一种基于真实地形模拟的跳伞着陆训练系统及方法

摘要

本发明公开了一种基于真实地形模拟的跳伞着陆训练系统及方法，采用先进的伞降仿真、虚拟现实和真实地形模拟等技术，构建了更加贴近跳伞实际的跳伞着陆训练模拟系统，解决了着陆训练难题；训练系统解决了升空跳伞训练受飞机保障和天气影响的问题，利用地面装置模拟跳伞空中和着陆场景，能够有效缩短了训练周期，降低了训练消耗和安全风险，训练效益显著；训练系统将原有地面训练方式中相互割裂的着陆点判断、降落伞操纵和着陆缓冲动作训练融合成为一个整体，能够更加贴近升空跳伞实际，有效提高跳伞员训练水平，降低跳伞紧张心理。

说明书

技术领域

本发明属于跳伞模拟训练方法与技术领域，具体涉及一种基于真实地形模拟的跳伞着陆训练系统及方法。

背景技术

跳伞训练可分为离机、空中操纵和着陆三个环节，其中着陆是跳伞训练的最后一个环节，也是对人体造成害，损伤率极高的一个环节。跳伞着陆训练主要通过地面训练进行，着陆动作地面训练是跳伞员模拟从空中降落到地面瞬间缓解由于运动速度骤然消失对人体产生的着陆冲击力而采取的一系列动作训练。传统的跳固定平台练习只能练习保持正确的着陆姿势，锻炼腿部力量和着陆缓冲。吊环训练模拟也仅局限于一个正面向前的跳伞着陆姿势，与跳伞员在不同气象条件下，人伞运动方向与风向带有夹角的复杂地形跳伞存在着较大的差异。所以传统着陆训练方式还存在着较大的局限性，缺少能够逼真模拟各种复杂条件下跳伞着陆环境的训练器材和训练方法，导致真实跳伞时容易出现心理失控、动作变形的情况，影响跳伞安全。特别对于新跳伞员，如何通过训练克服跳伞的紧张感，寻求一种逼真、高效、安全的训练与检查手段，实现跳伞员正确的选择着陆点，保持正确的着陆姿势和动作，确保训练安全是目前空降跳伞训练急需解决的问题。为有效解决上述问题，需要在地面训练与实跳之间引入模拟训练环节，研究伞兵着陆训练模拟技术，提供沉浸式的训练环境，克服真实跳伞着陆时的紧张感，提供伞兵着陆训练考核、评估与校正的手段，提高训练效果与安全性。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于真实地形模拟的跳伞着陆训练系统及方法，能够有效衔接地面训练与空中实跳两种训练方式，为开展跳伞技能和心理训练营造一个安全、逼真、有极高实用意义的虚拟跳伞着陆训练系统。

一种基于真实地形模拟的跳伞着陆训练系统，包括：训练准备平台、空气流仿真风机、支撑立柱、工字型支撑导轨、直线运动机构、旋转运动机构、背带卷扬机构、着陆地形仿真平台、主控制台以及虚拟现实设备；

所述支撑立柱有两个，相隔一段距离平行放置；所述工字型支撑导轨为两条，平行安装在两个支撑立柱之上；训练准备平台位于其中一个支撑立柱的内侧；

所述直线运动机构包括直线运动支撑平台、导向小车、直线运动用伺服系统、第一主动齿轮以及导向齿条；所述直线运动支撑平台通过四个导向小车安装在工字型支撑导轨上，可沿工字型支撑导轨滑动；所述导向齿条沿工字型支撑导轨固定安装，所述第一主动齿轮固定安装在所述直线运动支撑平台上，与所述导向齿条啮合，并由所述直线运动用伺服系统驱动，进而带动直线运动支撑平台沿工字型支撑导轨运动；

所述旋转运动机构包括旋转主轴、旋转运动支撑平台、旋转运动用伺服系统、第二主动齿轮以及从动齿轮；所述旋转主轴上端通过轴承安装在直线运动支撑平台上，旋转主轴的下端固定连接所述旋转运动支撑平台，旋转运动支撑平台上端连接从动齿轮，第二主动齿轮安装在直线运动支撑平台上，并与从动齿轮啮合，由旋转运动用伺服系统驱动，从而带动从动齿轮以及旋转运动支撑平台转动；

所述背带卷扬机构包括背带系统、背带卷扬用伺服系统、卷扬轮以及拉绳位移传感器；所述背带系统由实际降落伞拆除伞包的背带系统改造而成，背带系统的四根背带上端分别固定在四个卷扬轮上，四个卷扬轮分别由背带卷扬用伺服系统驱动，进而带动背带的放长或缩回；所述背带系统中的拉绳上设置所述拉绳位移传感器，用于采集跳伞员对拉绳的操纵量；

