CN114999267A - 一种过载可调控的弹射跳伞模拟器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种过载可调控的弹射跳伞模拟器，涉及弹射跳伞模拟技术领域。该模拟器包括全尺寸驾驶舱系统、主体支撑结构、垂直弹射系统和伞降模拟系统；主体支撑结构包括垂直升降塔体、塔体顶部横梁和电气控制系统；垂直升降塔体一侧总宽度能够安装配备弹射座椅的弹射轨道，用于实现受训人员的模拟弹射；全尺寸驾驶舱系统采用通用的歼击机驾驶舱舱体，驾驶舱座椅为可活动的弹射座椅，弹射座椅与垂直升降系统和伞降模拟系统相配合，使飞行员在主体支撑结构上实现弹射跳伞模拟。该模拟器集弹射和跳伞模拟功能为一体，仿真模拟流程更完善、真实程度更高，弹射过载可以自由调控，能够大幅提高弹射跳伞科目的训练水平。

Description

一种过载可调控的弹射跳伞模拟器

技术领域

本发明涉及弹射跳伞模拟技术领域，尤其涉及一种过载可调控的弹射跳伞模拟器。

背景技术

伴随着科技的进步，飞机的机动性能越来越强，当飞机受到严重损伤时，飞行员实现安 全逃生也愈发困难。当飞机的飞行速度超过0.5马赫时，飞行员凭借自身力量脱离飞机已较 难实现。典型问题例如：弹射火箭的爆炸威力过大，使用弹射座椅的生存率反而比迫降更低； 弹射流程的安全性较差，使用弹射座椅幸存的飞行员较容易受到二次伤害。

在三代机大量替换二代机的过程中，超视距空空导弹被大量应用，空空导弹对歼击机的 破坏是巨大的，其装备的连续杆状战斗部往往可将歼击机直接切为两半。另外，三代机普遍 采用放宽静安定余度的飞控设计，一旦飞机外形遭到严重破坏，那么飞机的失控是必然的。 以上两点使得迫降几乎完全不可能实现，因此，弹射座椅的研制又重新受到了各国的重视。

弹射跳伞模拟器能够使飞行员学会掌握正确弹射姿势，熟悉弹射操纵动作，增加弹射有 效决定时间，减少脊柱损伤概率，消除对弹射救生的恐惧心理，争取更大的成功救生机会。

现有的弹射跳伞模拟装置只包含驾驶舱和视景系统，只能模拟险情发生时的视觉场景和 飞机振动，还无法实现弹射动作和弹射流程的仿真模拟，对弹射跳伞的仿真模拟程度还远远 无法满足实战训练需求。因此，有必要发明一种大型的弹射跳伞模拟器，能够集弹射和跳伞 模拟功能为一体，为飞行员的战斗意志的培训塑造提供训练手段。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种过载可调控的弹射跳伞 模拟器及模拟方法，通过搭建大型弹射跳伞结构，并融合全尺寸驾驶舱、垂直弹射系统、伞 降模拟系统和VR仿真视景系统，实现更真实的弹射跳伞仿真模拟。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种过载可调控的弹射跳伞模拟器， 包括全尺寸驾驶舱系统、主体支撑结构、垂直弹射系统和伞降模拟系统；所述全尺寸驾 驶舱系统采用通用的歼击机驾驶舱舱体，驾驶舱座椅为可活动的弹射座椅，弹射座椅与垂直 升降系统和伞降模拟系统相配合，使飞行员在主体支撑结构上实现弹射跳伞模拟。

优选地，所述主体支撑结构包括垂直升降塔体、塔体顶部横梁和电气控制系统；垂直升 降塔体总高度满足弹射跳伞仿真需求，垂直升降塔塔体一侧总宽度能够安装配备弹射座椅的 弹射轨道，用于实现受训人员的模拟弹射；塔体顶部横梁装配在两个塔体之间，尺寸满足安 装伞绳牵引车，用于实现受训人员的模拟跳伞；电气控制系统配备在主体支撑结构的底部， 能够实现对弹射跳伞模拟器中全部的电气设备的集成控制，电气控制系统中配备紧急制动开 关，在开关被按下时，全部运行机构将紧急制动停车。

优选地，所述弹射座椅下方配备一个弹射拉环，当弹射拉环拉出后，弹射座椅能够脱离 驾驶舱系统，启动弹射仿真模拟；弹射座椅还配备刹车装置，在弹射座椅的弹射高度超过距 轨道端头安全位置时启动。

