CN107845308B - 直升机模拟训练系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直升机模拟训练系统及其控制方法，包括网联控制台以及与网联控制台通过无线或有线网络连接的直升机模拟训练设备；直升机模拟训练设备包括：底盘，具有三组或三组以上的能独立驱动和独立转向的轮总成或履带总成，能向任意方向移动，底盘上设有能水平旋转的水平平台；运动平台，用于实现六自由度运动，运动平台的底座安装在底盘的水平平台上；直升机，其底部固定于运动平台的台面上；控制器，包括相互之间建立通信连接的主控制器、底盘控制器、运动平台控制器和直升机控制器。本发明能够进行真机模拟驾驶训练与真机娱乐驾驶活动，在视听觉与体感方面具有与直升机真机相近的驾驶体验。

Description

直升机模拟训练系统及其控制方法

技术领域

本发明属于飞机训练技术领域，具体涉及一种直升机模拟训练系统及其控制方法。

背景技术

直升机飞行训练一般由地面模拟器训练、地面真机训练与空中真机训练这三个阶段。地面模拟器可再现真机的操纵界面，可模拟丰富的驾驶工况，但体感与视觉等驾驶体验方面与真机存在明显差异。地面真机训练是模拟器训练与空中真机训练之间的过渡环节。现有的地面真机训练设备是将直升机通过不离地的机械装置将机体运动限定在地面上的一定高度内，机体的运动主要由直升机自身动力实现。其特点是，既有真机的操纵、视觉、体感等方面的驾驶体验，又有与地面模拟器相当的安全性。

如SVH-4培训直升机，它将一架超轻型直升机安装于可在地面自由滑动的底盘的支架上，机体可相对于底盘进行一定范围内的垂向平移、俯仰与横滚。直升机提供主动力，底盘跟随机体作被动运动。该设备的不足在于：直升机可实现的运动与可达的状态只能由机体动力决定，因此只适用于很有限的低速低响应的常规工况的模拟；由于支架结构的限制，机体横滚范围受限，仅能进行小范围的运动；由于支架与底盘都为从动部件，对机体运动造成阻碍，降低了机体的响应性能。上述不足使得该设备只适用于空中真机训练前有限的初级地面真机训练。

发明内容

本发明的目的是提供一种直升机模拟训练系统及其控制方法，能进行地面真机模拟驾驶训练与真机娱乐驾驶活动，在视听觉与体感方面具有与直升机真机相近的驾驶体验。

本发明所述的直升机模拟训练系统，包括网联控制台以及与网联控制台通过无线或有线网络连接的一台或一台以上的直升机模拟训练设备；所述直升机模拟训练设备包括：

底盘，具有三组或三组以上的能独立驱动和独立转向的轮总成或履带总成，能向任意方向移动，底盘上设有能水平旋转的水平平台；

运动平台，用于实现六自由度运动，运动平台的底座安装在底盘的水平平台上；

直升机，其底部固定于运动平台的台面上；

控制器，包括相互之间建立通信连接的主控制器、底盘控制模块、运动平台控制器和直升机控制器。

进一步，所述主控制器包括：

飞行仿真控制模块，根据直升机模拟训练设备上的参数配置、网联控制台的参数配置与控制命令及驾驶员操纵输入信号，利用选取的直升机仿真模型、飞行环境与场景仿真模型，计算直升机机体的期望运动状态或期望力与力矩；

协同控制模块，根据所述直升机机体的期望运动状态或期望力与力矩，以及底盘、运动平台和直升机的各自控制性能，计算出实现直升机机体的期望运动状态或期望力与力矩的底盘、运动平台与直升机各自的期望运动状态或期望力与力矩；

网联监控模块，用于对直升机模拟训练设备进行手动或自动监控、训练指导及评价、配置与远程辅助或紧急控制，以及用于为各直升机模拟训练设备提供数据与音视频通信；

所述底盘控制模块包括：

底盘控制模块，用于协调控制底盘的多组独立驱动、独立转向的轮总成或履带总成实现底盘的多方向自由移动，控制底盘的水平平台的朝向，以及跟踪协同控制模块给出的底盘期望运动状态或期望力与力矩；

