CN114248928A - 一种跳伞六自由度仿真系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种跳伞六自由度仿真系统，包含：跳伞运动解算模块、六自由度平台模块、操纵负荷模块、视景模块、体感营造模块和跳伞模拟模块；本发明，通过体感模拟、操纵反馈、姿态控制、虚拟视景使受训人员完全沉浸在模拟的训练环境中，可帮助受训人员掌握跳伞中的基本动作，增强姿态保持能力，大大弥补了传统跳伞训练手段的不足，提高了跳伞训练质量。

Description

一种跳伞六自由度仿真系统

技术领域

本发明涉及跳伞六自由度仿真，特别涉及一种跳伞六自由度仿真系统。

背景技术

在现有的跳伞模拟训练系统中，如何改进跳伞模拟器载人运动平台，并解决新平台的控制问题，通过实时采集受训者对降落伞的操纵，动感地模拟训练中人员全自由度运动过程，已成为现有跳伞模拟训练系统亟需解决的技术问题，对此设计一种跳伞六自由度仿真系统。

目前，关于降落伞稳降阶段的运动模型建立已有较多研究成果，如郭叔伟等研究了飞行力学仿真环境下降落伞系统动力学建模问题，对降落伞稳降阶段进行了分析，但未考虑任何控制输入。以可控圆形降落伞为研究对象，建立了物伞系统的六自由度运动模型，但其通过被称为气动人工肌肉的伞绳操纵，与人伞操纵过程不同。建立了火星降落伞与运载器系统的六自由度非线性数学模型。但降落伞模型是由飞行器控制的，也区别于人用降落伞。而利用跳伞模拟器进行跳伞训练，很重要的一点就是要模拟跳伞过程中的各类运动。目前关于人伞系统运动仿真的研究还较少，大多基于三自由度平面模型进行仿真模拟，从跳伞模拟器研发出发，给出了人伞系统稳降阶段的操纵方法，并建立了跳伞模拟训练评估标准，但其模拟过程在二维平面内进行，与实际跳伞过程有一定差距。除此之外，国内外大量的伞降试验表明，伞降区域风场对伞降过程将产生较大影响，在跳伞模拟器训练过程中，若能有效模拟不同风场环境下的人伞系统运动过程，并练习采取不同操纵方法以实现风场扰动下的稳定伞降，对提高伞降训练水平具有重大意义对此设计一种六自由度人伞系统运动过程的仿真方法。

发明内容

根据本发明实施例，提供了一种跳伞六自由度仿真系统，包含：跳伞运动解算模块、六自由度平台模块、操纵负荷模块、视景模块、体感营造模块和跳伞模拟模块；

所述六自由度平台模块与所述跳伞运动解算模块电性连接，用于将所述六自由度平台模块的数据值发送给所述跳伞运动解算模块；

所述操纵负荷模块与所述跳伞运动解算模块电性连接，用于将所述操纵负荷模块的操纵状态反馈给所述跳伞运动解算模块；

所述视景模块与所述跳伞运动解算模块电性连接，所述视景模块用于与所述跳伞运动解算模块进行数据传输，进行实时的动态渲染；

所述体感营造模块与所述跳伞运动解算模块，所述体感营造模块用于接收所述跳伞运动解算模块生产的系统状态值并将其转为相应的体感营造参数；

所述跳伞模拟模块与所述操纵负荷模块电性连接，所述跳伞模拟模块用于接收操纵负荷模块的各项操作数据。

进一步，跳伞运动解算模块包括：气动参数模型、跳伞运动方程模型、跳伞操纵模型和环境扰动模型。

进一步，自由度平台模块包括：HMI控制软件、伺服控制单元、伺服驱动单元、安全检查单元、紧急制动单元、故障检测单元和状态检测单元。

进一步，操纵负荷模块包括：降落伞背带单元和两个降落伞拉环，所述降落伞背带单元实时采集所述拉环的操作状态并反馈给所述跳伞运动解算模块。

进一步，视景模块包括：Unity3D平台、VR虚拟现实眼镜、框架显示器和集中监控屏，所述Unity3D平台与所述跳伞运动解算模块的进行数据传输，并且通过实时三维渲染映射到所述VR虚拟现实眼镜上。

进一步，体感营造模块包括：着陆模拟传送单元、风机送风单元和音效单元。

进一步，跳伞模拟模块包含：训练控制单元和训练管理考评单元。

一种六自由度人伞系统运动过程的仿真方法，包括步骤如下：

步骤1：建立人伞系统运动模型；

步骤2：利用拉格朗日法确定人伞系统的速度、角速度、姿态角和位置；

步骤3：采用平均风叠加紊流风的方式建立风场模型，根据风场模型的不同对人伞系统运动的影响；

步骤4：建立力与力矩模型，通过相应的操纵人伞分析对风场扰动的抵消；

步骤5：使用MATLAB进行仿真分析，将人伞系统运动过程仿真分成三组工况：一、对人伞系统无扰动情况进行模拟；二、加入平均风模型与紊流模型，分析人伞系统在大气扰动下的运动情况；三、以平均风扰动下的人伞系统运动过程为例，通过施加适当的操纵，以分析跳伞员风场扰动下的伞降过程，形成仿真结果。