所述着陆地形仿真平台包括可变形胶质着陆地面、电动伸缩缸及驱动器；通过驱动器调节各伸缩缸的高度使可变形胶质着陆地面组成各种地形起伏，供跳伞员进行不同地形下的着陆训练；

所述空气流仿真风机安放于训练准备平台地面的四周，在训练装置中心处形成跳伞训练所需的风场；

所述主控制台：通过控制直线运动用伺服系统进而控制直线运动支撑平台的运动行程和运动速度；

通过控制旋转运动用伺服系统对旋转运动平台的回转运动方向、运动角度与角速度进行控制；

通过背带卷扬用伺服系统控制卷扬轮对四根背带的伸张、收缩量及其速度进行控制；

用于采集拉绳位移传感器的实时数据；

用于建立伞降运动仿真模型，响应拉绳位移传感器的实时数据，实时模拟着陆阶段降落伞的运动状态；

用于根据模拟的着陆阶段降落伞运动状态，对跳伞地域的真实地形场景进行模拟，得到跳伞三维模拟场景；

根据跳伞训练时所需的风场要求，控制空气流仿真风机进行吹风；

所述虚拟现实设备用于在跳伞员眼前呈现所述主控台生成的跳伞三维模拟场景。

一种基于真实地形模拟的跳伞着陆训练仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)所述主控制台基于跳伞训练真实的地理信息数据，生成跳伞三维模拟场景；

(2)虚拟现实设备在跳伞员眼前呈现所述主控台生成的跳伞三维模拟场景；

(3)主控制台通过拉绳位移传感器采集跳伞员对降落伞的操纵量；

(4)主控制台建立伞降运动仿真模型，响应跳伞员对降落伞的操纵量，实时模拟着陆阶段降落伞的运动状态，根据降落伞的运动状态，实时更新跳伞三维模拟场景，并通过虚拟现实设备在跳伞员眼前实时呈现跳伞三维模拟场景；(5)主控制台利用直线运动机构模拟人伞系统着陆前的水平运动速度；

(6)主控制台利用旋转运动平台模拟着陆前跳伞员朝向与水平运动方向的夹角；

(7)即将着陆时，主控制台控制背带卷扬用伺服系统将降落伞背带放长，跳伞员以水平速度做平抛运动，利用跳伞员与模拟地面之间高度差形成的下落速度模拟着陆速度；

(8)主控制台通过控制着陆地形仿真平台中的各个伸缩缸，模拟着陆点位置地形坡度和地面起伏；

(9)主控制台通过控制空气流仿真风机，模拟着陆时的地面风速和风向；

(10)跳伞员在所述着陆地形仿真平台上着陆，完成跳伞训练过程。

进一步的，所述伞降运动模拟方法具体包括：

步骤A401：遵循JSBSim模型标准，确定伞降运动仿真模型要素：

步骤A402：人伞系统受力分析：

(1)降落伞阻力分析：

在风轴系中，阻力方向与风轴方向一致，阻力大小Q为：

其中ρ为空气密度；C为阻力系数；A为伞衣展开面积，V表示降落伞速度；

(2)操纵降落伞打开排气口时的受力分析：

推力F_T和旋转力矩M_Z的大小均与排气口打开面积的大小成正比，推力F_T和旋转力矩M_Z分别对应的比例系数K_T和K_Z通过实际跳伞实验或模型风动实验得到，分别确定了比例系数后，推力F_T和旋转力矩M_Z按下式计算：

F_T＝K_T×A_P

M_Z＝K_Z×A_P

其中，A_P为降落伞排气口面积，根据跳伞员对降落伞操纵量确定，即由拉绳位移传感器的读数确定；

(3)降落伞以纵轴旋转时的空气阻力力矩M_Q：

M_Q的大小与空气密度和旋转速度的平方成正比，按下式计算：

其中，为降落伞绕纵轴旋转角速度，C_Q为旋转阻力力矩系数，特定伞型的旋转阻力力矩系数可通过实验测定；

步骤A403：根据步骤A402中的结果，利用JSBSim计算人伞系统运动情况，并得到每个仿真步长计算完成后的输出计算结果，作为下一个仿真步长的输入，直到仿真结束；其中，输出的计算结果包括以下参数：位置坐标，即经纬高；真高；运动速度矢量(V_N,V_E,V_z)，其中V_N为水平速度正北方向分量，V_E为水平速度正东方向分量，V_z为垂直下降速度；人伞系统的水平运动速度风向与人伞系统水平速度方向的夹角以及风速的大小。