所述运动平台控制器包括：

运动平台控制模块，用于实现运动平台的六自由度的运动跟踪与定位控制，以及用于跟踪协同控制模块给出的运动平台期望运动状态或期望力与力矩；

所述直升机控制器包括：

直升机控制模块，用于控制直升机的操纵系统与动力系统，以及用于跟踪协同控制模块给出的机体期望运动状态或期望力与力矩。

进一步，所述直升机模拟训练设备还包括：

虚拟现实设备或增强现实设备，用于提供仿真训练场景环境的视觉仿真。

本发明所述的一种直升机模拟训练系统的控制方法，采用本发明所述的直升机模拟训练系统，其控制方法包括：

所述飞行仿真控制模块根据直升机模拟训练设备上的参数配置、网联控制台的参数配置与控制命令及驾驶员操纵输入信号，利用选取的直升机仿真模型、飞行环境与场景仿真模型，计算直升机机体的期望运动状态或期望力与力矩；

所述协同控制模块根据飞行仿真控制模块给出的机体期望运动状态或期望力与力矩、底盘、运动平台与直升机的各自控制性能，计算实现机体期望运动状态或期望力与力矩的底盘、运动平台与直升机各自的期望运动状态或期望力与力矩；

所述底盘控制模块协调控制底盘的多组独立驱动、独立转向的轮总成或履带总成实现底盘的多方向自由移动，控制旋转平台的朝向，用于跟踪协同控制模块给出的底盘期望运动状态或期望力与力矩；

所述运动平台控制模块用于实现平台台面六自由度的运动跟踪与定位控制，用于跟踪协同控制模块给出的运动平台期望运动状态或期望力与力矩；

所述直升机控制模块控制直升机的操纵系统与动力系统，用于跟踪协同控制模块给出的机体期望运动状态或期望力与力矩；

所述网联监控模块用于对直升机模拟训练设备进行的手动或自动监控、训练指导及评价、配置与远程辅助或紧急控制，以及为不同直升机模拟训练设备上的人员提供数据与音视频通信，远程控制命令能调节上述各控制模块中的控制相关变量。

进一步，所述协同控制模块在每个控制周期根据直升机的动力学模型，计算实现直升机机体的期望的三轴加速度与角加速度的作用于直升机上的期望力与力矩；由直升机、运动平台及底盘的动力学模型建立以直升机、运动平台及底盘的驱动力与力矩为控制输入，以直升机三轴加速度与角加速度为状态输出的总体动力学模型；建立如下优化问题：待优化变量为直升机、运动平台及底盘的驱动力与力矩在本周期的增量，约束为总体动力学模型的等式约束，直升机三轴加速度与角加速度分别等于飞行仿真控制模块计算的期望的三轴加速度与角加速度的等式约束，直升机、运动平台及底盘的各驱动力与力矩的最大值以及最大增量的不等式约束，优化目标为最小化代价函数，代价函数为直升机、运动平台及底盘的驱动力与力矩增量各项平方的加权和；使用贪心算法、或传统优化算法、或现代优化算法求解上述优化问题，得出当前控制周期的直升机、运动平台及底盘的驱动力与力矩增量。

进一步，所述协同控制模块还采用基于规则的算法，或贪心算法，或搜索算法，或传统优化算法，或现代优化算法，或人工智能算法计算实现机体期望运动状态或期望力与力矩的底盘、运动平台与直升机各自的期望运动状态或期望力与力矩。

进一步，还包括控制模式X，即直升机的机体运动完全由直升机的动力产生，运动平台与底盘产生的力与力矩用于尽可能减小其对机体的作用力与力矩，以减小对机体自由运动的影响，或运动平台与底盘不施加任何主动力。