根据本发明实施例的一种跳伞六自由度仿真系统，通过体感模拟、操纵反馈、姿态控制、虚拟视景使受训人员完全沉浸在模拟的训练环境中，可帮助受训人员掌握跳伞中的基本动作，增强姿态保持能力，大大弥补了传统跳伞训练手段的不足，提高了跳伞训练质量。

根据本发明实施例的一种六自由度人伞系统运动过程的仿真方法，以人伞系统为研究对象，建立了高精度的六自由度人伞运动模型，并根据训练实际，引入跳伞员操纵力与力矩模型，实现人伞系统运动操纵仿真。在此基础上，选取了不同风场环境作为计算条件，对人伞运动过程进行数值仿真，分析了相应风场环境下人伞系统应采取的操纵方法，可使跳伞员预先熟知降落轨迹，控制好降落过程中的空中位置，以实现躲避地面障碍物，安全准确地在目的地着陆。

要理解的是，前面的一般描述和下面的详细描述两者都是示例性的，并且意图在于提供要求保护的技术的进一步说明。

附图说明

图1为根据本发明实施例一种跳伞六自由度仿真系统的功能框图。

图2为根据本发明实施例一种跳伞六自由度仿真系统的跳伞运动解算模块内部框图。

图3为根据本发明实施例一种六自由度人伞系统运动过程的仿真方法人伞系统基本结构图。

图4为根据本发明实施例一种六自由度人伞系统运动过程的仿真方法操纵受力分析图。

图5为根据本发明实施例一种六自由度人伞系统运动过程的仿真方法第一组工况伞降三维轨迹图。

图6为根据本发明实施例一种六自由度人伞系统运动过程的仿真方法第一组工况人伞系统三轴速度图。

图7为根据本发明实施例一种六自由度人伞系统运动过程的仿真方法第一组工况人伞系统姿态角图。

图8为根据本发明实施例一种六自由度人伞系统运动过程的仿真方法第一组工况人伞系统气流角图。

图9为根据本发明实施例一种六自由度人伞系统运动过程的仿真方法第二组工平均风扰动下况伞降三维轨迹图。

图10为根据本发明实施例一种六自由度人伞系统运动过程的仿真方法第二组工况平均风扰动下人伞系统三轴速度图。

图11为根据本发明实施例一种六自由度人伞系统运动过程的仿真方法第二组工况平均风扰动下人伞系统姿态角图。

图12为根据本发明实施例一种六自由度人伞系统运动过程的仿真方法第二组工况平均风扰动下人伞系统气流角图。

图13为根据本发明实施例一种六自由度人伞系统运动过程的仿真方法第二组工紊流扰动下况伞降三维轨迹图。

图14为根据本发明实施例一种六自由度人伞系统运动过程的仿真方法第二组工况紊流扰动下人伞系统三轴速度图。

图15为根据本发明实施例一种六自由度人伞系统运动过程的仿真方法第二组工况紊流扰动下人伞系统姿态角图。

图16为根据本发明实施例一种六自由度人伞系统运动过程的仿真方法第二组工况紊流扰动下人伞系统气流角图。

图17为根据本发明实施例一种六自由度人伞系统运动过程的仿真方法第三组工况伞降三维轨迹图。

图18为根据本发明实施例一种六自由度人伞系统运动过程的仿真方法第三组工况人伞系统三轴速度图。

图19为根据本发明实施例一种六自由度人伞系统运动过程的仿真方法第三组工况人伞系统姿态角图。

图20为根据本发明实施例一种六自由度人伞系统运动过程的仿真方法第三组工况人伞系统气流角图。

具体实施方式

以下将结合附图，详细描述本发明的优选实施例，对本发明做进一步阐述。

首先，将结合图1~2描述根据本发明实施例的跳伞六自由度仿真系统，用于模拟跳伞训练使用。

如图1~2所示，本发明实施例的跳伞六自由度仿真系统，具有跳伞运动解算模块、六自由度平台模块、操纵负荷模块、视景模块、体感营造模块和跳伞模拟模块。

具体地，如图1所示，所述六自由度平台模块与所述跳伞运动解算模块电性连接，用于将所述六自由度平台模块的数据值发送给所述跳伞运动解算模块；所述操纵负荷模块与所述跳伞运动解算模块电性连接，用于将所述操纵负荷模块的操纵状态反馈给所述跳伞运动解算模块；所述视景模块与所述跳伞运动解算模块电性连接，所述视景模块用于与所述跳伞运动解算模块进行数据传输，进行实时的动态渲染；所述体感营造模块与所述跳伞运动解算模块，所述体感营造模块用于接收所述跳伞运动解算模块生产的系统状态值并将其转为相应的体感营造参数；所述跳伞模拟模块与所述操纵负荷模块电性连接，所述跳伞模拟模块用于接收操纵负荷模块的各项操作数据。操控负荷模块采集控制信号输入跳伞运动解算模块，其在六自由度人-伞系统动力学模型的基础上进行数值解算，输出人-伞系统运动状态信息到视景模块、六自由度运动平台模块和体感营造模块。视觉显示模块接收到人-伞系统运动状态信息后，更新视景信息，反馈为受训者视觉。六自由度运动平台接收到人-伞系统运动状态信息后，产生相应的动感模拟，驱动平台并带动受训者运动，反馈给受训者触觉。体感营造模块接收到人-伞系统运动信息后，通过风幕机和音响产生相应的风效与音效，反馈给飞行员听觉及触觉。进而实现一个人在环路中的虚拟仿真系统。