优选地，所述垂直弹射系统包括弹射轨道、两个弹射电机、传动带和弹射座椅定位装置 四个部分；弹射轨道为平行双轨结构，嵌入式安装在垂直升降塔体内侧，并将弹射座椅安装 在弹射轨道上，弹射座椅受弹射电机驱动后可升降地运行在弹射轨道上，弹射轨道两端设有 缓冲器，以实现冲顶和墩底的保护；两个弹射电机分别安装在弹射轨道两端，驱动方式为伺 服电机驱动，电机控制方式为根据弹射座椅上设置的速度传感器采集的弹射座椅上升速度实 现速度闭环PI控制，能够根据载荷和训练过载自适应地调节运行速度；传动带由两条高强度 同步带组成，用于连接弹射电机与弹射座椅，实现二者的同步传动；弹射座椅定位装置安装 在弹射轨道底部，用于实时定位弹射座椅的上升高度，其定位方式为双激光测距绝对认址。

优选地，所述伞降模拟系统包括伞绳牵引车、伞绳收放机构和安全带切割装置三个部分； 所述伞绳牵引车安装在塔体顶部横梁上，是一个在水平方向运行的轨道车结构；伞绳牵引车 的驱动方式为伺服电机驱动，驱动机构采用齿条和齿轮方式传动，定位方式为采用电开关、 旋转编码器和激光测距的组合认址方式定位；伞绳收放机构安装在伞绳牵引车上，包括三台 伺服电机和三条伞绳；伞绳收放机构采用三台伺服电机驱动，电机控制方式为速度闭环PI控 制，三条伞绳与受训人员身体连接；安全带切割装置安装在弹射座椅配备的安全带根部位置， 在弹射座椅上升过程中，当弹射座椅的上升速度达到设定阈值时，立即切断安全带；在切断 安全带后，伞绳收放机构向座椅外拉动飞行员以实现人椅分离，随后三台伺服电机执行放绳 动作，直到训练人员落地；所述伞绳收放机构的收绳速度与弹射座椅的上升速度保持一致， 为跳伞仿真做好准备工作；伞绳牵引车和伞绳收放机构均设有极限限制开关，以防止伞绳牵 引车和伞绳收放机构超过行程；

优选地，所述弹射跳伞模拟器还包括VR仿真视景系统，所述VR仿真视景系统采用通 用的VR头盔显示装置，包括视景显示装置和图像生成装置两个部分；视景显示装置采用正 投实像显示，为飞行员提供连续的显示场景；图像生成装置采用单通道图像生成系统，能够 模拟各种气象条件下，各种飞行状态下多种空、地、海场景的视觉效果以及多种空、地、海 目标及相对运动的动态效果，并根据电气控制系统实时输入，对应实时显示相应的视景图像， 为飞行员提供三维场景图像。

优选地，所述模拟器还在垂直升降塔体设定范围内还设置光电探物监测装置，将监测的 视频图像传输到电气控制系统；电气控制系统判断塔体周围环境是否有异常，在异常情况发 生时停止伞降模拟系统运行，防止危险情况发生。

优选地，所述主体支撑结构还包括设置在主体支撑结构上的安全保障装置，保障受训人 员的生命健康安全。

优选地，所述弹射跳伞模拟器进行弹射跳伞模拟，包括飞行员弹射仿真模拟和飞行员 跳伞仿真模拟两个过程；所述弹射仿真模拟包括垂直弹射系统设备准备阶段、飞行员弹射出 舱仿真阶段和飞行员惯性上升仿真阶段；

所述垂直弹射系统设备准备阶段所有设备进行运行自检；

所述飞行员弹射出舱仿真阶段，在飞行员拉出弹射座椅下的弹射拉环后，开始进行弹射 仿真；

弹射过载依据加速度定律确定，从而实现过载可调控的弹射仿真模拟，如式(1)所示：

其中，G为弹射过载值，v_e为期望弹射速度，t_m为电机运转时间，g为重力加速度；

在弹射座椅的上升阶段，安装在弹射轨道两端的弹射电机启动，将弹射座椅快速提升， 从而完成弹射出舱的仿真模拟，电机参数与期望弹射速度的关系如式(2)所示：

其中，n为电机转速，l为传送带在电机每转一周时的运动长度，U为电枢电压，I为电 枢电流，R为电枢电路总电阻，K为电机结构参数，

为磁通量；

弹射电机采用速度闭环控制，使用M法对电机转速进行测量，即根据单位时间获取的脉 冲数测量电机的速度信息，并与设定的目标速度值相比较，从而得出速度偏差，然后通过比 例Kp和积分Ki控制电机电压，使速度偏差趋向于零；