进一步，还包括控制模式Y，即直升机的机体运动由运动平台与底盘产生，此配置下的协同控制模块仅计算运动平台与底盘的期望运动状态或期望力与力矩。

进一步，还包括控制模式Z，即底盘仅使用其上的从动轮工作，利用直升机的动力在地面上移动，此配置下的协同控制模块仅计算运动平台与机体的期望运动状态或期望力与力矩。

进一步，当直升机模拟训练设备的数量为一台以上时，还包括：

网联控制台确定多机协同训练的多个直升机模拟训练设备间相对状态的安全边界，利用多智能体协同控制方法，在直升机模拟训练设备间相对状态接近安全边界时采取干预控制；干预控制使得直升机模拟训练设备间相对状态保持在安全边界内，其实现方法为：计算出的各直升机模拟训练设备期望运动状态，通过各直升机模拟训练设备的网联监控模块与各直升机模拟训练设备根据自身驾驶输入量计算的期望运动状态进行合成，或直接计算各直升机模拟训练设备的直升机、运动平台及底盘的驱动力与力矩。

本发明具有以下优点：能够进行地面真机模拟驾驶训练与真机娱乐驾驶活动，在视听觉与体感方面具有与直升机真机相近的驾驶体验，可实现常规工况与复杂工况（含空中真机训练中危险较大的工况）的单机与多机飞行模拟训练，可调节模拟机性能与控制难度，并具有自动教学与评分，及网络后台全面监控功能。其中复杂工况训练包括但不限于：野外斜坡起降，复杂地理与气象环境的训练（如峡谷飞行、湍流处理），特情训练（如发动机停车、调速器失效），多机编队飞行等。地面真机训练系统灵活调节模拟机性能、控制难度与训练难度的能力，能够适应不同水平驾驶人与多种类型训练的要求。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的控制方法结构图；

图中：1、直升机，2、运动平台，3、底盘。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示的直升机模拟训练系统，包括网联控制台以及与网联控制台通过无线或有线网络连接的一台或一台以上的直升机模拟训练设备。

所述直升机模拟训练设备包括底盘3、运动平台2、直升机1以及控制器。

底盘3具有三组或三组以上的能独立驱动和独立转向的轮总成或履带总成，能向任意方向移动，底盘上设有能水平旋转的水平平台。本实施例中，底盘3具有三组能独立驱动和独立转向的轮总成，在三组轮总成的协同控制下可带动底盘向任意方向移动。底盘3为现有技术，故此处不再赘述。

运动平台2用于实现六自由度运动，运动平台2的底座安装在底盘的水平平台上；因运动平台2为现有技术，故此处不再赘述。

直升机1采用轻型或超轻型直升机，直升机1的底部固定于运动平台2的台面上。

所述直升机模拟训练设备还可以但非必须包括：虚拟现实或增强现实设备用于为驾驶人提供仿真训练场景环境的视觉仿真。

控制器包括相互之间建立通信连接的主控制器、底盘控制模块、运动平台控制器和直升机控制器。

直升机模拟训练设备的目标是根据驾驶人的控制输入与仿真的设定，通过协调控制直升机1、运动平台2与底盘3的运动，使直升机4按预定的仿真工况在地面一定高度范围内进行六自由度的运动。其中直升机1与运动平台2可以在自身动力下进行不同范围的空间六自由度运动，底盘3可以在自身动力下进行平面三个自由度的运动。

所述主控制器具有的软件功能模块包括飞行仿真控制模块、协同控制模块和网联监控模块。其中：

飞行仿真控制模块根据直升机模拟训练设备上的参数配置、网联控制台的参数配置与控制命令及驾驶员操纵输入信号，利用选取的直升机仿真模型、飞行环境与场景仿真模型，计算直升机机体的期望的三轴加速度与角加速度。

协同控制模块根据所述直升机机体的期望的三轴加速度与角加速度，以及底盘3、运动平台2和直升机1的各自控制性能，计算出实现直升机机体的期望运动状态的底盘3、运动平台2与直升机1各自的期望力与力矩。

