CN111462574A - 飞行训练模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种飞行训练模拟系统。该飞行训练模拟系统包括：旋转支架，所述旋转支架具有三个轴向方向上的旋转自由度；所述轴向方向包括：俯仰轴、翻滚轴和偏航轴；飞行器模拟座舱，所述飞行器模拟座舱安装设置在所述旋转支架上，所述飞行器模拟座舱内形成供用户进行模拟飞行训练的沉浸式模拟训练场景；驱动装置，所述驱动装置设置在所述旋转支架上，用于驱动所述飞行器模拟座舱绕所述俯仰轴、翻滚轴和偏航轴旋转。其通过虚拟现实技术与硬件结构的配合，可以达到更好的模拟效果，提供良好并且非常接近现实的体验感，从而极大的提升了训练的效果。

Description

飞行训练模拟系统

技术领域

本发明涉及模拟设备技术领域，尤其涉及一种飞行训练模拟系统。

背景技术

随着电子技术的不断进步，模拟训练已成为军事与航天中的一个重要课题。由于真实训练存在成本和安全问题，可以提供的训练次数有限。因此，仿真模拟训练对于学习和训练具有非常重要的作用。

其中，虚拟现实技术是现代仿真技术的一个重要方向，通过虚拟现实技术，可以真实构建训练场景，沉浸式、情景式、参与式体验，提高了训练效果，并将训练的安全风险降到最低。

在实现本发明过程中，发明人发现相关技术存在以下问题：目前市面上的仿真模拟训练产品存在占用空间大，环境要求高，能耗高以及体感体验不好等的多种不足和缺陷。而且，飞行过程中的场景变化仅通过液晶屏，LED 屏等平面或者曲面的显示设备来显示，画面与真实情况存在一定的差别，无法提供良好的沉浸感，模拟效果有限。

发明内容

针对上述技术问题，本发明实施例提供了一种飞行训练模拟系统，以解决现有的仿真模拟训练产品存在沉浸感和体验感不佳的问题。

本发明实施例的第一方面提供一种飞行训练模拟系统。该飞行训练模拟系统包括：

旋转支架，所述旋转支架具有三个轴向方向上的旋转自由度；所述轴向方向包括：俯仰轴、翻滚轴和偏航轴；

飞行器模拟座舱，所述飞行器模拟座舱安装设置在所述旋转支架上，所述飞行器模拟座舱内形成供用户进行模拟飞行训练的沉浸式模拟训练场景；

驱动装置，所述驱动装置设置在所述旋转支架上，用于驱动所述飞行器模拟座舱绕所述俯仰轴、翻滚轴和偏航轴旋转。

可选地，所述旋转支架包括：支架底座，所述支架底座的底面安装固定在地面上；支架主体，所述支架主体安装在所述支架底座的顶面上，与通过底座轴承与所述支架底座旋转连接，可绕垂直于底面的偏航轴旋转；座舱安装框，所述座舱安装框安装在所述支架主体上，与所述支架主体通过支架轴承旋转连接，可绕所述滚动轴旋转；所述飞行器模拟座舱通过安装在所述座舱安装框上，可绕所述俯仰轴旋转。

可选地，所述支架主体包括：与所述支架底座的顶面相配合的支架底部以及从所述支架底部向上延伸形成的一对支架支脚；所述支架支脚上设置有支架轴承，分别与所述座舱安装框的两端连接。

可选地，所述座舱安装框为矩形框；在所述矩形框长度方向的两侧边与所述支架支脚连接；在所述矩形框宽度方向的两侧边上设置有座舱转轴，通过所述座舱转轴与所述飞行器模拟座舱转动连接。

可选地，所述驱动装置包括偏航轴电机，用于以所述支架底座为基座，驱动所述支架主体绕所述偏航轴旋转。

可选地，所述驱动装置包括滚动轴电机，用于以所述支架主体为基座，驱动所述座舱安装框绕所述滚动轴旋转。

可选地，所述驱动装置还包括：俯仰轴电机，用于以所述座舱安装框为基座，驱动所述飞行器模拟座舱绕俯仰轴。

可选地，所述飞行器模拟座舱内包括：安全座椅、保险带、仿真操作组件以及虚拟现实组件；

所述安全座椅固定在所述飞行器模拟座舱内部，所述安全带设置在所述安全座椅上，用于在运行时将用户固定在安全座椅上；所述仿真操作组件用于采集操作者发出的操作指令；所述虚拟现实组件用于根据所述操作指令，反馈对应的模拟场景。

可选地，所述虚拟显示组件包括显示单元，力学反馈单元以及立体声输出单元；其中，所述显示单元用于展示立体画面，用于向操作者反馈当前的模拟视觉信息；所述力学反馈单元设置在所述安全座椅上，用于向操作者反馈当前的模拟触觉信息；所述立体声输出单元布置在所述飞行器模拟座舱内，用于向操作者反馈当前的模拟听觉信息。

