CN113371206B - 一种伞降模拟训练风向控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种伞降模拟训练风向控制方法及系统，本发明在投入使用时，通过获取各风机的实际状态数据、获取参训人员当前的真实角度朝向，根据真实角度朝向和当前的风向、风速数据获取每个风机当前应处于的理论状态数据；然后将实际状态数据与理论状态数据对比，若两者不同则调节风机实际状态数据至两者相同，保证参训人员控伞进行大角度修正后，伞降模拟训练舱内实际风感与虚拟场景中风力影响依然一致，实时并立体的模拟下落时风向变换，提高模拟的真实度，保证参训人员实际使用体验。

Description

一种伞降模拟训练风向控制方法及系统

技术领域

本发明涉及跳伞模拟训练设施技术领域，具体涉及一种伞降模拟训练风向控制方法及系统。

背景技术

目前市面上现有的伞降模拟训练系统是一个机电一体的综合应用系统，为传感、交互、三维虚拟等技术的集成，可以完整模拟三步离机、开伞、操纵、着陆等跳伞训练过程。现有系统在伞降模拟训练过程中可以调节开伞气流、环境声音、离机自由落体运动、开伞冲击力、着陆冲击力、着陆场环境等要素，为跳伞员提供接近真实的跳伞环境，有助于跳伞员熟练掌握跳伞方法，提高跳伞技能。

但是在目前的模拟伞降训练中，伞降训练更多的是一种体验效果，没有对真实的大角度回旋操作完成真实的风向模拟。伞降时一旦操作者进行一定程度的控伞，风向的模拟就会变得不再真实，控伞模拟和下落真实感受对提升受训人员训练过程中的真实感和临场感尤为重要，如果不能真实模拟会严重影响实际使用体验。

现有的风向控制机构无法实时并立体的模拟下落时风向变换，一旦大角度的进行控伞回旋操作，风机就无法正常模拟预定风向，并且风向往往通过控制风机的朝向和风扇叶片的朝向来改动，无法达到以跳伞员为中心点的环绕风力效果，导致使用体验下降。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够实现虚拟场景中的风力影响与实际风感一致的伞降模拟训练风向控制方法及系统。

本发明提供了一种伞降模拟训练风向控制方法，包括如下步骤：

S.1、入场，

伞降模拟训练舱内驱动机构带动参训人员入场，虚拟场景内人物跳出舱门，风机启动；

S.2、获取各风机实际状态数据，

在虚拟场景中获取人物角度与环境风的方向，确定夹角，调控伞降模拟训练舱内各风机工作状态，提取各风机的实际状态数据；

S.3、获取真实角度朝向，

根据伞降模拟训练舱内驱动机构的电机数据读取参训人员当前的真实角度朝向；

S.4、获取各风机理论状态数据，

根据真实角度朝向和当前的风向、风速数据，确定每个风机当前应处于的理论状态数据；

S.5、风向调节，

将实际状态数据与理论状态数据对比，若两者不同则调节风机实际状态数据至两者相同，实现伞降模拟训练舱内实时风向与虚拟场景中实时风向一致。

本发明还提供了一种伞降模拟训练风向控制系统，用以实现上述的伞降模拟训练风向控制方法，该系统包括机架、底脚风机、侧位风机和驱动机构；多个底脚风机分别设置于机架底部；侧位风机与底脚风机对应设置，连接于机架的中部，位于底脚风机的上方；驱动机构设置于机架的顶部。

所述机架包括底框、立架和顶框，底框设置于基础上，立架连接于底框上，顶框设置于立架的顶部。

所述底框为矩形框；所述立架包括斜撑、基础柱、层柱和侧位梁，基础柱设置于斜撑两端，层柱连接于基础柱上，侧位梁连接于两基础柱之间，一对立架分设于底框的两侧。

所述斜撑呈入字型布置于所述底框的一侧边上；所述基础柱包括短柱、中柱和长柱，短柱固接于斜撑的顶点外，中柱和长柱均固接于底框与斜撑底点相邻的侧边上，长柱位于中柱的内侧，三根基础柱相互平行；所述侧位梁的一端与短柱固接、另一端与长柱固接。

所述顶框为等腰梯形框，其下底连接于所述短柱上的两层柱之间，上底伸至另一对层柱外；所述底脚风机设置于所述底框的四角，所述侧位风机布置于所述侧位梁上。

所述驱动机构包括基座、平动机构和转动机构；平动机构包括天轨、行走座和动力传动组件，天轨敷设于基座上，动力传动组件和行走座分设于基座上，动力传动组件驱动行走座沿天轨平动；转动机构包括转动组件和滑环，转动组件包括转轴，转动组件设置于行走座上，滑环同轴装配于转轴外用以走线。