网联监控模块用于对直升机模拟训练设备进行手动或自动监控、训练指导及评价、配置与远程辅助或紧急控制，远程控制命令对调节各控制模块中的控制相关变量，以及用于为各直升机模拟训练设备提供数据与音视频通信。

所述底盘控制模块具有的软件功能模块包括：

底盘控制模块，用于协调控制底盘3的多组独立驱动、独立转向的轮总成或履带总成实现底盘3的多方向自由移动，控制底盘3的水平平台的朝向，以及跟踪协同控制模块给出的底盘期望运动状态或期望力与力矩。

所述运动平台控制器具有的软件功能模块包括：

运动平台控制模块，用于实现运动平台2的六自由度的运动跟踪与定位控制，以及用于跟踪协同控制模块给出的运动平台2期望运动状态或期望力与力矩。

所述直升机控制器具有的软件功能模块包括：

直升机控制模块，用于控制直升机1的操纵系统与动力系统，以及用于跟踪协同控制模块给出的机体期望运动状态或期望力与力矩。

本发明所述的一种直升机模拟训练系统的控制方法，具体工作流程如下：

如图2所示，在训练前，使用直升机1上的配置界面及网联控制台对训练工况进行设置，包括直升机性能、飞行环境、训练场景等，这一环节设定直升机模拟训练设备内飞行仿真计算所用的直升机模型、环境模型及飞行场景等。在训练中，在每个控制周期中，驾驶人通过直升机1上的驾驶界面（驾驶杆、脚蹬及总距杆等）进行控制输入。所述飞行仿真控制模块根据本控制周期接收到的飞行控制指令，利用直升机模型及环境模型等，计算本控制周期的仿真中直升机机体的三轴加速度与角加速度，作为期望机体运动状态。

所述协同控制模块在每个控制周期根据直升机的动力学模型，计算实现直升机机体的期望运动状态（期望的三轴加速度与角加速度）的作用于直升机上的期望力与力矩。

由直升机1、运动平台2及底盘3的动力学模型，建立以直升机1、运动平台2及底盘3的驱动力与力矩为控制输入，以直升机1三轴加速度与角加速度为状态输出的总体动力学模型；底盘3的控制力矩有三组轮总成的驱动力矩与转向力矩，以及水平平台的转动力矩；运动平台2的控制力有6个作动筒的控制力；直升机1的控制力有旋翼的升力方向与大小，及尾桨推力的大小。

实现协同控制可使用如下方法。建立优化问题：待优化变量为直升机1、运动平台2及底盘3的驱动力与力矩在本周期的增量；约束为总体动力学模型的等式约束，直升机1的三轴加速度与角加速度分别等于飞行仿真控制模块计算的期望的三轴加速度与角加速度的等式约束，直升机1、运动平台2及底盘3的各驱动力与力矩的最大值以及最大增量的不等式约束；优化目标为最小化代价函数，代价函数为直升机1、运动平台2及底盘3的驱动力与力矩增量（即优化变量）各项平方的加权和。使用贪心算法、传统优化算法、现代优化算法等，即可求得当前控制周期的直升机1、运动平台2及底盘3的驱动力与力矩增量，其发送到直升机1、运动平台2及底盘3的底层控制单元执行控制。由上述优化问题优化目标可见，此设计下的协同控制，是以提高系统整体响应为目标的。

所述协同控制模块还可以采用基于规则的算法，或贪心算法，或搜索算法，或传统优化算法，或现代优化算法，或人工智能算法计算实现机体期望运动状态或期望力与力矩的底盘3、运动平台2与直升机1各自的期望运动状态或期望力与力矩。

本发明所述的直升机模拟训练系统的控制方法中，还包括一种特殊的控制模式，即控制模式X，即直升机1的机体运动完全由直升机1的动力产生，运动平台2与底盘3产生的力与力矩用于尽可能减小其对机体的作用力与力矩，以减小对机体自由运动的影响，或运动平台2与底盘3不施加任何主动力。

