一种低速风洞模型飞行实验地面模拟训练系统

摘要

本发明公开了一种低速风洞模型飞行实验地面模拟训练系统，包括综合控制台、飞行操纵台、计算机实时解算系统、视景系统和音响系统，所述综合控制台和视景系统均连接至以太网，所述以太网连接有飞行操纵台和实时解算系统，所述实时解算系统为通过反射内存网互联的多处理器分布式实时计算系统，所述视景系统连接所述音响系统。本发明所提出的模拟训练系统可以逼真地模拟模型在低速风洞试验段内六自由度无约束飞行的实验场景，解决多个飞行员同时进行协同操纵训练问题。

说明书

技术领域

本发明属于飞行模拟领域，特别是涉及一种低速风洞模型飞行实验地面模拟训练系统。

背景技术

在大型低速风洞模型飞行实验中，模型飞机的操控和响应具有以下几个特点：（1）由于使用动力相似缩比模型，与全尺寸真机飞行相比，实验时模型动力学响应速度与真机相比大大加快；（2）在风洞实验段内进行六自由度飞行，极其有限的运动空间要求飞行员能迅速控制模型的位置；（3）由于飞行员位于测控间通过远程控制模型的运动，缺乏对飞机运动加速度的感知，这在一定程度上加剧了飞行员反应迟滞；（4）飞行员不仅要控制模型的运动，还要对不同控制律结构和参数下的稳定性和操纵性进行评估。

这些因素要求飞行员要有极快的反应速度，大大增加了飞行操纵难度。尽管飞行操纵任务被分解成俯仰操纵、偏航/滚转操纵和推力操纵等3个部分，由3名飞行员协作完成可以减小飞行操控的负担，仍然面临3人之间的操控协调问题，具有极大挑战。

因此，在开展风洞模型飞行实验前，必须进行充分的飞行员训练。当前，这种模型飞行实验中，由于模型飞行操控特性与真飞机差距巨大，一般不能使用专业的飞行员，而是用航模飞机的飞行操纵员完成操控任务。而针对这类飞行操纵员的训练，一般使用航模在空中开展飞行操纵训练，这种方法不仅风险高，成本高，准备时间长，而且操纵环境、操纵感觉与风洞模型飞行实验场景并不一致，航模的操控与响应特性与待开展实验用的模型响应也不一致，无法实现逼真地训练；而目前一般的飞行模拟器，均为单个飞行员驾驶的模拟器，无法实现3名飞行员的协调操纵训练，而且，视景显示也为单个视角，无法模拟风洞模型飞行试验时不同飞行员所看到的不同视角。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种低速风洞模型飞行实验地面模拟训练系统，可以逼真地模拟模型在低速风洞试验段内六自由度无约束飞行的实验场景，解决多个飞行员同时进行协同操纵训练问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种低速风洞模型飞行实验地面模拟训练系统，包括综合控制台、飞行操纵台、计算机实时解算系统、视景系统和音响系统，所述综合控制台和视景系统均连接至以太网，所述以太网连接有飞行操纵台和实时解算系统，所述实时解算系统为通过反射内存网互联的多处理器分布式实时计算系统，所述视景系统连接所述音响系统；

所述综合控制台，是地面模拟训练系统的运行控制中心，主要用于设置系统的初始状态、工作过程控制与监视以及数据记录和回放，在系统中拥有最高控制权限；

所述飞行操纵台，是地面模拟训练系统的输入设备，用于进行飞机运行的人机交互控制，包括至少一个操纵台；

所述实时解算系统，是地面模拟训练系统的核心设备，是飞行控制律、飞机数学模型开发和运行的平台，主要用于完成操纵控制信号接收、飞机控制律及飞机数学模型解算、系统控制和显示驱动；

所述视景系统，是地面模拟训练系统的显示输出设备，处理由实时解算系统和综合控制台提供的视景环境数据并生成指定视点或指定视场范围内的实时视景图像，可同时显示不同视角的风洞场景；

所述音响系统，是地面模拟训练系统的音频输出设备，实时模拟飞机的各种声音效果。

进一步的是，所述飞行操纵台包括俯仰操纵台、滚转偏航操纵台和推力操纵台。

进一步的是，所述俯仰操纵台包括俯仰显示面板、俯仰驾驶杆和俯仰操作旋钮；所述俯仰显示面板进行控制指令、迎角和俯仰角速度曲线以及仪表的实时显示；所述俯仰驾驶杆和俯仰操作旋钮用于对飞机进行俯仰控制；所述俯仰操纵台供俯仰操纵员使用，用于进行飞机纵向人机交互控制。

进一步的是，所述偏航滚转操纵台包括偏航滚转显示面板、偏航滚转驾驶杆和配平旋钮；所述偏航滚转显示面板主要用于显示反映飞机横向姿态的信息；所述偏航滚转驾驶杆和配平旋钮用于对飞机进行偏航滚转控制；偏航滚转操纵台供滚转偏航操纵员使用，用于进行飞机横向人机交互控制。