进一步，如图1~2所示，在本实施例中，跳伞运动解算模块包括：气动参数模型、跳伞运动方程模型、跳伞操纵模型和环境扰动模型。跳伞运动解算是跳伞模拟训练模块运行的大脑，其根据人伞系统动力学特性，依据环境因素，并结合跳伞训练员操纵数据，解算人伞系统六自由度非线性全量运动方程，计算出系统各时刻速度及角加速度，反解出实时位移量与姿态角等运动参数，并反馈至模拟器其他分系统，以便为受训者提供跳伞过程中相应的视觉、听觉、触觉和动感等信息。

（1）气动参数模型的精确性是跳伞运动仿真的关键，应以各实际训练伞型为对象，分别建立不同降落伞系统的气动参数表。同时，针对跳伞训练的不同阶段，气动数据还应按照开伞，充气，拉直三种模式进行分类。

(2)跳伞运动方程模型。为了实现高保真还原跳伞运动过程，为系统运动平台输入一一对应的状态信息，需要建立六自由度人伞系统运动方程。首先给出体坐标系下系统动力学方程式(1)：

式中，F＝[F_xF_yF_z]^T和M＝[M_xM_yM_z]^T分别为作用在降落伞系统上的外力和外力矩。随后给出运动学方程以确定系统的姿态与位置：

式中，

θ、Ψ分别表示人伞系统的滚转角、俯仰角、偏航角，x、 y、z分别表示人伞系统在地理坐标系中的位置。

(3)跳伞操纵模型。跳伞过程中，影响人伞系统运动轨迹的主要为系统外力F与外力矩M，其中外力包括重力、降落伞所受的气动力、跳伞员操纵产生的控制力；外力矩包括重力矩、降落伞的气动阻尼力矩、跳伞员操纵产生的控制力矩。考虑到跳伞操纵包括拉拽伞绳操纵棒与操纵背带两种方式，建立如下操纵模型：

式中，LF、RF、LB、RB表示分别拉左前背带、右前背带、左后背带、右后背带，拉左右操纵棒分别记为LZ与RZ。ΔF_xs、ΔF_ys、ΔF_zs为操纵产生的体坐标三个方向的受力，M_z为操纵产生的偏航力矩。其他参数为可调的操纵增益参数。

（4）环境扰动模型。降落伞系统在大气环境中易受风场的影响，不同形式的风场对降落伞系统的轨迹、运动速度、姿态等都有不同程度的影响。本系统采用风场模型来模拟实际的风扰动，包括平均风场模型、紊流风场模型和突风风场模型。

进一步，如图1所示，在本实施例中，自由度平台模块包括：HMI 控制软件、伺服控制单元、伺服驱动单元、安全检查单元、紧急制动单元、故障检测单元和状态检测单元。六自由度运动平台是本系统实现高精度跳伞运动模拟的核心，其采用的是Stewart并联结构，由六条电动缸通过虎克铰链或球铰将上、下两个平台连接而成，下平台固定在基座上，借助六条电动缸的伸缩运动，完成下平台在三维空间六个自由度（即

）的运动以及这些自由度的复合运动，并通过下平台悬挂的方式带动训练者进行高速度、高行程、高精度的跳伞运动模拟，能够真实还原跳伞过程的失重感、冲击感、操纵感、坠落感以及特殊情况触发时的眩晕感等运动体感。

Stewart平台是六自由度并联机构的基础平台，具有刚度大、负荷自重比高、载荷分布均匀、运动平稳的特点，在高精度、大载荷且对工作空间要求相对较小的场合得到了很广泛的应用。

（1）HMI（人机界面）控制软件：它是平台控制系统的操作平台，功能主要包括：平台运动轨迹监视、数据管理、系统参数设定、运行模式设定以及各缸当前运行状态显示等，可通过该软件对平台进行多自由度的测试、振动测试，还可以完成平台状态的检测、振动频谱、故障处理等。

（2）伺服控制单元：利用STM32系列芯片内部网络模块进行外部PHY扩展，实现网络通信硬件电路。在μC/OS-Ⅲ操作系统上进行相关程序开发，内置自主研发的“六自由度平台洗出算法”，可以根据不同模拟软件进行数据处理，结合Stewart反解算法实现对平台的精准控制。也能完成平台的自检、预位、复位，以低速自动运行至零位或中位的功能。