本发明所述的直升机模拟训练系统的控制方法中，还包括一种特殊的控制模式，即控制模式Y，即直升机1的机体运动由运动平台2与底盘3产生，此配置下的协同控制模块仅计算运动平台2与底盘的期望运动状态或期望力与力矩。

本发明所述的直升机模拟训练系统的控制方法中，还包括一种特殊的控制模式，即控制模式Z，即底盘3仅使用其上的从动轮工作，利用直升机1的动力在地面上移动，此配置下的协同控制模块仅计算运动平台2与直升机1的期望运动状态或期望力与力矩。

本发明所述的直升机模拟训练系统的控制方法中，当直升机模拟训练设备的数量为一台以上时，为保证多台直升机模拟训练设备进行多机协同训练是的安全，网联控制台确定多机协同训练的多个直升机模拟训练设备间相对状态的安全边界，利用多智能体协同控制方法，在直升机模拟训练设备间相对状态接近安全边界时采取干预控制；干预控制使得直升机模拟训练设备间相对状态保持在安全边界内，其实现方法可以是计算出的各直升机模拟训练设备期望运动状态，通过各直升机模拟训练设备的网联监控模块与各直升机模拟训练设备根据自身驾驶输入量计算的期望运动状态进行合成，也可以直接计算各直升机模拟训练设备的直升机、运动平台及底盘的驱动力与力矩。

Claims (5)

1.一种直升机模拟训练系统，包括网联控制台以及与网联控制台通过无线或有线网络连接的一台或一台以上的直升机模拟训练设备；其特征在于：所述直升机模拟训练设备包括：

底盘（3），具有三组或三组以上的能独立驱动和独立转向的轮总成或履带总成，能向任意方向移动，底盘上设有能水平旋转的水平平台；

运动平台（2），用于实现六自由度运动，运动平台的底座安装在底盘的水平平台上；

直升机（1），其底部固定于运动平台的台面上；

控制器，包括相互之间建立通信连接的主控制器、底盘控制模块、运动平台控制器和直升机控制器；

所述主控制器包括：

飞行仿真控制模块，根据直升机模拟训练设备上的参数配置、网联控制台的参数配置与控制命令及驾驶员操纵输入信号，利用选取的直升机仿真模型、飞行环境与场景仿真模型，计算直升机机体的期望运动状态或期望力与力矩；

协同控制模块，根据所述直升机机体的期望运动状态或期望力与力矩，以及底盘、运动平台和直升机的各自控制性能，计算出实现直升机机体的期望运动状态或期望力与力矩的底盘、运动平台与直升机各自的期望运动状态或期望力与力矩；

网联监控模块，用于对直升机模拟训练设备进行手动或自动监控、训练指导及评价、配置与远程辅助或紧急控制，以及用于为各直升机模拟训练设备提供数据与音视频通信，远程控制命令能调节各控制模块中的控制相关变量；

所述底盘控制模块包括：

底盘控制模块，用于协调控制底盘的多组独立驱动、独立转向的轮总成或履带总成实现底盘的多方向自由移动，控制底盘的水平平台的朝向，以及跟踪协同控制模块给出的底盘期望运动状态或期望力与力矩；

所述运动平台控制器包括：

运动平台控制模块，用于实现运动平台的六自由度的运动跟踪与定位控制，以及用于跟踪协同控制模块给出的运动平台期望运动状态或期望力与力矩；

所述直升机控制器包括：

直升机控制模块，用于控制直升机的操纵系统与动力系统，以及用于跟踪协同控制模块给出的机体期望运动状态或期望力与力矩；

所述协同控制模块在每个控制周期根据直升机的动力学模型，计算实现直升机机体的期望的三轴加速度与角加速度的作用于直升机上的期望力与力矩；由直升机、运动平台及底盘的动力学模型建立以直升机、运动平台及底盘的驱动力与力矩为控制输入，以直升机三轴加速度与角加速度为状态输出的总体动力学模型；建立如下优化问题：待优化变量为直升机、运动平台及底盘的驱动力与力矩在本周期的增量，约束为总体动力学模型的等式约束，直升机三轴加速度与角加速度分别等于飞行仿真控制模块计算的期望的三轴加速度与角加速度的等式约束，直升机、运动平台及底盘的各驱动力与力矩的最大值以及最大增量的不等式约束，优化目标为最小化代价函数，代价函数为直升机、运动平台及底盘的驱动力与力矩增量各项平方的加权和；使用传统优化算法或现代优化算法求解上述优化问题，得出当前控制周期的直升机、运动平台及底盘的驱动力与力矩增量；