在速度闭环控制中，使用PI控制，控制方法式(3)所示：

Pwm＝Kp*e(k)+Ki·∑e(k) (3)

其中，Pwm表示脉冲宽度调制值，k表示采样周期，e(k)表示当前控制周期的控制偏差，e(k-1)表示上一采样周期的控制偏差；

所述飞行员惯性上升仿真阶段为：

在弹射座椅达到最大弹射速度后，安装在弹射轨道低端的弹射电机停止运行，飞行员和 弹射座椅进入惯性上升阶段，此时飞行员和弹射座椅仍被限制在弹射轨道内；当设定的最大 弹射速度会使弹射座椅在垂直上升时驶过距轨道端头的安全位置时，刹车装置启动，使弹射 座椅减速上升，并在与轨道顶端的缓冲器碰撞前停止；

所述飞行员跳伞仿真模拟运行过程包括弹射与跳伞的模式切换阶段、自由下落及开伞减 速阶段和匀速下落阶段；

所述弹射与跳伞的模式切换阶段，当弹射座椅的运行速度小于设定阈值时，即开启弹射 与跳伞模拟的模式切换阶段；在模式切换时，第一时间启动安全带切割装置，切断飞行员与 弹射座椅之间连接；安全带脱开后启动伞绳牵引车和伞绳收放机构的伺服电机，此时，弹射 电机快速带动座椅下降，伞绳牵引车带动受训人员向两个塔体顶部横梁中部运动，弹射电机 和伞绳牵引电机同时启动以避免飞行员与弹射座椅和垂直弹射轨道发生碰撞，从而安全的实 现人椅分离动作；

所述自由下落及开伞减速阶段：

1)自由下落及开伞减速过程依据跳伞的实际情况完成建模，建立弹射座椅自由下落及开 伞减速过程的微分方程，如式(4)所示：

其中，v为伞降速度，t为伞降时间，Q为降落伞阻力，θ为座椅中心与地坐标系y轴的夹角，m为飞行员和穿戴装备的总质量；

2)自由下落及开伞减速过程的电机控制方法与弹射出舱仿真阶段相同，均采用速度闭环 PI控制，伞绳收放机构的三台伺服电机的放绳速度能够预先设置，从而实现自适应的训练过 程；

所述匀速下落阶段：

(1)飞行员在自由下落及开伞减速后至匀速下降阶段后，根据实际开伞高度设定伞绳收 放机构的运行速度，使飞行员受控下降，飞行员在跳伞模拟中与VR仿真模拟同时抵达地面；

(2)飞行员降落指定位置后，断开伞绳与飞行员之间的连接，伞绳牵引车从塔体中部返 回初始的塔体一侧。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的一种过载可调控的弹射跳伞模 拟器，包含了主体支撑结构、全尺寸驾驶舱系统、垂直弹射系统、伞降模拟系统和VR仿 真视景系统，其相比现有的弹射跳伞模拟装置的仿真模拟流程更完善、真实程度更高，集弹 射和跳伞模拟功能为一体，能够大幅提高弹射跳伞科目的训练水平。本弹射电机的控制方式 采用速度闭环PI控制，依据实际情况完成建模后，通过对弹射电机的速度控制完成对弹射过 载的调控，从而实现受训人员从低过载到高过载的逐级训练。

附图说明

图1为本发明实施例提供的主体支撑结构的示意图；

图2为本发明实施例提供的全尺寸驾驶舱系统的示意图；

图3为本发明实施例提供的垂直弹射系统的示意图；

图4为本发明实施例提供的伞降模拟系统的示意图；

图5为本发明实施例提供的一种过载可调控的弹射跳器进行弹射跳伞模拟的流程图；

图6为本发明实施例提供的四种给定期望过载对应的电机速度闭环PI控制曲线示意图， 其中，(a)为3G，(b)为5G，(c)为7G，(d)为9G；

图中，1、垂直升降塔体；2、塔体顶部横梁；3、电气控制系统；4、全尺寸驾驶舱系统；5、座舱结构；6、操纵装置；7、电子设备；8、驾驶舱座椅；9、弹射轨道；10、弹射电机； 11、传动带；12、弹射座椅定位装置；13、伞绳牵引车；14、伞绳收放机构。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于 说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种过载可调控的弹射跳伞模拟器， 包括主体支撑结构、全尺寸驾驶舱系统、垂直弹射系统、伞降模拟系统和VR仿真视景系统；