所述基座包括主梁、连板和连接座，一对主梁平行布置，连板和连接座分设于主梁两端将两主梁连为一体。

所述动力传动组件包括电机、主动齿轮、从动齿轮和齿带，电机和主动齿轮设置于所述连接座上，主动齿轮与电机的输出轴相连，从动齿轮设置于所述连板上，齿带一端与主动齿轮啮合、另一端与从动齿轮啮合。

所述行走座包括头框、底盒和滑块；头框为矩形框，其顶面设有凹槽，其侧面设有齿带口，其内设行走齿轮；底盒为两端开口的矩形盒，底盒固接于头框的底面，呈T型设置；滑块设置于头框底面；行走座通过滑块装配于所述天轨上，行走齿轮与所述齿带啮合；所述转动组件包括转动电机和减速机，减速机的输出轴为所述转轴；转动电机设置于所述行走座顶面的凹槽处。

本发明在投入使用时，通过获取各风机的实际状态数据、获取参训人员当前的真实角度朝向以及每个风机当前应处于的理论状态数据；然后将实际状态数据与理论状态数据对比，若两者不同则调节风机实际状态数据至两者相同，保证参训人员控伞进行大角度修正后，伞降模拟训练舱内实际风感与虚拟场景中风力影响依然一致，实时并立体的模拟下落时风向变换，提高模拟的真实度，保证参训人员实际使用体验。

附图说明

图1为本发明优选实施例一的方法流程图。

图2为本发明优选实施例一中风向控制系统的结构示意图。

图3为优选实施例一中机架的主视放大示意图。

图4为优选实施例一中机架的侧视放大示意图。

图5为优选实施例一中顶框的俯视放大示意图。

图6为优选实施例一中驱动机构的立体放大示意图。

图7为优选实施例一中行走座的立体放大示意图。

图8为优选实施例一中动力传动组件的主视放大示意图。

图9为优选实施例一中转动机构的主视放大示意图。

图10为本发明优选实施例二中风向控制系统的结构示意图。

图11为优选实施例二中悬挂机构的主视放大示意图。

图12为优选实施例二中悬挂机构的侧视放大示意图。（省略一侧定滑轮）

图13为优选实施例二中悬架的俯视放大示意图。

图示序号

1—机架，

11—底框，

12—立架、121—斜撑、122—层柱、123—侧位梁、124—短柱、125—中柱、126—长柱，

13—顶框；

2—驱动机构，

21—基座、211—主梁、212—连板、213—连接座、214—限位座、215—电机座、216—耳座，

22—平动机构、

221—天轨、

222—行走座、2221—头框、2222—底盒、2223—滑块，

223—动力传动组件、2231—电机、2232—主动齿轮、2233—从动齿轮、2234—齿带，

23—转动机构、231—滑环、232—转动电机、233—减速机、234—转轴；

3—悬挂机构，

31—基础架，

32—调节机构、

321—俯仰调节机构、3211—拉绳、3212—收放电机、3213—卷筒、3214—卷筒外框，

322—悬架、3221—悬挂杆、3222—腹杆、3223—挂环、3224—吊环，

323—拉线编码器，

33—操纵带，

34—定滑轮；

A—底脚风机；

B—侧位风机。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例中的附图，对本发明的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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

优选实施例一

如图1所示，本实施例提供的这种伞降模拟训练风向控制方法，具体步骤如下：

步骤一、入场，伞降模拟训练舱内驱动机构带动参训人员入场，虚拟场景内人物跳出舱门，风机启动。

步骤二、获取各风机实际状态数据，在虚拟场景中获取人物角度与环境风的方向，确定夹角，调控伞降模拟训练舱内各风机工作状态，提取各风机的实际状态数据。实际状态数据包括各个风机的开启或停止，以及开启风机输出的风力大小。

步骤三、获取真实角度朝向，根据伞降模拟训练舱内驱动机构的电机数据读取参训人员当前的真实角度朝向。

训练舱内，参训人员通过背带连接在旋转电机的输出下，即转动电机数值的角度为参训人员角度。

步骤四、获取各风机理论状态数据，根据真实角度朝向和当前的风向、风速数据，确定每个风机当前应处于的理论状态数据。理论状态数据包括各个风机的开启或停止，以及开启风机输出的风力大小。