（3）伺服驱动单元：伺服驱动单元主要包含伺服驱动器与伺服电机，它是控制系统中直接与机械部分相连的单元，控制系统通过伺服驱动单元执行相应的动作，驱动机械结构完成规定空间运动轨迹。

（4）安全检测单元：为了规范平台的使用以及保障人员安全，平台增加一个安全检测单元，即当使用流程规范没有达到安全指标时，平台不能运行，例如使用人员未佩戴安全带、平台电缸超过限位点、平台未到达启动点等一系列安全规范。

（5）紧急制动单元：当平台出现紧急故障状态时，可以通过紧急制动单元快速停止平台的运动，从而达到保护人员和平台的目的。

（6）故障检测单元：当平台运行时，控制系统通过Modbus RTU协议与伺服控制器及其他控制部件进行数据的对联，实时监控平台的运行状态，能及时对出现的故障做出响应，同时停止平台的运动，保障人员与平台的安全。

（7）状态检测单元：通过在平台安装姿态传感器和振动传感器，实时获取平台的运行状态，获取的数据经过控制系统的数据洗出，解算出平台的姿态与振动数据，通过网络通信方式将数据发送到HMI模块进行平台状态的显示与对比。

进一步，如图1所示，在本实施例中，操纵负荷模块包括：降落伞背带单元和两个降落伞拉环，所述降落伞背带单元实时采集所述拉环的操作状态并反馈给所述跳伞运动解算模块。其中背带系统其利用真实的训练伞背带进行改装，可保证模拟训练的穿戴过程、操作方式与触摸手感与实际训练相同。而拉环则主要以现役降落伞拉环为基础，经过数字化改造，可实时采集拉环的操作状态，并反馈给运动解算系统，为降落伞操纵提供硬件支持。

为了实现操纵数据的采集，操纵负荷分系统同时配备两套传感器装置。包括4个拉力传感器和2个位移传感器，4个拉力传感器一端安装于运动平台，一端留有卡扣可以方便安装训练伞伞绳，可实现对操纵背带操控数据的采集。2个位移传感器采用弹力自动恢复初始状态，将拉绳式传感器的主体设备通过钢材固定在六自由度平台的动平台端，拉绳式传感器的拉绳与降落伞的拉环进行对接，操纵者拉动拉环即可带动传感器数据的变化，可实现对操纵绳操控数据的采集。

进一步，视景模块包括：Unity3D平台、VR虚拟现实眼镜、框架显示器和集中监控屏，所述Unity3D平台与所述跳伞运动解算模块的进行数据传输，并且通过实时三维渲染映射到所述VR虚拟现实眼镜上。视景模块为训练者提供有效的视觉信息，作为整个系统的重要组成部分，视景的真实性、合理性会直接影响训练者的体验，对跳伞训练的适用性、可靠性产生极大的影响。本模块基于虚拟现实技术搭建跳伞模拟训练视景环境，其采用虚实结合的方式，利用数据头盔、数据操纵器与传感器等实现人机交互，构建具有沉浸感的训练视景环境，大致包括建筑物模块、天气模块、飞行器模块和地景模块四个部分。视景系统首先运用3DS Max等建模软件制作人员、装备、环境的3D模型，在对模型进行渲染与修改后导入Unity3D互动平台，使用World Terrain插件制作地貌地形，并通过Unity的地形系统和World Machine软件完成地景的制作。在此基础上，使用C#语言编写了基于UDP协议的端口数据传输模块，完成了Unity3D平台与运动解算分系统之间的信息传输，并通过实时三维渲染，对跳伞训练的整体环境以及训练人员对降落伞的操纵进行实时动态渲染，使视景系统接收受训者的运动数据，并映射到受训者所佩戴的VR虚拟现实眼镜。视景模块提供虚拟现实眼镜、框架显示器、集中监控屏三种显示方式。其中，虚拟现实眼镜设备为HTC VIVE，佩戴于受训者头部，包括一个头戴式显示器（HMD)、两个空间追踪定位器和一个串流盒，其通过头部跟踪技术改变受训者观察视角，可呈现无延时、全方位的三维跳伞训练场景，使受训者视觉系统与运动感知系统有机结合，进而产生操纵降落伞下落的沉浸式体验；框架显示器安装于模拟单元框架外侧，用于参加训练的其他人员同步观察受训者跳伞训练情况，可通过软件设置，分别显示第一人称视角、第三人称视角、地面视角于自由视角，也可多视角同时显示；集中监控屏安装于教员控制台，其主要用于实时显示人员信息、训练场景及综合数据，使组训教员对跳伞训练进行全程跟踪，掌握训练者跳伞姿态、操纵动作。