本实施例中，主体支撑结构包括垂直升降塔体1、塔体顶部横梁2、安全保障装置、电气 控制系统4四部分，总体尺寸为：10000mm(L)×4000mm(W)×20000mm(H)，具体如图 1所示；垂直升降塔体1总高度满足弹射跳伞仿真需求，高度为20000mm，垂直升降塔塔体 一侧总宽度能够安装配备弹射座椅的弹射轨道，宽度为4000mm，用于实现受训人员的模拟 弹射；塔体顶部横梁2装配在两个塔体之间，尺寸满足安装伞绳牵引车，长度为10000mm， 用于实现受训人员的模拟跳伞；安全保障装置设置在主体支撑结构上，保障受训人员的生命 健康安全；电气控制系统4配备在主体支撑结构的底部，能够实现对弹射跳伞模拟器中全部的电气设备的集成控制，电气控制系统4中配备紧急制动开关，在开关被按下时，全部运行机构将紧急制动停车；同时，在垂直升降塔体1设定范围内还设置光电探物监测装置，将监测的视频图像传输到电气控制系统4；电气控制系统4判断塔体周围环境是否有异常，在异常情况发生时停止伞降模拟系统运行，防止危险情况发生。

所述全尺寸驾驶舱系统3为通用的歼击机驾驶舱舱体，包含座舱结构5、操纵装置6、电 子设备7和驾驶舱座椅8四个部分，具体如图2所示；座舱结构5应包括主仪表板、左操纵 台、右操纵台，座舱结构5的尺寸、位置和布局应与歼击机驾驶舱一致；操纵装置6包括与飞行操纵有关的手柄及按键，手柄的操作及按键功能与真实飞机一致；电子设备7包括主仪表板上安装的三台10英寸多功能显示器(MFD)，主仪表板及左右操纵台上安装的仪表、控制盒和指示灯；驾驶舱座椅8为可活动的弹射座椅而非固定式座椅，本实施例中，弹射座椅的最大承重为120kg，弹射座椅能够与垂直升降系统和伞降模拟系统相配合，弹射座椅下方配备一个弹射拉环，当弹射拉环拉出后，弹射座椅能够脱离驾驶舱系统，启动弹射仿真模拟； 弹射座椅还配备刹车装置，在弹射座椅的弹射高度超过距轨道端头安全位置时启动，本实施 例中，安全位置的高度为16000mm。

所述垂直弹射系统包括弹射轨道9、两部弹射电机10、传动带11和弹射座椅定位装置 12四个部分，如图3所示；弹射轨道9为平行双轨结构，嵌入式安装在垂直升降塔体1内侧， 并将弹射座椅安装在弹射轨道9上。弹射座椅受弹射电机10驱动后可升降地运行在弹射轨道 9上，本实施例中，设定弹射座椅的最大运行速度为30m/s，弹射轨道9两端设有缓冲器，以 实现冲顶和墩底的保护；两部弹射电机10分别安装在弹射轨道9两端，驱动方式为伺服电机 驱动，电机控制方式为根据弹射座椅上设置的速度传感器采集的弹射座椅上升速度实现速度 闭环PI控制，能够根据载荷和训练过载自适应地调节运行速度；传动带11由两条高强度同 步带组成，用于连接弹射电机10与弹射座椅，实现二者的同步传动；弹射座椅定位装置12 安装在弹射轨道9底部，用于实时定位弹射座椅的上升高度，其定位方式为双激光测距绝对 认址，本实施例中，定位精度≤2mm。