进一步的是，所述推力操纵台包括推力显示面板、油门杆和推力控制模式切换开关；所述推力显示面板主要用于显示风速和推力；所述油门杆和推力控制模式切换开关用于对飞机进行推力操纵；推力操纵台供推力操纵员使用，用于进行推力人机交互控制。

进一步的是，所述实时解算系统包括飞控计算机和飞行仿真机，实时解算系统为多处理器的分布式计算结构，通过反射内存网互联；所述飞控计算机包括上位机和目标机，所述上位机作为设计开发平台实现人机交互，所述目标机用于运行实时代码，所述实时解算系统采用计算机仿真技术。

进一步的是，所述视景系统包括图形工作站、融合控制器、投影机和半圆柱幕，所述图形工作站接收实时解算系统和综合控制台提供的视景驱动数据，实时生成指定视角的图像，将生成的图像发送至融合控制器，由融合控制器对生成的图像进行分配并由投影机将画面显示在半圆柱幕上；所述视景系统利用虚拟现实技术；

其中，所述半圆柱幕划分成3个部分，所述3个部分分别显示不同视角的风洞场景，其中俯仰操纵员和推力操纵员面对的是侧视图，滚转偏航操纵员面对的是后视图，与风洞实验现场飞行员能感受到的视觉效果完全一致。

进一步的是，在所述风洞场景中标识了安全飞行区域。

进一步的是，所述音响系统包括功放、音箱和音源设备，所述功放接收所述图形工作站和音源设备发送的数据，所述数据经功放处理后发送至音箱，由音箱发出声音；

其中，所述飞机的各种声音效果包括飞机发动机运转时的噪声、飞机收放起落架的声音、机载设备工作声以及报警声。

进一步的是，所述地面模拟训练系统还包括无线对讲系统，以保证各个操纵人员之间进行实时通话。

采用本技术方案的有益效果：

本发明利用虚拟现实和计算机仿真技术，开展地面模拟飞行训练，与大气航模飞行训练相比，训练风险低，不存在坠机、损坏模型等潜在风险；训练成本低，效率高，可以开展长时间飞行训练；实验不受天气影响；

本发明与一般飞行模拟器相比，可以开展多个飞行员同时进行协同操纵飞行训练；场景更加逼真，完全模拟风洞实验现场的视觉、听觉和操纵感；

本发明采用半圆柱幕并对半圆柱幕划分区域，实现多视角同步显示方案，逼真模拟了不同飞行员的真实视角，具有高逼真度和视觉沉浸感；

本发明采用硬件和软件均为模块化的方式，增加了训练系统的通用性，可用于开展不同型号飞机的飞行模拟训练，具有重要而广泛的工程应用价值。

附图说明

图1为本发明的一种低速风洞模型飞行实验地面模拟训练系统的结构示意简图；

图2为本发明的实施例中一种低速风洞模型飞行实验地面模拟训练系统的结构布局图；

图3为本发明实施例中视景系统的结构示意图；

图4为本发明实施例中半圆柱幕的示意图；

图5为本发明实施例中模型训练结果和真实实验结果对比图；

其中，1是综合控制台，2是俯仰操纵台、3是滚转偏航操纵台，4是推力操纵台，5是半圆柱幕，6是音箱，7是投影机，8是安全飞行区域。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。

在本实施例中，参见图1和图2所示，一种低速风洞模型飞行实验地面模拟训练系统，包括综合控制台1、飞行操纵台、计算机实时解算系统、视景系统和音响系统，所述综合控制台1和视景系统均连接至以太网，所述以太网连接有飞行操纵台和实时解算系统，所述实时解算系统为通过反射内存网互联的多处理器分布式实时计算系统，所述视景系统连接所述音响系统。

1.所述综合控制台1，是地面模拟训练系统的运行控制中心，主要用于设置系统的初始状态、工作过程控制与监视以及数据记录和回放，在系统中拥有最高控制权限。

1.1设置系统初始状态包括：整机的初始化设置、模拟器工作方式切换全数字仿真/半实物仿真、飞机初始位置等参数设置、气象条件设置、视景和座舱仪表子系统显示设置等。

1.2工作过程控制与监视包括：开始/停止，可以方便的控制模拟器的运行与停止；重新设置，把模拟器返回某一设置状态；系统冻结/解冻，以进行仿真的中断和继续等；监视信息包括系统状态与配置情况、飞行控制与响应情况、任意视点观察成像等。

1.3实现数据的记录与回放：记录飞行操纵、飞机姿态与轨迹等信息，并实现视景及相关曲线的重放。

综合控制台1具备操纵信号校准功能，可以定期对驾驶杆、油门杆等操纵信号进行校准。

2.所述飞行操纵台，是地面模拟训练系统的输入设备，用于进行飞机运行的人机交互控制，包括至少一个操纵台。

所述飞行操纵台包括俯仰操纵台2、滚转偏航操纵台3和推力操纵台4。

2.1所述俯仰操纵台2包括俯仰显示面板、俯仰驾驶杆和俯仰操作旋钮；所述俯仰显示面板进行控制指令、迎角和俯仰角速度曲线以及仪表的实时显示；所述俯仰驾驶杆和俯仰操作旋钮用于对飞机进行俯仰控制；所述俯仰操纵台2供俯仰操纵员使用，用于进行飞机纵向人机交互控制。