进一步，如图1所示，在本实施例中，体感营造模块包括：着陆模拟传送单元、风机送风单元和音效单元。体感营造模块根据跳伞训练中运动解算模块生成的系统状态值转换为相应体感营造参数，以控制跳伞模拟单元中的体感设备的运行，系统设备包括着陆模拟传送单元、风机送风单元和音效单元。其中，着陆模拟传送单元安装于模拟器下端，其具有可升降特性，在训练开始后可将受训者抬升至较高起跳位置，其后下降至着陆高度并与六自由度运动解算模块实时配合，在训练者伞降最后阶段与人员接触，同时开启传送模式，生成着陆冲击体感；风机送风单元安装于模拟器四周，由多个大口径风机组成，其环形围绕受训人员，风向角度可调整，当运动解算模块中风场模型发生变化，可通过不同风机组合开关的形式，自动调整合成相应风向与风力的风场，为受训者提供真实的风力体感。音效单元包括受训者佩戴的耳机及安装于模拟器框架上的一组音响，在模拟训练中，通过真实的再现受训者周围各个方位的各种声源，使处于不同空间方位的声源在虚拟场景中产生不同的声像位置感，获得与临场相似的方位感、距离感、环境感的听觉感受，进而提升模拟训练系统的逼真度和沉浸感。

进一步，如图1所示，跳伞模拟模块包含：训练控制单元和训练管理考评单元。跳伞模拟模块用于模拟训练过程中的教学管理与状态显示。

（1）训练控制单元，具备教学、练习、考核三种模式，用于设置训练的初始条件，跳伞特情，监控各跳伞模拟单元训练过程和实时状态，具备实时控制模拟软件的功能，包括：环境干预、特殊情况干预、集中监控功能等，并能对各模拟训练单元进行语音指挥；具备实时控制硬件设备的功能，包括：六自由度平台的控制、风幕机的功率控制、平台的响应速度调节及紧急制动等。

（2）训练管理考评单元，包括数据存储模块，支持学员信息存储，可以直接保存于数据库，也可生成信息文件；含有考评回放模块，具备练习过程回放功能。包括练习态势采集、回放数据生成及保存，回放展现、速度控制；含有考核评估模块，具备仿真运行数据的记录和分析评估能力。包括练习数据统一管理、处理分析、综合展现等。

以上，参照图1～2描述了根据本发明实施例的跳伞六自由度仿真系统，通过体感模拟、操纵反馈、姿态控制、虚拟视景使受训人员完全沉浸在模拟的训练环境中，可帮助受训人员掌握跳伞中的基本动作，增强姿态保持能力，大大弥补了传统跳伞训练手段的不足，提高了跳伞训练质量。

如图3～16所示，本发明实施例的一种六自由度人伞系统运动过程的仿真方法，包括步骤如下：

步骤1：建立人伞系统运动模型；研究跳伞员稳降阶段的运动过程，此时降落伞已完全打开，考虑到实际伞降着陆过程中，跳伞员身体被操纵带束缚，且姿态需按照“三紧一平”要求，严禁接地时开腿开脚，可对人伞系统做出如下假设：

1）降落伞伞衣与跳伞员形成一个刚性系统。

2）跳伞员的空气动力和力矩可以忽略不计。

3）降落伞气动力作用于伞衣的压心，且与伞衣的质心不重合。

4）人伞系统关于伞衣质心与人体质心连接线轴对称。

分别定义地理坐标系O_ex_ey_ez_e，人伞系统体坐标系O_bx_by_bz_b，O_e为地理系原点，O_b为伞衣开口平面的伞衣基准平面中心圆点，如图3 所示，x_b和y_b轴在伞衣基准平面内，z_b轴指向跳伞员。

人伞系统是由一个普通的半圆形伞体、可操纵伞绳与背负操纵带的跳伞员组成，跳伞员与伞绳之间通过降落伞操纵带连接。人伞系统外形尺寸如图3，其中R_P为伞衣基准面半径，z₁、z₂、z₃、z_P、z_G分别为体坐标原点到伞衣质心、伞绳质心、人体质心、伞衣压心、人伞系统质心的距离。记伞衣重量、伞绳质量、跳伞员的质量分别为m₁、 m₂、m₃。

步骤2：利用拉格朗日法确定人伞系统的速度、角速度、姿态角和位置；利用拉格朗日方法，可得到降落伞系统的基本运动方程，其一般形式如下：

(1)

上式又称为克希霍夫（Kirchhoff）方程，式中T为系统的动能，

和

分别为作用在降落伞系统上的外力和外力矩，人伞系统在体坐标系共 有6个自由度，

和

分别为系统的速度和角速度矢量，其在体坐标系三轴分量分别为、U,V, W、p,q,r，上式在体坐标系中展开的分量形式如下：

(2)

其中：

(3)

另外，

表示人伞系统在体坐标系各轴上的转动惯量，不同点在于人体惯性参数可采用Hanavan人体模型计算。

、

、

、

表示降落伞运动过程的附加质量，其可用于说明降落伞改变周围流体动能所需的力与力矩，给出了圆形伞附加质量的近似表达式：

(4)

以下运动学方程式可用于确定降落伞的姿态，

分别表示人伞系统的滚转角、俯仰角、偏航角：

(5)

最后，人伞系统在地理坐标系

中的位置

可通过下式求解，而人伞系统高度

：

(6)