所述伞降模拟系统如图4所示包括伞绳牵引车13、伞绳收放机构14和安全带切割装置 三个部分；所述伞绳牵引车13安装在塔体顶部横梁2上，是一个在水平方向运行的轨道车结 构；伞绳牵引车13的驱动方式为伺服电机驱动，驱动机构采用齿条和齿轮方式传动，定位方 式为采用电开关、旋转编码器和激光测距的组合认址方式定位；伞绳收放机构14安装在伞绳 牵引车13上，包括三台伺服电机和三条伞绳；其不仅承担着模拟伞降的任务，而且在弹射过 程中起着安全保护的重要作用。伞绳收放机构14采用三台伺服电机驱动，电机控制方式为速 度闭环PI控制，三条伞绳与受训人员身体连接，本实施例中，每条伞绳可承重500kg；安全 带切割装置安装在弹射座椅配备的安全带根部位置，在弹射座椅上升过程中，当弹射座椅的 上升速度达到设定阈值时，立即切断安全带；安全带切割装置设计合理，可满足瞬间切断安 全带的要求，本实施例中，切断时间小于等于0.5s，并能完全避免对受训人员的误伤。在切 断安全带后，伞绳收放机构14向座椅外拉动飞行员以实现人椅分离，随后三台伺服电机执行 放绳动作，直到训练人员落地；所述伞绳收放机构14的收绳速度与弹射座椅的上升速度保持 一致，为跳伞仿真做好准备工作；伞绳牵引车13和伞绳收放机构14均设有极限限制开关， 以防止伞绳牵引车13和伞绳收放机构14超过行程。

所述VR仿真视景系统采用通用的VR头盔显示装置，包括视景显示装置和图像生成装 置两个部分；视景显示装置采用正投实像显示，为飞行员提供连续的高逼真度的显示场景； 图像生成装置采用单通道图像生成系统，能够模拟各种气象条件下，各种飞行状态下多种空、 地、海场景的视觉效果以及多种空、地、海目标及相对运动的动态效果，并根据电气控制系 统4实时输入，对应实时显示相应的视景图像，为飞行员提供三维场景图像。

本实施例中，一种过载可调控的弹射跳器进行弹射跳伞模拟，如图5所示，包括飞行员 弹射仿真模拟和飞行员跳伞仿真模拟两个过程；所述弹射仿真模拟包括垂直弹射系统设备准 备阶段、飞行员弹射出舱仿真阶段和飞行员惯性上升仿真阶段；

所述垂直弹射系统设备准备阶段所有设备进行运行自检，具体包括(1)垂直弹射系统完 成弹射轨道9、弹射电机10、传动带11和弹射座椅定位装置12的设备自检工作；(2)完成 安全保障装置的自检工作，当垂直弹射系统中设备超过设定安全极限时，能自动停止运行并 进行声光报警；(3)VR仿真视景系统开启，完成VR仿真视景显示模块和图像生成模块的自 检工作；(4)全尺寸驾驶舱4完成操纵装置6、电子设备7、电源设备、控制计算机和控制软 件的自检工作；(5)弹射座椅、受训人员就位，受训人员将安全带扣好；(6)在全部自检完 成后，将全尺寸驾驶舱提升至设定的弹射训练位置。

所述飞行员弹射出舱仿真阶段，在飞行员拉出弹射座椅下的弹射拉环后，开始进行弹射 仿真；

弹射过载依据加速度定律确定，从而实现过载可调控的弹射仿真模拟，如式(1)所示：

其中，G为弹射过载值，v_e为期望弹射速度，t_m为电机运转时间，g为重力加速度；

在弹射座椅的上升阶段，安装在弹射轨道9低端的弹射电机10启动，将弹射座椅快速提 升，从而完成弹射出舱的仿真模拟，电机参数与期望弹射速度的关系如式(2)所示：

其中，n为电机转速，l为传送带在电机每转一周时的运动长度，U为电枢电压，I为电 枢电流，R为电枢电路总电阻，K为电机结构参数，

为磁通量；

弹射电机10采用速度闭环控制，使用M法对电机转速进行测量，即根据单位时间获取 的脉冲数测量电机的速度信息，并与设定的目标速度值相比较，从而得出控制偏差，然后通 过比例Kp和积分Ki控制偏差，使偏差趋向于零。

在速度闭环控制中，使用PI控制，控制方法式(3)所示：

Pwm＝Kp[e(k)-e(k-1)]+Ki·e(k) (3)

其中，Pwm表示脉冲宽度调制值，k表示采样周期，e(k)表示当前控制周期的控制偏差，e(k-1)表示上一采样周期的控制偏差。

本发明中，飞行员弹射出舱的弹射过载可以实现自适应仿真，能够根据飞行员对过载值 的耐受程度自由设定弹射过载大小，从而有序化的展开训练。

本实施例中，设定弹射当地的重力加速度g＝9.8m/s²、电机运转时间t_m＝0.3s、电机结 构参数K＝1、磁通量

电枢电路总电阻R＝2Ω、电枢电流I＝6A、传送带在电机 每转一周时的运动长度l＝106.78mm，给定期望过载为3G、5G、7G、9G，得到表1的四种 弹射仿真建模方案：