可选地，所述虚拟现实组件还包括：控制器，所述控制器用于计算操作者在无限空间内的运动轨迹；根据所述操作者的运动轨迹，确定在当前场景下，场景中不同物体的与操作者之间的相对位移方向，位移速度以及位移距离；所述显示单元根据所述控制器的计算结果，在所述立体画面中呈现所述不同物体的相对运动，模拟所述操作者在无限空间内的运动。

本发明实施例提供的技术方案中，通过飞行训练模拟系统解决了当前训练装置占用的空间大的问题，同时还减少了训练中资源的消耗，降低了成本。

而且，该飞行训练模拟系统通过虚拟现实技术与硬件结构的配合，可以达到更好的模拟效果，提供良好并且非常接近现实的体验感，从而极大的提升了训练的效果。

附图说明

图1为本发明实施例的飞行训练模拟系统的一个实施例示意图；

图2为本发明实施例的支架主体的一个实施例示意图；

图3为本发明实施例的座舱安装框的一个实施例示意图；

图4为本发明实施例的虚拟现实组件的一个实施例示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当元件被表述“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。当一个元件被表述“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。本说明书所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”、“上”、“下”、“内”、“外”、“底部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

图1为本发明实施例提供的飞行训练模拟系统。如图1所示，该飞行训练模拟系统包括：旋转支架10，飞行器模拟座舱20以及驱动装置30。

其中，所述旋转支架10是具有三个轴向方向上的旋转自由度的支架结构。该轴向方向包括：俯仰轴、翻滚轴和偏航轴。通过该旋转支架10，可以实现对正常飞行过程中的旋转方向的模拟。

具体可以采用任何合适类型的结构用以实现该旋转支架10的旋转模拟。在一些实施例中，请继续参阅图1，该旋转支架10可以由支架底座11，支架主体12以及座舱安装框13所组成。

其中，所述支架底座11的底面安装固定在地面上，可以是呈扁平状的环形底座。

所述支架主体12安装在所述支架底座的顶面上，与通过底座轴承与所述支架底座旋转连接。该底座轴承的轴承基座为固定在地面上的部分。底座轴承的转轴沿垂直方向设置，从而使支架主体12可绕垂直于底面的偏航轴旋转。

具体的，如图2所示，支架主体12具体可以包括：与所述支架底座的顶面相配合的支架底部121以及从所述支架底部向上延伸形成的一对支架支脚 122。支架支脚122呈向外扩张的形状，具有与座舱安装框相适配的长度，用以容纳该座舱安装框13。

所述支架支脚上122设置有支架轴承，分别与所述座舱安装框13的两端连接，从而使座舱安装框13可以绕支架轴承旋转。

所述座舱安装框13安装在所述支架主体12上，与所述支架主体通过支架轴承旋转连接，可绕所述滚动轴旋转。

具体的，如图3所示，该座舱安装框13可以是一个具有设定尺寸的矩形框。矩形框在长度方向上的两侧边分别通过支架轴承与支架主体12的两个支架支脚旋转连接。

矩形框在宽度方向上的另外两个相对的侧边可以设置有座舱转轴，飞行器模拟座舱20通过该座舱转轴与座舱安装框13转动连接，可绕所述俯仰轴旋转。

如图1至3所示，通过支架底座11，支架主体12以及座舱安装框13的结构设计，该旋转支架10可以在三个不同的轴向方向上独立的进行旋转。任意两个轴之间的旋转不会相互影响或者干扰，从而能够很好的模拟飞行过程中的旋转角度变化，提供更好的沉浸式体验。而且，该旋转支架10具有非常紧凑的结构设计，占用的空间小，可以很好的被推广应用。

所述飞行器模拟座舱20安装设置在所述旋转支架10上，所述飞行器模拟座舱内形成供用户进行模拟飞行训练的沉浸式模拟训练场景。

该飞行器模拟座舱20具体可以具有任何合适的形状，结构或者尺寸，只需要能够满足设计使用需要，容纳一个或者多个操作者即可。在飞行器模拟座舱20内部可以提供虚拟显示的沉浸式体验效果，其具体可以通过多个不同的功能组件实现。

在一些实施例中，该飞行器模拟座舱20内部可以包括：安全座椅、保险带、仿真操作组件以及虚拟现实组件等。

其中，所述安全座椅固定在所述飞行器模拟座舱内部，所述安全带设置在所述安全座椅上，用于在运行时将用户固定在安全座椅上。

所述仿真操作组件可以是任何合适类型的模拟操作设备，包括但不限于控制按键、飞行控制杆，油门推杆等，用于采集操作者发出的操作指令。具体设置的仿真操作组件可以根据实际所要模拟的飞行器的真实操作方式相适配，用以提供良好的模拟效果。