至此，可以通过式(2-6)确定人伞系统的速度、角速度、姿态角和位置共12个状态值。

步骤3：采用平均风叠加紊流风的方式建立风场模型，根据风场模型的不同对人伞系统运动的影响；风是大气运动而产生的，风速的大小和方向可以反映出大气的运动状况，风随空间和时间的变化分布称为风场。降落伞系统在大气环境中易受风场的影响，不同形式的风场对降落伞系统的轨迹、运动速度、姿态等都有不同程度的影响。这里所研究的主要是变化风，采用风场模型来模拟实际的风场，常见的风场模型有平均风场模型、紊流风场模型和突风风场模型等。在研究中一般仅考虑风场在水平分量上的作用，不考虑垂直分量上的影响。本文风场模型采用平均风叠加紊流风的方式建立，具体表达式如下：

W(h)＝W₀(h)+W_c(h) (7)

式中，

W₀(h)、W_c(h)分别为地理坐标系下高度 h处的风速矢量、平均风速矢量和紊流风速矢量。本文研究中采用的平均风场模型由某着陆场多年测量数据统计处理得到，其不同高度上的水平风速、风向数据如表1所示，实际风速值可通过插值获得。紊流风场模型采用Von Karman模型建立，其风场的功率密度谱函数为：

表1 风场数据表

高度(m)	风速(m/s)	风向(°)
			0	2.0	65
100	3.0	80
			300	2.0	135
500	5.0	180
			700	2.0	225
900	1.0	210
			1100	3.0	215
1200	4.0	220

式中，σ为紊流强度；L为紊流尺度；Ω为空间频率，它适用于15～20km以下的大气层。

由于扰动风矢量一般是基于地理坐标系给出的，因此，对于式（7），需要将地理坐标系下的风速矢量通过坐标变换转化到机体坐标系中：

(9)

步骤4：建立力与力矩模型，通过相应的操纵人伞分析对风场扰动的抵消；在给出具体的力和力矩的表达式之前，由于存在风场扰动，还需将速度矢量作如下变换：

(10)

其中，

为人伞系统体坐标系原点的空速三轴分量，其与降落伞压心处空速

有如下关系：

(11)

对于轴对称人伞系统，因其气动特性同样具有对称性，因此气动计算时通常直接使用其中心对称轴与空速矢量的夹角——即总攻角

，来代替迎角和侧滑角，可以直接根据体轴系下的空速分量由下式进行计算：

(12)

稳降阶段人伞系统所受外力和外力矩的矢量形式为：

(13)

式中，G是人伞系统所受的重力；

是降落伞所受的气动力；

是跳伞员操纵产生的控制力；

是降落伞的气动阻尼力矩；

是跳伞员操纵产生的控制力矩；

和

分别是在人伞系统体坐标系

下，人伞系统质心和降落伞压心的位置矢量。式(13)中重力、气动力与气动阻尼力矩的分量形式如下：

(14)

(15)

(16)

式中，

为空气密度；

、

为气动力法向力系数和轴向力系数；

为降落伞参考半径，

为降落伞参考半径；

为人伞系统的气动阻尼力矩系数，取值采用Wolf给出的圆形伞气动数据。

不同于物伞系统，式(13)中存在操纵力与操纵力矩。对于一般的训练圆形伞来说，其每根伞绳都编有序号,而第一和最后一根伞绳上端为伞衣排气口，下端会缝上短绳,短绳上再拴操纵棒。当需要左转时,拉下左操纵棒,即可带动伞绳向下运动,使排气口左侧的伞衣向里凹，而排气口右侧的伞衣就相对凸起,伞衣内的空气经排气口向左后方排出,同时产生一个相反的作用力,将伞衣向右前方推，则降落伞向左转动。同理，拉下右操纵棒时，降落伞向右转，本文将拉左右操纵棒的操作方式分别记为LZ与RZ。

另外，圆形训练伞还存在两根操纵带，每根操纵都有前拉和后拉两种操作方式，本文将其分别记为左前LF、右前RF、左后LB、右后RB。当跳伞员拉扯操纵带时，相应操纵点处的伞衣被改变形状，以下拉左前方操纵带(LF)为例，拉力使伞衣变形后，左前侧伞衣边缘流过气流的曲折增大，导致了该方向涡流增强，左前部分内外压力差变大，整个伞体产生左前方的力F，其可分解为前侧力

和左侧力

，受力分析如图4所示。由于伞体的稳定性设计，

带来的影响并不明显。而

的受力点并不经过受力压心，由图4可见该处的受力导致了一个正的Z轴方向力矩，使降落伞发生顺时针旋转。同理，右后(RB)操纵也会导致正的Z轴方向力矩，上述分析结果也与人用伞操纵手册描述相符。相对的，右前(RF)、左后(LB)操纵即可产生逆时针旋转效果。同理还有多操纵带的操纵方式，如侧拉单侧双操纵带会产生一个指向该方向的侧力，且能消除Z轴偏航力矩。其次是加减速方面，当同时拉四个操纵带，该操纵会使伞衣的整体投影面积减小。垂直方向上受阻力减小，垂直方向上有一个加速的过程。