表1四种弹射仿真建模方案

G	U	Kp	Ki	v<sub>e</sub>
					3	507.6V	400	0.55	8.82m/s
5	838.0V	430	0.45	14.70m/s
					7	1168.4V	470	0.61	20.58m/s
9	1498.8V	500	0.83	26.46m/s

与表1相对应的电机速度闭环PI控制曲线如图6所示；

由表1和图6可知，本发明可以实现过载可调控的弹射仿真模拟。

所述飞行员惯性上升仿真阶段为：

在弹射座椅达到最大弹射速度后，安装在弹射轨道9低端的弹射电机10停止运行，飞行 员和弹射座椅进入惯性上升阶段，此时飞行员和弹射座椅仍被限制在弹射轨道9内；当设定 的最大弹射速度会使弹射座椅在垂直上升时驶过距轨道端头的安全位置时，刹车装置启动， 使弹射座椅减速上升，并在与轨道顶端的缓冲器碰撞前停止。

所述飞行员跳伞仿真模拟运行过程包括弹射与跳伞的模式切换阶段、自由下落及开伞减 速阶段和匀速下落阶段；

本实施例中，弹射与跳伞的模式切换阶段，当弹射座椅的运行速度小于设定阈值0.1m/s 时，即开启弹射与跳伞模拟的模式切换阶段；在模式切换时，第一时间启动安全带切割装置， 在0.5s内切断飞行员与弹射座椅之间连接；安全带脱开后启动伞绳牵引车13和伞绳收放机构 14的伺服电机，此时，弹射电机10快速带动座椅以10m/s的速度下降，伞绳牵引车13以3m/s 的速度带动受训人员向两个塔体顶部横梁2中部运动，在运动4000mm后停下，弹射电机10 和伞绳牵引电机同时启动以避免飞行员与弹射座椅和垂直弹射轨道9发生碰撞，从而安全的 实现人椅分离动作。

所述自由下落及开伞减速阶段：

1)自由下落及开伞减速过程依据跳伞的实际情况完成建模，建立弹射座椅自由下落及开 伞减速过程的微分方程，如式(4)所示：

其中，v为伞降速度，t为伞降时间，Q为降落伞阻力，θ为座椅中心与地坐标系y轴的夹角，m为飞行员和穿戴装备的总质量。

本实施例中，设定θ＝0、g＝9.8m/s²。此外，飞行员在开伞减速后，飞行员的下落速度 不会降低为0，而是会在降落伞阻力和飞行员重力平衡后转为匀速下落，设定匀速下落速度 为5m/s，得到五种伞降仿真建模方案如表2所示：

表2五种伞降仿真建模方案

由表2可知，上述五种伞降仿真建模方案的自由下落及开伞减速的下降距离均未超过伞 降模拟器的总高度(20m)，因此，本发明可以实现不同条件下的伞降仿真模拟。

2)自由下落及开伞减速过程的电机控制方法与弹射出舱仿真阶段相同，均采用速度闭环 PI控制，伞绳收放机构14的三台伺服电机的放绳速度能够预先设置，从而实现自适应的训练 过程。

所述匀速下落阶段：

(1)飞行员在自由下落及开伞减速后至匀速下降阶段后，根据实际开伞高度设定伞绳收 放机构的运行速度，使飞行员受控下降，飞行员在跳伞模拟中与VR仿真模拟同时抵达地面；

(2)飞行员降落指定位置后，断开伞绳与飞行员之间的连接，伞绳牵引车13从塔体中 部返回初始的塔体一侧。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照 前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前 述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而 这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (9)

1.一种过载可调控的弹射跳伞模拟器，其特征在于：包括全尺寸驾驶舱系统、主体支撑结构、垂直弹射系统和伞降模拟系统；所述全尺寸驾驶舱系统采用通用的歼击机驾驶舱舱体，驾驶舱座椅为可活动的弹射座椅，弹射座椅与垂直升降系统和伞降模拟系统相配合，使飞行员在主体支撑结构上实现弹射跳伞模拟。