所述虚拟现实组件用于根据所述操作指令，反馈对应的模拟场景，用以为操作者提供良好的沉浸式体验的相关功能组件。

具体的，如图4所示，所述虚拟现实组件可以包括显示单元41，力学反馈单元42，立体声输出单元43以及控制器44。

其中，所述显示单元41用于展示立体画面，用于向操作者反馈当前的模拟视觉信息。所述力学反馈单元42设置在所述安全座椅上，用于向操作者反馈当前的模拟触觉信息。所述立体声输出单元43布置在所述飞行器模拟座舱内，用于向操作者反馈当前的模拟听觉信息。控制器44作为控制和运算核心，用于进行逻辑运算，如计算操作者在无限空间内的运动轨迹。然后根据所述操作者的运动轨迹，确定在当前场景下，场景中不同物体的与操作者之间的相对位移方向，位移速度以及位移距离，并协调各个功能组件之间的配合，给出相应的控制信号，通过显示单元41在所述立体画面中呈现所述不同物体的相对运动，模拟所述操作者在无限空间内的运动。

当然，所述控制器44也可以根据实际情况的需要，分别整合到其他的显示单元41，力学反馈单元42以及立体声输出单元43之中。

在较佳实施例中，在立体画面显示的过程中，可以结合全方向位移抵消的方式来模拟操作者在无限空间内的运动。首先，可以通过运动轨迹预测以及智能运动建模等方式，计算操作者在无限空间内的运动轨迹。

然后，根据所述操作者的运动轨迹，可以确定在当前场景下，场景中不同物体的与操作者之间的相对位移方向，位移速度以及位移距离。亦即，场景中不同物体之间的位移实际上是物体与操作者之间的相对位移情况，可以获取这些相对位移的信息。

最后，在所述立体画面中呈现所述不同物体的相对运动，模拟所述操作者在无限空间内的运动。

具体的模拟原理实际上借助于转换参考系。可以理解的是，操作者对于自身在无限空间内的运动实际上是由周围画面中的物体来感知的。因此，在操作者自身没有运动的情况下，可以通过移动周围画面中的物体来使操作者获得在无限空间内移动的模拟效果。

当然，在另一些实施例中，该飞行器模拟座舱也可以采用现有技术中已有的虚拟现实设备，操作者通过现有的眼罩式虚拟现实设备来获得沉浸式体验，而省略声音和力学反馈的功能。根据实际情况的需要而对飞行器模拟座舱内所配置的功能组件进行增加或者调整均是本领域技术人员可以预期的。

所述驱动装置30设置在所述旋转支架上，用于驱动所述飞行器模拟座舱绕所述俯仰轴、翻滚轴和偏航轴旋转。该驱动装置30具体可以采用任何合适结构的驱动装置，包括但不限于电动机。

在一些实施例中，所述驱动装置30可以包括：偏航轴电机31，滚动轴电机32以及俯仰轴电机33。

其中，偏航轴电机31用于以所述支架底座为基座，驱动所述支架主体绕所述偏航轴旋转。滚动轴电机32用于以所述支架主体为基座，驱动所述座舱安装框绕所述滚动轴旋转。俯仰轴电机33用于以所述座舱安装框为基座，驱动所述飞行器模拟座舱绕俯仰轴旋转。

通过分别设置三个电机用以分别驱动旋转支架绕不同的轴向方向进行旋转，可以有良好的控制效果，提供更好的模拟体验。

在实际操作过程中，训练人员作为操作者在飞行器模拟座舱时，旋转滚动轴，模拟飞机调整后翼旋转的体验；旋转俯仰轴，模拟飞机调整前翼带来的攀升或者俯冲的体验；旋转偏航轴，模拟飞机调整尾翼带来的偏航体验。

例如，当俯仰轴及飞行器模拟座舱朝安全座椅前方，从下往上旋转，推背的压力也相对增大，结合VR虚拟景物的反向后移，从而大大增强了身体、视觉多重感受的飞行拉升体验，从而提升训练效果。

或者是，分别对俯仰轴、滚动轴、偏航轴的飞行的虚拟景物的可控变速后移，实现符合实际需求变化的视觉位移体验。而且三轴之间不存在转动的限制，不会因为各个轴之间的互相影响导致运动受限。

综上所述，本发明实施例提供的旋转支架在滚动轴、俯仰轴和偏航轴上的全角度可旋转可以模拟飞机的三种飞行状态，与真实飞机动作相符，提升了模拟器的体验效果。

飞行器模拟座舱内采用的虚拟现实动态建模技术，利用全方向位移抵消和运动轨迹预测等方式，让操作者保持原始位置的同时，利用物品的相对运动抵消掉人在水平面中各个方向的位移，从而可随意按照需求实现反向景物的位移，极大程度提升了飞行模拟器加速度体验，解决了各方向行程较小的缺点，可以满足操作者在无限空间内的模拟需求。

