所模拟的飞行器的最大速度低10％以上，从而偏离用于演示常规模拟器的运动自由度或运动特性的最坏情况。