进一步的，所述水平运动速度的模拟方法包括如下步骤：

步骤A501：根据跳伞训练规律和降落伞的运动特性，同时考虑确保模拟训练的安全，确定直线运动机构最大水平速度V_max＝5m/s；

步骤A502：令直线运动机构的加速度恒定为a，则为达到最大速度的行程为：

步骤A503：着陆水平运动速度确定的时机：

假设伞降运动仿真中跳伞员的垂直下降速度为V_z，当伞降运动仿真中跳伞员高度H_z首次满足条件H_z＝8V_z时，认为达到确定着陆速度的时机；选定此时的(V_x,V_z)为着陆速度。

步骤A504：直线运动机构运动策略，具体为：

训练开始后，直线运动机构在起始位置开始运动，并在每个伞降运动仿真步长结束后，执行以下过程：

计算着陆时间：

判断着陆时间t_L是否大于8秒：

如果t_L＞8秒，计算直线运动机构从静止开始，以固定加速度a加速至水平速度V_x，其后保持V_x匀速运动至预设的着陆点，则8秒钟时间能够运动的距离为：

比较d_s与步骤A502中d的大小，分别考虑两种情况：

(1)当d_s＜d时，表明直线运动机构从起始位置开始，8秒钟内无法运动到预定的着陆点；则控制直线运动机构提前运动到A'点，A'与起始位置的距离为d-d_s；

(2)当d_s≥d时，说明直线运动机构可以在8秒钟内运动到预定的着陆点；此时，控制直线运动机构停留在起始位置；

如果t_L≤8，表明跳伞员即将着陆，控制伞降仿真过程不再改变水平速度和下降速度，同时，计算直线运动机构从当前位置开始，以最大运动速度V_x运动到预定的预设的着陆点所需的时间t_h；

如果t_h≥t_L，则立即启动直线运动机构的着陆运动过程，即以固定加速度a加速至V_x，其后保持V_x匀速运动至预定的着陆点；

如果t_h＜t_L，直线运动机构位置当前保持不变，完成本次计算过程；返回到本步骤起始位置，进入下一个仿真步长；如此循环，直至满足t_h≥t_L条件。

进一步的，所述下降速度的模拟方法为：

计算着陆时间：其中，H_z为跳伞员高度，V_z为跳伞员的垂直下降速度；

步骤A505、确定跳伞员脚底至模拟地面的高度差H：

跳伞员脚底至模拟地面的高度差H对应的垂直下降速度为应使得V_ZL＝V_z，V_z是伞降运动仿真确定的着陆前8秒的垂直下降速度，从而计算出在训练装置中跳伞员脚底至模拟地面的高度差为H的大小；

步骤A506、确定背带卷扬机构放长伞带的时机：

在实际训练装置中，高度H对应的自由落体时间为由此确定背带卷扬机构放长伞带的时机为伞降运动仿真中着陆前t_ZL时间；在着陆前t_ZL时间点上放长背带，跳伞员下降并着陆。

进一步的，着陆位置地形的模拟方法为：

步骤A601：伞降运动仿真中，着陆前8秒时间内，从跳伞员脚底位置开始沿当前运动速度方向做一条射线，射线与三维场景中的地表曲面的交点P_L作为当前时刻的着陆预测点；

以着陆点P_L为中心，在以水平面内水平速度方向和垂直于水平速度方向建立平面直角坐标系，水平速度方向为Y轴正向，垂直于水平速度方向为X轴正向；

在上述平面直角坐标系中，以两组直线：

共2n条直线组成网格，其中，n表示着陆地形仿真平台中的电动缸阵列的行数和列数；L为着陆地形仿真平台中电动缸之间的间距；网格交点的集合记为P＝{P_ij}，P_ij坐标为

通过所述跳伞训练真实的地理信息数据查询每个P_ij点对于地面的高程，记为A_ij，计算每个A_ij与P_L点高程的差值，记为ΔA_ij，以ΔH+ΔA_ij作为电动缸的伸缩量，如果ΔH+ΔA_ij超过电动缸的最大伸缩量，则取最大伸缩量为电动缸的伸缩量。

较佳的，所述空气流仿真风机系统包括8台转速可调风机；风机在训练装置中心处形成的最大风速不小于5m/s。

本发明具有如下有益效果：

(1)本发明的训练系统针对传统的地面训练方法的不足，采用先进的伞降仿真、虚拟现实和真实地形模拟等技术，构建了更加贴近跳伞实际的跳伞着陆训练模拟系统，解决了着陆训练难题。