2.2所述偏航滚转操纵台包括偏航滚转显示面板、偏航滚转驾驶杆和配平旋钮；所述偏航滚转显示面板主要用于显示反映飞机横向姿态的信息；所述偏航滚转驾驶杆和配平旋钮用于对飞机进行偏航滚转控制；偏航滚转操纵台供滚转偏航操纵员使用，用于进行飞机横向人机交互控制。

2.3所述推力操纵台4包括推力显示面板、油门杆和推力控制模式切换开关；所述推力显示面板主要用于显示风速和推力；所述油门杆和推力控制模式切换开关用于对飞机进行推力操纵；推力操纵台4供推力操纵员使用，用于进行推力人机交互控制。

3.所述实时解算系统，是地面模拟训练系统的核心设备，是飞行控制律、飞机数学模型开发和运行的平台，利用了计算机仿真计算技术；主要用于完成操纵控制信号接收、飞行控制律及飞机数学模型解算、系统控制和显示驱动。

所述实时解算系统具备以太网、光纤反射内存网、串口、A/D和D/A等接口。

所述实时解算系统包括飞控计算机和飞行仿真机；所述飞控计算机包括上位机和目标机，所述上位机作为设计开发平台实现人机交互，所述目标机用于运行实时代码。

实时解算系统充分利用Matlab提供的实时开发环境RTW(Real-TimeWorkshop)的自动代码生成功能；结构上采取“上位机-目标机”模式：上位机即普通PC机，作为设计开发平台实现人机交互；目标机即基于Vxworks的实时软硬件系统，运行实时代码。本系统采用该快速控制原型思路，实现了与设计环境simulink的无缝衔接。

4.所述视景系统，如图3所示，是地面模拟训练系统的显示输出设备，处理由实时解算系统和综合控制台1提供的视景驱动数据并生成指定视点或指定视场范围内的实时视景图像，可同时显示不同视角的风洞场景。

视景系统充分利用虚拟现实技术，采用VegaPrime开发，根据飞行仿真机及综合控制台1提供的飞机姿态、位置、舵偏角度以及环境参数、眼点位置等信息，处理视景环境数据，生成逼真、稳定、实时的指定视点、指定视场范围内的视景图像。

所述视景系统包括图形工作站、融合控制器、投影机7和半圆柱幕5，所述图形工作站接收实时解算系统和综合控制台1提供的视景驱动数据，实时生成指定视角的图像，将生成的图像发送至融合控制器，由融合控制器对图像进行分配并由投影机7将画面显示在半圆柱幕5上。

其中，如图4所示，所述半圆柱幕5划分成3个部分，所述3个部分分别显示不同视角的风洞场景，其中俯仰操纵员和推力操纵员面对的是侧视图，滚转偏航操纵员面对的是后视图，与风洞实验现场飞行员能感受到的视觉效果完全一致。

优选的是，在所述风洞场景中标识了安全飞行区域8。

视景系统可方便地替换视景中的飞机模型，能够根据舵面偏转角数据实时模拟各个舵面偏转情况；具有碰撞检测能力，当检测出本机与在视景环境重点任何地势碰撞时，应向飞行仿真软件提供毁机标记信号，视景图像过渡到机毁画面。

5.所述音响系统，如图3所示，是地面模拟训练系统的音频输出设备,用来实时模拟飞机的各种声音效果。

所述音响系统包括功放、音箱6和音源设备，所述功放接收所述图形工作站和音源设备发送的数据，所述数据经功放处理后发送至音箱6，由音箱6发出声音。

所述飞机的各种声音效果包括飞机发动机运转时的噪声、飞机收放起落架的声音、机载设备工作声以及报警声。风洞场景时，专门录制了不同风速时的风洞声音，真实模拟风洞起风声音。

6.所述地面模拟训练系统还包括无线对讲系统，以保证各操纵人员之间进行实时通话。

本发明的一种低速风洞模型飞行实验地面模拟训练系统具体实施方式：利用本发明的系统开展风洞模型飞行实验地面模拟训练时，将实验所用的飞行控制律加载到实时解算系统的飞控计算机中，实验所用飞机的六自由度飞行仿真数学模型加载到实时解算系统的飞行仿真机中，飞机的三维外形模型加载到视景系统软件中，即可开展相应的飞行操纵员协同训练，训练过程快速且安全，并可以开展长时间的飞行训练。

本发明的实施结果，如图5所示，开展风洞模型飞行实验前，利用该地面飞行模拟训练系统进行了充分的飞行员协同训练，后续开展完成风洞模型飞行实验后，三个飞行员反映，在模拟训练系统上操纵和真实风洞实验中的操纵方法、操纵感觉、视觉感觉相当一致。模拟飞行和真实飞行实验时的操纵与响应曲线对比如图5所示。可见，在该实施例中，两者吻合良好，说明相关建模是准确的，利用飞行模拟训练平台开展预先研究是可行和有效的，对做好风洞飞行试验具有重要指导意义，确保了飞行实验的成功。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本实发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。