步骤五、风向调节，将实际状态数据与理论状态数据对比，若两者不同则调节风机实际状态数据至两者相同，实现伞降模拟训练舱内实时风向与虚拟场景中实时风向一致。

如图2所示，本实施例还提供了一种配套的伞降模拟训练风向控制系统用以实现上述方法。该系统包括机架1、驱动机构2、底脚风机A和侧位风机B；驱动机构2设置于机架顶部，四个底脚风A沿周向设置于机架1底部；侧位风机B与底脚风机A对应设置，连接于机架1的中部，位于底脚风机A的上方。

如图3、图4所示，机架1包括底框11、立架12和顶框13。

底框11为矩形框，其底面设有底脚，其顶面用以安装立架12。

立架12包括斜撑121、基础柱、层柱122和侧位梁123，其中基础柱有三类，分别为短柱124、中柱125和长柱126。斜撑121呈“入”字型布置于底框11的一侧边上，短柱124固接于斜撑121的顶点外，中柱125和长柱126均固接于底框11与斜撑121底点相邻的另一侧边上，长柱126位于中柱125的内侧，三根基础柱相互平行。四根层柱122分别连接于一对短柱124和一对长柱126上。侧位梁123的一端与短柱124固接、另一端与长柱126固接。

如图3、图4、图5所示，顶框13为等腰梯形框，其下底连接于短柱124上的两层柱122之间，上底伸至另一对层柱122外，并在顶框13的简支段与层柱122之间设有加强杆。整个机架1装配完成后形成一端开口大、一端开口小的架体，参训人员自小口端进入；并且通过“入”字型斜撑121的设置，使得立架12在竖直方向的一端不是连续的直柱，而是直线段加两个斜边的结构形式，提高承载能力，并便于在顶部施加竖向荷载时能够承载一定的形变，能大幅提高机架1的强度和承载能力。

顶框13设计为等腰梯形框体，其下底边固接于广口端的两层柱122之间，上底边伸至窄口端的两层柱122外，并通过增设加强杆以提高强度和承载能力，以便支撑设置于顶框13上的驱动机构2。

如图6所示，驱动机构2包括基座21、平动机构22和转动机构23，其中平动机构22设置于基座21上，转动机构23装配于平动机构22上。

如图6所示，基座21包括主梁211、连板212和连接座213。主梁211可选用槽钢，一对主梁211平行布置，并在主梁211的两端设置接近开关作为限位座214。连板212为矩形板，连板212设置于主梁211的端部，将一对主梁211连为一体。连接座213为长方体座，固接于两主梁211的另一端，连接座213上设置有电机座215和耳座216用以安装平动机构22。

如图6所示，平动机构22包括天轨221、行走座222和动力传动组件223。天轨221为工字型轨道，一对天轨221分设于主梁211上，位于对应的两限位座214之间，一对天轨221作为行走座222的行走轨道。

如图7所示，行走座222包括头框2221、底盒2222和滑块2223；其中头框2221为矩形框，其顶面设有凹槽，其侧面设有齿带口，其内设行走齿轮；底盒2222为两端开口的矩形盒，底盒2222固接于头框2221的底面，呈T型设置；滑块2223为条形块，其底面沿长度方向设有滑槽，滑块2223的中部设有翼缘，翼缘上设通孔，滑块2223通过穿过通孔的紧固件装配于头框2221的底面，四个滑块2223分设于头框2221四角、关于底盒2222对称布置。行走座222通过滑块2223装配于天轨221上，行走齿轮与动力传动组件223的齿带2234啮合。

如图6、图8所示，动力传动组件223包括电机2231、主动齿轮2232、从动齿轮2233和齿带2234。电机2231装入电机座215内，主动齿轮2232设置于耳座216中，电机2231的输出轴伸至耳座216内与主动齿轮2232相连，从动齿轮2233通过另一耳座设置于连板212上，齿带2234的一端与主动齿轮2232啮合、另一端与从动齿轮2233啮合，齿带2234的中段在行走座222内与行走齿轮啮合。平动机构22装配完成后，电机2231驱动主动齿轮2232转动，带动齿带2234转动，使行走座222能够承载装配于其上的转动机构23在齿带2234上行走，行走时天轨221和滑块2223起导向的作用，提高运动的稳定性。