2.根据权利要求1所述的一种过载可调控的弹射跳伞模拟器，其特征在于：所述主体支撑结构包括垂直升降塔体、塔体顶部横梁和电气控制系统；垂直升降塔体总高度满足弹射跳伞仿真需求，垂直升降塔塔体一侧总宽度能够安装配备弹射座椅的弹射轨道，用于实现受训人员的模拟弹射；塔体顶部横梁装配在两个塔体之间，尺寸满足安装伞绳牵引车，用于实现受训人员的模拟跳伞；电气控制系统配备在主体支撑结构的底部，能够实现对弹射跳伞模拟器中全部的电气设备的集成控制，电气控制系统中配备紧急制动开关，在开关被按下时，全部运行机构将紧急制动停车。

3.根据权利要求2所述的一种过载可调控的弹射跳伞模拟器，其特征在于：所述弹射座椅下方配备一个弹射拉环，当弹射拉环拉出后，弹射座椅能够脱离驾驶舱系统，启动弹射仿真模拟；弹射座椅还配备刹车装置，在弹射座椅的弹射高度超过距轨道端头安全位置时启动。

4.根据权利要求3所述的一种过载可调控的弹射跳伞模拟器，其特征在于：所述垂直弹射系统包括弹射轨道、两个弹射电机、传动带和弹射座椅定位装置四个部分；弹射轨道为平行双轨结构，嵌入式安装在垂直升降塔体内侧，并将弹射座椅安装在弹射轨道上，弹射座椅受弹射电机驱动后可升降地运行在弹射轨道上，弹射轨道两端设有缓冲器，以实现冲顶和墩底的保护；两个弹射电机分别安装在弹射轨道两端，驱动方式为伺服电机驱动，电机控制方式为根据弹射座椅上设置的速度传感器采集的弹射座椅上升速度实现速度闭环PI控制，能够根据载荷和训练过载自适应地调节运行速度；传动带由两条高强度同步带组成，用于连接弹射电机与弹射座椅，实现二者的同步传动；弹射座椅定位装置安装在弹射轨道底部，用于实时定位弹射座椅的上升高度，其定位方式为双激光测距绝对认址。

5.根据权利要求4所述的一种过载可调控的弹射跳伞模拟器，其特征在于：所述伞降模拟系统包括伞绳牵引车、伞绳收放机构和安全带切割装置三个部分；所述伞绳牵引车安装在塔体顶部横梁上，是一个在水平方向运行的轨道车结构；伞绳牵引车的驱动方式为伺服电机驱动，驱动机构采用齿条和齿轮方式传动，定位方式为采用电开关、旋转编码器和激光测距的组合认址方式定位；伞绳收放机构安装在伞绳牵引车上，包括三台伺服电机和三条伞绳；伞绳收放机构采用三台伺服电机驱动，电机控制方式为速度闭环PI控制，三条伞绳与受训人员身体连接；安全带切割装置安装在弹射座椅配备的安全带根部位置，在弹射座椅上升过程中，当弹射座椅的上升速度达到设定阈值时，立即切断安全带；在切断安全带后，伞绳收放机构向座椅外拉动飞行员以实现人椅分离，随后三台伺服电机执行放绳动作，直到训练人员落地；所述伞绳收放机构的收绳速度与弹射座椅的上升速度保持一致，为跳伞仿真做好准备工作；伞绳牵引车和伞绳收放机构均设有极限限制开关，以防止伞绳牵引车和伞绳收放机构超过行程。

6.根据权利要求2-5任一项所述的一种过载可调控的弹射跳伞模拟器，其特征在于：所述弹射跳伞模拟器还包括VR仿真视景系统，所述VR仿真视景系统采用通用的VR头盔显示装置，包括视景显示装置和图像生成装置两个部分；视景显示装置采用正投实像显示，为飞行员提供连续的显示场景；图像生成装置采用单通道图像生成系统，能够模拟各种气象条件下，各种飞行状态下多种空、地、海场景的视觉效果以及多种空、地、海目标及相对运动的动态效果，并根据电气控制系统实时输入，对应实时显示相应的视景图像，为飞行员提供三维场景图像。

7.根据权利要求2所述的一种过载可调控的弹射跳伞模拟器，其特征在于：所述模拟器还在垂直升降塔体设定范围内还设置光电探物监测装置，将监测的视频图像传输到电气控制系统；电气控制系统判断塔体周围环境是否有异常，在异常情况发生时停止伞降模拟系统运行，防止危险情况发生。