还包括控制模式X，即直升机的机体运动完全由直升机的动力产生，运动平台与底盘产生的力与力矩用于尽可能减小其对机体的作用力与力矩，以减小对机体自由运动的影响，或运动平台与底盘不施加任何主动力；

还包括控制模式Y，即直升机的机体运动由运动平台与底盘产生，此配置下的协同控制模块仅计算运动平台与底盘的期望运动状态或期望力与力矩；

还包括控制模式Z，即底盘仅使用其上的从动轮工作，利用直升机的动力在地面上移动，此配置下的协同控制模块仅计算运动平台与机体的期望运动状态或期望力与力矩。

2.根据权利要求1所述的直升机模拟训练系统，其特征在于：所述直升机模拟训练设备还包括：

虚拟现实设备或增强现实设备，用于提供仿真训练场景环境的视觉仿真。

3.一种直升机模拟训练系统的控制方法，其特征在于：采用如权利要求1所述的直升机模拟训练系统，其控制方法包括：

所述飞行仿真控制模块根据直升机模拟训练设备上的参数配置、网联控制台的参数配置与控制命令及驾驶员操纵输入信号，利用选取的直升机仿真模型、飞行环境与场景仿真模型，计算直升机机体的期望运动状态或期望力与力矩；

所述协同控制模块根据飞行仿真控制模块给出的机体期望运动状态或期望力与力矩、底盘、运动平台与直升机的各自控制性能，计算实现机体期望运动状态或期望力与力矩的底盘、运动平台与直升机各自的期望运动状态或期望力与力矩；

所述底盘控制模块协调控制底盘的多组独立驱动、独立转向的轮总成或履带总成实现底盘的多方向自由移动，控制旋转平台的朝向，用于跟踪协同控制模块给出的底盘期望运动状态或期望力与力矩；

所述运动平台控制模块用于实现平台台面六自由度的运动跟踪与定位控制，用于跟踪协同控制模块给出的运动平台期望运动状态或期望力与力矩；

所述直升机控制模块控制直升机的操纵系统与动力系统，用于跟踪协同控制模块给出的机体期望运动状态或期望力与力矩；

所述网联监控模块用于对直升机模拟训练设备进行的手动或自动监控、训练指导及评价、配置与远程辅助或紧急控制，以及为不同直升机模拟训练设备上的人员提供数据与音视频通信，远程控制命令能调节上述各控制模块中的控制相关变量。

4.根据权利要求3所述的直升机模拟训练系统的控制方法，其特征在于：所述协同控制模块还采用传统优化算法或现代优化算法计算实现机体期望运动状态或期望力与力矩的底盘、运动平台与直升机各自的期望运动状态或期望力与力矩。

5.根据权利要求3或4所述的直升机模拟训练系统的控制方法，其特征在于，当直升机模拟训练设备的数量为一台以上时，还包括：

网联控制台确定多机协同训练的多个直升机模拟训练设备间相对状态的安全边界，利用多智能体协同控制方法，在直升机模拟训练设备间相对状态接近安全边界时采取干预控制；干预控制使得直升机模拟训练设备间相对状态保持在安全边界内，其实现方法为：计算出的各直升机模拟训练设备期望运动状态，通过各直升机模拟训练设备的网联监控模块与各直升机模拟训练设备根据自身驾驶输入量计算的期望运动状态进行合成，或直接计算各直升机模拟训练设备的直升机、运动平台及底盘的驱动力与力矩。

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