如图9所示，转动机构23包括转动组件和滑环231。转动组件则包括转动电机232和减速机233，减速机233的输出轴为转轴234。装配时，将转动电机232设置于行走座222顶面的凹槽处，转轴234与底盒2222同轴，滑环231同轴设置于转轴234外。通过滑环231的设置，采用滑环231走线，避免转轴234转动时导线出现断裂或其他损毁的情况，实现无限度的旋转体感模拟。相较于现有技术而言，增加了模拟回转的倾角，可以做到无限制的回旋动作，比起之前的有限角度旋转，从真正意义上达到了伞降旋转运动的模拟体感，大幅提高了拟真体感效果。

本实施例在投入使用后通过硬件与伞降模拟软件结合实现控风。

风向控制：可根据四个底脚风机A和四个侧位风机B的排列组合，由程序进行控制，如，迎面风，打开底部前两个底脚风机，关闭后两个底脚风机。八个风机环绕整个受训人员，风向角度几乎无死角。在使用过程中，使用者通过伞降模拟软件，透过VR视景，控制跳伞员的朝向。程序会实时计算虚拟场景中当前环境风与当前人物朝向的夹角，并通过算法转换成风机的模拟量数值，控制风机的运行状态从而实现与虚拟场景一致的实时风向。

风力大小：单个风机风力1200m³/h，八个风机风力达到9600m³/h。单风机风力大小由模拟量控制，单模拟量范围(0-10V)。（八个风机需要八路模拟量）。根据计算机原理可知，计算机只能识别0和1。而根据公式换算与原理可知，模拟量对应转化过来的数字量为(0-20000）。所以，单个风机风力0-1200m³/h，对应程序的控制量为0-20000。举例，程序控制600m³/h的风量，根据转化公式可知，上位机输入数字量10000，就可以改变风力大小。其他风机原理相同。当虚拟场景中的环境风大小发生变化时，程序会改变风机的模拟量大小，从而实现实时风力的模拟。

本实施例投入使用后，伞降模拟设备的真实感显著上升，当使用者在进行控伞操纵，改变虚拟场景中人与环境风的相对关系时，系统会调整风机模组的整体风向与风力状态，达到虚拟场景中的风力影响与实际风感一致的体验。

优选实施例二，

如图10所示，本实施例在优选实施例一的基础上，增设悬挂机构3。

如图10、图11、图12所示，悬挂机构3包括基础架31、调节机构32和操纵带33。基础架31为矩形架，基础架31固接于驱动机构2的转轴234下，基础架31的四角下设定滑轮34用以安装调节机构32。

如图11、图12所示，调节机构32包括俯仰调节机构321、悬架322和拉线编码器323。

俯仰调节机构321包括收放机构和拉绳3211，一对拉绳3211分设于收放机构上、绕制方向相反。其中收放机构包括收放电机3212、卷筒3213和卷筒外框3214，卷筒外框3214为两侧开口的矩形框，其内设隔板，卷筒外框3214固接于基础架31下；卷筒3213与收放电机3212的输出轴相连，卷筒3213伸至卷筒外框3214内，贯穿隔板；一对拉绳3211分别绕于隔板两侧的卷筒3213上，两拉绳3211的绕制方向相反，两拉绳3211由隔板隔开，防止两段拉绳3211相互干扰。使用时通过收放电机3212驱动卷筒3213转动，由于两段拉绳3211的绕制方向相反，一段拉绳3211收卷时，另一段拉绳3211松放，从而便于调节悬架322的俯仰角度。

如图11、图13所示，悬架322为工字型架，包括一对悬挂杆3221和一对腹杆3222；其中悬挂杆3221的两端上设挂环3223，悬挂杆3221的中部下设吊环3224，一对悬挂杆3221平行布置，两腹杆3222平行设置、连接于两悬挂杆3221之间，悬架322通过挂环3223悬挂于拉绳3211下。通过吊环3224安装操纵带33，并将拉线编码器323设置于悬挂杆3221上，拉线编码器323用以传输操纵带33拉出数值，通过读取这个的数值，控制两侧收放电机3212的运行行程，两侧收放电机3212的运行行程不一致时，悬架322一边高一边低，实现倾斜。悬架322采用“工”字型结构更加稳定，受力更加均匀，避免单侧俯仰调节机构321独自承重出现负载过高的情况，并且可以降低快速旋转时两侧摆动过大存在的安全隐患。

本实施例在投入训练时，参训人员通过操纵带33悬挂于基础架31下，然后沿天轨221滑动带动参训人员入场模拟。模拟时，俯仰调节机构321工作调节操纵带33前后俯仰，拉线编码器323调节两侧收放电机3212的运行行程，使两侧高度不一致，从而实现参训人员的左右倾倒，从多个角度调节参训人员的实时姿态，提高拟真程度，降低参训人员整个模拟过程以及落地时体感与实际操作体感的差距。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种伞降模拟训练风向控制方法，其特征在于，本方法包括如下步骤：