由于降落伞操纵效果的产生并不是一个瞬间完成的过程，为了准确描述操纵过程，本文假设操纵量出现后，操纵效果存在一个持续时间，但操纵效果会随时间的增加而减弱。若在上一次操纵效果内出现再次操纵，将对操纵时间初值进行重置。通过上述描述即可将操纵量转换为操纵效果，操纵产生的人伞系统体坐标三个方向的受力

大小如下，并使用参数

、

作为操纵的可调参数，

、

是三个方向的并行操作增益：

(17)

操纵力矩方面，通过操纵描述和分析可知，人伞系统操纵将产生如下偏航力矩：

(18)

上式中，

，当跳伞员进行降落伞操纵时， 相应操纵方式输入值为1，其余为0。

为操纵效果延时时间，

、

为力矩操纵可调参数， 至此，人伞系统操纵模型建立完成。

步骤5：使用MATLAB进行仿真分析，本节通过仿真验证其精确性。系统参数以某型训练伞数据为例，伞衣基准面半径

，伞衣重量

。伞绳和操控带长度为

，质量为

。跳伞员的质量取

，人体其余参数按照常规人体给出。人伞系统各分体的质心间距离取为

。本文基于MATLAB进行动力学建模与仿真，跳伞员操纵系数如表所示，另外，考虑到人伞系统出舱至开伞的几秒内各物理量变化较小，除设置开伞高度

、下降速度

，

外，其余值为零。将人伞系统运动过程仿真分成三组工况：

一、对人伞系统无扰动情况进行模拟；人伞系统无扰动无操纵情况下的仿真结果，仿真结果如图5~8所示。可以看到，在无扰动的理想情况下，系统垂直方向上的下落速度在开始仿真后迅速减小，并最终维持在了

,伞降速度符合小于

的安全范围，而系统在

平面方向的运动主要由人伞出舱的水平速度决定，在空气阻力的作用下，平移速度也收敛于

，人伞系统降落轨迹表现为一条稳定倾线。本文将其降落点为圆心，半径

的范围设为仿真伞降的预定降落区域，用于后文扰动情况下的落点分析。

进一步观察图6~3中的仿真曲线可以发现，在人伞系统稳定下降的初始阶段，由于 降落伞气动力的作用，人伞系统出现俯仰角

的前倾，随后在系统重力矩的平衡下 迅速恢复平衡状态，即无姿态角的垂直降落，而系统总攻角与迎角快速收敛于

，表明本文 采用的圆形降落伞为存在平衡攻角的不稳定型伞，这与不稳定型伞的气动规律表现出一致 性。

二、加入平均风模型与紊流模型，分析人伞系统在大气扰动下的运动情况；根据风场模型不同，仿真结果分为两部分，图9~12、为平均风扰动下系统运动状态。由图9可以看到，人伞系统在风场扰动下运动轨迹发生偏移，最终降落点超出了预定降落区域。而分析其速度变化量可以看到，在不考虑垂直风场的情况下，系统稳定下降速度几乎没有波动，表明水平方向的风场扰动不会影响伞降垂直方向的受力平衡。

进一步观察图10~12，可以发现人伞系统三轴速度的变化与风速密切相关，且在气动力达到平衡状态过程中，人伞系统的绝对速度越来越接近风速，即对空相对速度为越来越小，使系统运动轨迹的变化基本决定于风速的改变。这表明若能提前获得伞降区域的风场信息，可通过本模型有效模拟伞降轨迹，提前预测降落区域，甚至通过改变伞降起点以使跳伞员顺利降落至预定区域。

另外，由图11可以看到，系统姿态角在平均风扰动下，变化幅度比较稳定，滚转角 与俯仰角都保持在近

的范围内，表明平均风对系统姿态影响的绝对尺度很小，可以不予 考虑。而图12表明，平均风场主要通过改变人伞系统迎角与侧滑角以改变运动轨迹，但其总 攻角几乎保持不变，对风速的改变并不敏感。

图13~16为紊流扰动下系统运动状态，可以看到，相对于平均风场，紊流由于更快的风速变化频率，对伞降轨迹的影响更加明显，在降落过程中，系统出现水平方向多次的变向运动，不利于跳伞员准确判断预定降落区域，规避地面危险物体。另外，相较于平均风场，紊流扰动下系统姿态角的变化也呈现较大震幅，使降落伞运动形式变得不太规则，对伞降过程系统的稳定操纵提出了挑战。

三、以平均风扰动下的人伞系统运动过程为例，通过施加适当的操纵，本案以分析跳伞员风场扰动下的伞降过程。通过前面的仿真可以看到，风场扰动对伞降轨迹影响较大，为了准确降落至预定区域，必须在伞降过程中施加相应操纵，本节以平均风扰动条件为例，经过反复调试，分别当t=68-69s和t=74-76s时输入操纵值为LF=LB=1，t=191-194s和t=200-202s时输入操纵值为LB=RB=1，可使人伞系统降落至预定区域，仿真结果如图17~20所示。