结合上述机械结构上滚动轴、俯仰轴以及偏航轴的落差设计，可以完整实现飞行过程中俯仰、翻滚、偏航的三轴全角度转向的旋转模拟。另外，还可以通过滚动轴、俯仰轴以及偏航轴的落差设计，提供一定程度的推背感等的真实感觉。

该飞行模拟训练系统整体占用的空间小，有良好的体感和沉浸感模拟效果，不仅解决了现实中飞行员训练所占用的空间大的问题，同时还减少了训练中资源的消耗，降低了成本，并且在体验方面，配合硬件的作用下，进一步加强，可以达到更好的接近仿真的逼真效果，具有良好的接近现实的体验感，大大提升训练效果。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及本发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种飞行训练模拟系统，其特征在于，包括：

旋转支架，所述旋转支架具有三个轴向方向上的旋转自由度；所述轴向方向包括：俯仰轴、翻滚轴和偏航轴；

飞行器模拟座舱，所述飞行器模拟座舱安装设置在所述旋转支架上，所述飞行器模拟座舱内形成供用户进行模拟飞行训练的沉浸式模拟训练场景；

驱动装置，所述驱动装置设置在所述旋转支架上，用于驱动所述飞行器模拟座舱绕所述俯仰轴、翻滚轴和偏航轴旋转。

2.根据权利要求1所述的飞行训练模拟系统，其特征在于，所述旋转支架包括：

支架底座，所述支架底座的底面安装固定在地面上；

支架主体，所述支架主体安装在所述支架底座的顶面上，与通过底座轴承与所述支架底座旋转连接，可绕垂直于底面的偏航轴旋转；

座舱安装框，所述座舱安装框安装在所述支架主体上，与所述支架主体通过支架轴承旋转连接，可绕所述滚动轴旋转；

所述飞行器模拟座舱通过安装在所述座舱安装框上，可绕所述俯仰轴旋转。

3.根据权利要求2所述的飞行训练模拟系统，其特征在于，所述支架主体包括：与所述支架底座的顶面相配合的支架底部以及从所述支架底部向上延伸形成的一对支架支脚；

所述支架支脚上设置有支架轴承，分别与所述座舱安装框的两端连接。

4.根据权利要求3所述的飞行训练模拟系统，其特征在于，所述座舱安装框为矩形框；在所述矩形框长度方向的两侧边与所述支架支脚连接；

在所述矩形框宽度方向的两侧边上设置有座舱转轴，通过所述座舱转轴与所述飞行器模拟座舱转动连接。

5.根据权利要求2所述的飞行训练模拟系统，其特征在于，所述驱动装置包括偏航轴电机，用于以所述支架底座为基座，驱动所述支架主体绕所述偏航轴旋转。

6.根据权利要求2所述的飞行训练模拟系统，其特征在于，所述驱动装置包括滚动轴电机，用于以所述支架主体为基座，驱动所述座舱安装框绕所述滚动轴旋转。

7.根据权利要求2所述的飞行训练模拟系统，其特征在于，所述驱动装置还包括：俯仰轴电机，用于以所述座舱安装框为基座，驱动所述飞行器模拟座舱绕俯仰轴。

8.根据权利要求1所述的飞行训练模拟系统，其特征在于，所述飞行器模拟座舱内包括：安全座椅、保险带、仿真操作组件以及虚拟现实组件；

所述安全座椅固定在所述飞行器模拟座舱内部，所述安全带设置在所述安全座椅上，用于在运行时将用户固定在安全座椅上；

所述仿真操作组件用于采集操作者发出的操作指令；

所述虚拟现实组件用于根据所述操作指令，反馈对应的模拟场景。

9.根据权利要求8所述的飞行训练模拟系统，其特征在于，所述虚拟现实组件包括显示单元，力学反馈单元以及立体声输出单元；

其中，所述显示单元用于展示立体画面，用于向操作者反馈当前的模拟视觉信息；所述力学反馈单元设置在所述安全座椅上，用于向操作者反馈当前的模拟触觉信息；所述立体声输出单元布置在所述飞行器模拟座舱内，用于向操作者反馈当前的模拟听觉信息。

10.根据权利要求9所述的飞行训练模拟系统，其特征在于，所述虚拟现实组件还包括控制器；

所述控制器用于计算操作者在无限空间内的运动轨迹，并且根据所述操作者的运动轨迹，确定在当前场景下，场景中不同物体的与操作者之间的相对位移方向，位移速度以及位移距离；

所述显示单元根据所述运算单元的计算结果，在所述立体画面中呈现所述不同物体的相对运动，模拟所述操作者在无限空间内的运动。

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