S.1、入场，

伞降模拟训练舱内驱动机构带动参训人员入场，虚拟场景内人物跳出舱门，风机启动；

S.2、获取各风机实际状态数据，在虚拟场景中获取人物角度与环境风的方向，确定夹角，调控伞降模拟训练舱内各风机工作状态，提取各风机的实际状态数据；

S.3、获取真实角度朝向，根据伞降模拟训练舱内驱动机构的电机数据读取参训人员当前的真实角度朝向；

S.4、获取各风机理论状态数据，根据真实角度朝向和当前的风向、风速数据，确定每个风机当前应处于的理论状态数据；

S.5、风向调节，将实际状态数据与理论状态数据对比，若两者不同则调节风机实际状态数据至两者相同，程序实时计算虚拟场景中当前环境风与当前人物朝向的夹角，并通过算法转换成风机的模拟量数值，实现伞降模拟训练舱内实时风向与虚拟场景中实时风向一致；

本方法通过如下系统实现，

系统包括机架、底脚风机、侧位风机、驱动机构和悬挂机构；

多个底脚风机分别设置于机架底部；侧位风机与底脚风机对应设置，连接于机架的中部，位于底脚风机的上方；驱动机构设置于机架的顶部；

所述驱动机构包括基座、平动机构和转动机构；平动机构包括天轨、行走座和动力传动组件，天轨敷设于基座上，动力传动组件和行走座分设于基座上，动力传动组件驱动行走座沿天轨平动；转动机构包括转动组件和滑环，转动组件包括转轴，转动组件设置于行走座上，滑环同轴装配于转轴外用以走线；

悬挂机构包括基础架、调节机构和操纵带，基础架为矩形架，基础架固接于驱动机构的转轴下，调节机构包括俯仰调节机构和悬架，悬架通过俯仰调节机构连接于基础架，操纵带悬挂于悬架下。

2.如权利要求1所述的伞降模拟训练风向控制方法，其特征在于：所述机架包括底框、立架和顶框，底框设置于基础上，立架连接于底框上，顶框设置于立架的顶部。

3.如权利要求2所述的伞降模拟训练风向控制方法，其特征在于：所述底框为矩形框；所述立架包括斜撑、基础柱、层柱和侧位梁，基础柱设置于斜撑两端，层柱连接于基础柱上，侧位梁连接于两基础柱之间，一对立架分设于底框的两侧。

4.如权利要求3所述的伞降模拟训练风向控制方法，其特征在于：所述斜撑呈入字型布置于所述底框的一侧边上；所述基础柱包括短柱、中柱和长柱，短柱固接于斜撑的顶点外，中柱和长柱均固接于底框与斜撑底点相邻的侧边上，长柱位于中柱的内侧，三根基础柱相互平行；所述侧位梁的一端与短柱固接、另一端与长柱固接。

5.如权利要求4所述的伞降模拟训练风向控制方法，其特征在于：所述顶框为等腰梯形框，其下底连接于所述短柱上的两层柱之间，上底伸至另一对层柱外；所述底脚风机设置于所述底框的四角，所述侧位风机布置于所述侧位梁上。

6.如权利要求1所述的伞降模拟训练风向控制方法，其特征在于：所述基座包括主梁、连板和连接座，一对主梁平行布置，连板和连接座分设于主梁两端将两主梁连为一体。

7.如权利要求6所述的伞降模拟训练风向控制方法，其特征在于：所述动力传动组件包括电机、主动齿轮、从动齿轮和齿带，电机和主动齿轮设置于所述连接座上，主动齿轮与电机的输出轴相连，从动齿轮设置于所述连板上，齿带一端与主动齿轮啮合、另一端与从动齿轮啮合。

8.如权利要求7所述的伞降模拟训练风向控制方法，其特征在于：所述行走座包括头框、底盒和滑块；头框为矩形框，其顶面设有凹槽，其侧面设有齿带口，其内设行走齿轮；底盒为两端开口的矩形盒，底盒固接于头框的底面，呈T型设置；滑块设置于头框底面；行走座通过滑块装配于所述天轨上，行走齿轮与所述齿带啮合；所述转动组件包括转动电机和减速机，减速机的输出轴为所述转轴；转动电机设置于所述行走座顶面的凹槽处。

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