首先，仿真结果表明通过合适的操纵输入，人伞运动轨迹可被控制在理想范围内，另外，在进行操纵方式选择仿真过程中发现，少量多次的操纵比长时间单次的操纵操纵效果更佳，这个结果也与人用伞操纵手册相符，原因可以通过分析图19的气流角得到：当操纵动作发生后，首先改变人伞系统平衡攻角的方向，进而改变降落伞气动力与力矩，而在操纵开始的较短时间内，系统力与力矩快速达到平衡状态，导致长时间的单一操纵并不会产生长时间的操纵效果。

人伞运动过程的操纵组合较多，本节仅以进入预定降落范围为目标进行试错调试，操纵方法与实际过程有较大区别，但仿真结果也表明，本文所建立的六自由度运动模型符合实际人伞系统运动过程，可以有效模拟伞降过程，在将本模型嵌入跳伞模拟器后，跳伞员可在实时获得模型运动状态值后，通过平时训练中讲授的操纵方法应对不同情况，以获得预定降落轨迹和着陆姿态。更进一步，本文所建立模型也可通过建立反馈控制机制，得到不同初始条件、不同扰动条件下跳伞员应采取的最佳操纵组合。

以上，参照图3~20描述了根据本发明实施例的一种六自由度人伞系统运动过程的仿真方法，给出了人伞系统六自由度运动的数学模型。该模型综合考虑伞降过程风场扰动与跳伞员控制输入，增加了四种操纵方法，通过数值仿真的方法分析复杂大气扰动对伞降过程的影响，可以提供跳伞模拟器所需的输出。建立的模型贴近伞降实际，为综合运用数值仿真、半实物仿真的方法研究伞降模拟奠定了理论基础，可为部队官兵和军校学员的跳伞训练提供一种新的途径。

需要说明的是，在本说明书中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包含……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种跳伞六自由度仿真系统，其特征在于，包含：跳伞运动解算模块、六自由度平台模块、操纵负荷模块、视景模块、体感营造模块和跳伞模拟模块；

所述六自由度平台模块与所述跳伞运动解算模块电性连接，用于将所述六自由度平台模块的数据值发送给所述跳伞运动解算模块；

所述操纵负荷模块与所述跳伞运动解算模块电性连接，用于将所述操纵负荷模块的操纵状态反馈给所述跳伞运动解算模块；

所述视景模块与所述跳伞运动解算模块电性连接，所述视景模块用于与所述跳伞运动解算模块进行数据传输，进行实时的动态渲染；

所述体感营造模块与所述跳伞运动解算模块，所述体感营造模块用于接收所述跳伞运动解算模块生产的系统状态值并将其转为相应的体感营造参数；

所述跳伞模拟模块与所述操纵负荷模块电性连接，所述跳伞模拟模块用于接收操纵负荷模块的各项操作数据。

2.如权利要求1所述跳伞六自由度仿真系统，其特征在于，所述跳伞运动解算模块包括：气动参数模型、跳伞运动方程模型、跳伞操纵模型和环境扰动模型。

3.如权利要求1所述跳伞六自由度仿真系统，其特征在于，所述自由度平台模块包括：HMI控制软件、伺服控制单元、伺服驱动单元、安全检查单元、紧急制动单元、故障检测单元和状态检测单元。

4.如权利要求1所述跳伞六自由度仿真系统，其特征在于，所述操纵负荷模块包括：降落伞背带单元和两个降落伞拉环，所述降落伞背带单元实时采集所述拉环的操作状态并反馈给所述跳伞运动解算模块。

5.如权利要求1所述跳伞六自由度仿真系统，其特征在于，所述视景模块包括：Unity3D平台、VR虚拟现实眼镜、框架显示器和集中监控屏，所述Unity3D平台与所述跳伞运动解算模块的进行数据传输，并且通过实时三维渲染映射到所述VR虚拟现实眼镜上。

6.如权利要求1所述跳伞六自由度仿真系统，其特征在于，所述体感营造模块包括：着陆模拟传送单元、风机送风单元和音效单元。

7.如权利要求1所述跳伞六自由度仿真系统，其特征在于，所述跳伞模拟模块包含：训练控制单元和训练管理考评单元。

8.一种六自由度人伞系统运动过程的仿真方法，其特征在于，包括步骤如下：

步骤1：建立人伞系统运动模型；

步骤2：利用拉格朗日法确定人伞系统的速度、角速度、姿态角和位置；

步骤3：采用平均风叠加紊流风的方式建立风场模型，根据风场模型的不同对人伞系统运动的影响；

步骤4：建立力与力矩模型，通过相应的操纵人伞分析对风场扰动的抵消；

步骤5：使用MATLAB进行仿真分析，将人伞系统运动过程仿真分成三组工况：一、对人伞系统无扰动情况进行模拟；二、加入平均风模型与紊流模型，分析人伞系统在大气扰动下的运动情况；三、以平均风扰动下的人伞系统运动过程为例，通过施加适当的操纵，以分析跳伞员风场扰动下的伞降过程，形成仿真结果。

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