8.根据权利要求2所述的一种过载可调控的弹射跳伞模拟器，其特征在于：所述主体支撑结构还包括设置在主体支撑结构上的安全保障装置，保障受训人员的生命健康安全。

9.根据权利要求5所述的一种过载可调控的弹射跳伞模拟器，其特征在于：所述弹射跳伞模拟器进行弹射跳伞模拟，包括飞行员弹射仿真模拟和飞行员跳伞仿真模拟两个过程；所述弹射仿真模拟包括垂直弹射系统设备准备阶段、飞行员弹射出舱仿真阶段和飞行员惯性上升仿真阶段；

所述垂直弹射系统设备准备阶段所有设备进行运行自检；

所述飞行员弹射出舱仿真阶段，在飞行员拉出弹射座椅下的弹射拉环后，开始进行弹射仿真；

弹射过载依据加速度定律确定，从而实现过载可调控的弹射仿真模拟，如式(1)所示：

其中，G为弹射过载值，v_e为期望弹射速度，t_m为电机运转时间，g为重力加速度；

在弹射座椅的上升阶段，安装在弹射轨道两端的弹射电机启动，将弹射座椅快速提升，从而完成弹射出舱的仿真模拟，电机参数与期望弹射速度的关系如式(2)所示：

其中，n为电机转速，l为传送带在电机每转一周时的运动长度，U为电枢电压，I为电枢电流，R为电枢电路总电阻，K为电机结构参数，

为磁通量；

弹射电机采用速度闭环控制，使用M法对电机转速进行测量，即根据单位时间获取的脉冲数测量电机的速度信息，并与设定的目标速度值相比较，从而得出速度偏差，然后通过比例Kp和积分Ki控制电机电压，使速度偏差趋向于零；

在速度闭环控制中，使用PI控制，控制方法式(3)所示：

Pwm＝Kp*e(k)+Ki·∑e(k) (3)

其中，Pwm表示脉冲宽度调制值，k表示采样周期，e(k)表示当前控制周期的控制偏差，e(k-1)表示上一采样周期的控制偏差；

所述飞行员惯性上升仿真阶段为：

在弹射座椅达到最大弹射速度后，安装在弹射轨道低端的弹射电机停止运行，飞行员和弹射座椅进入惯性上升阶段，此时飞行员和弹射座椅仍被限制在弹射轨道内；当设定的最大弹射速度会使弹射座椅在垂直上升时驶过距轨道端头的安全位置时，刹车装置启动，使弹射座椅减速上升，并在与轨道顶端的缓冲器碰撞前停止；

所述飞行员跳伞仿真模拟运行过程包括弹射与跳伞的模式切换阶段、自由下落及开伞减速阶段和匀速下落阶段；

所述弹射与跳伞的模式切换阶段，当弹射座椅的运行速度小于设定阈值时，即开启弹射与跳伞模拟的模式切换阶段；在模式切换时，第一时间启动安全带切割装置，切断飞行员与弹射座椅之间连接；安全带脱开后启动伞绳牵引车和伞绳收放机构的伺服电机，此时，弹射电机快速带动座椅下降，伞绳牵引车带动受训人员向两个塔体顶部横梁中部运动，弹射电机和伞绳牵引电机同时启动以避免飞行员与弹射座椅和垂直弹射轨道发生碰撞，从而安全的实现人椅分离动作；

所述自由下落及开伞减速阶段：

1)自由下落及开伞减速过程依据跳伞的实际情况完成建模，建立弹射座椅自由下落及开伞减速过程的微分方程，如式(4)所示：

其中，v为伞降速度，t为伞降时间，Q为降落伞阻力，θ为座椅中心与地坐标系y轴的夹角，m为飞行员和穿戴装备的总质量；

2)自由下落及开伞减速过程的电机控制方法与弹射出舱仿真阶段相同，均采用速度闭环PID控制，伞绳收放机构的三台伺服电机的放绳速度能够预先设置，从而实现自适应的训练过程；

所述匀速下落阶段：

(1)飞行员在自由下落及开伞减速后至匀速下降阶段后，根据实际开伞高度设定伞绳收放机构的运行速度，使飞行员受控下降，飞行员在跳伞模拟中与VR仿真模拟同时抵达地面；

(2)飞行员降落指定位置后，断开伞绳与飞行员之间的连接，伞绳牵引车从塔体中部返回初始的塔体一侧。

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