(2)本发明的训练系统解决了升空跳伞训练受飞机保障和天气影响的问题，利用地面装置模拟跳伞空中和着陆场景，能够有效缩短了训练周期，降低了训练消耗和安全风险，训练效益显著。

(3)本发明的训练系统将原有地面训练方式中相互割裂的着陆点判断、降落伞操纵和着陆缓冲动作训练融合成为一个整体，能够更加贴近升空跳伞实际，有效提高跳伞员训练水平，降低跳伞紧张心理。

附图说明

图1硬件装置组成及结构；

图2风机布局示意图(俯视图)；

图3各运动机构局部放大图；

图4着陆地形仿真平台6及电动缸；

图5视景仿真场景结构；

图6虚拟现实相机设置示意图；

图7虚拟现实视景渲染效果图；

图8打开降落伞排气口对降落伞受力的影响；

图9伞降仿真模拟示意图；

图10水平运动示意图；

图11着陆点及周边区域高程查询示意图；

其中，1-直线运动机构，11-直线运动支撑平台，12-直线运动用伺服系统，13-导向齿条，14-第一主动齿轮，15-导向小车，2-训练准备平台，3-跳伞员，4-旋转运动机构，41-旋转运动用伺服系统，42-第二主动齿轮，43-从动齿轮，44-旋转运动支撑平台，45-旋转主轴，5-工字型支撑导轨，6-着陆地形仿真平台，61-着陆面，62-伸缩缸，7-支撑立柱，8-主控制台，9-背带卷扬机构，91-背带，92-卷扬轮，93-背带卷扬用伺服系统，10-空气流仿真风机。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明运用虚拟现实仿真技术、姿态识别技术和环境特效模拟技术，形成具有跳伞着陆动作、着陆操纵、动作评估等功能的伞兵着陆训练模拟平台，主要解决地面着陆训练手段单一，无法模拟各种复杂气象和地形条件的问题，能够有效衔接地面训练与空中实跳两种训练方式，为开展跳伞技能和心理训练营造一个安全、逼真、有极高实用意义的虚拟跳伞着陆训练系统。

一、硬件装置组成及结构

硬件装置安装在训练室内，如图1所示，包括：训练准备平台2、空气流仿真风机10、支撑立柱7、工字型支撑导轨5、直线运动机构1(包括直线运动支撑平台11、支撑与导向小车15、直线运动用伺服系统12、主动齿轮、导向齿条13)、旋转运动机构4(包括旋转主轴45、旋转运动支撑平台44、旋转运动用伺服系统、主动齿轮、从动齿轮43和四个拉绳位移传感器)、背带卷扬机构9(包括背带系统、背带卷扬用伺服系统93、卷扬轮92)、着陆地形仿真平台6(包括可变形胶质着陆地面、电动伸缩缸62及驱动器)、主控制台8(包括计算机(安装训练控制软件)、显示设备)、虚拟现实设备(虚拟现实眼镜和立体声耳机)十部分组成。

所述训练准备平台2为用砖混结构在室内地面两头砌成的高2米的平台，整个地面长15米、宽4米。

所述空气流仿真风机10由8台转速可调风机及风机支撑架所组成，如图2 所示，风机在训练装置中心处形成的最大风速不小于5m/s，8台分别安放于训练准备平台2地面的四周。

所述支撑立柱7为固定于地面的钢结构立柱，从地面起算高度为4.5米，截面尺寸为：长200mm，宽100mm。

所述工字型支撑导轨5为带导向功能的工字型导轨，长15米，采用螺纹连接的方式安装于支撑立柱7的上平面.

所述直线运动机构1由直线运动支撑平台11、导向小车15、直线运动用伺服系统12、主动齿轮、导向齿条13等部分组成，如图3所示，其中直线运动支撑平台11通过导向小车15与工字型导轨上，由直线运动用伺服系统12驱动主动齿轮与导向齿条13啮合，带动导向小车15沿工字型导轨作直线往复运动，运动行程和运动速度由主控计算机的运动程序对直线运动用伺服系统12进行控制。

所述旋转运动机构4由旋转主轴45、旋转运动支撑平台44、旋转运动用伺服系统、主动齿轮、从动齿轮43等部分组成，如图3所示，其中旋转运动支撑平台44通过旋转主轴45与直线运动机构1相连接，由安装于直线运动机构1上的旋转运动用伺服系统驱动主动齿轮与旋转轴上的从动齿轮43啮合，带动旋转运动支撑平台44相对直线运动机构1的几何中心做回转运动，回转运动方向、运动角度与角速度由主控计算机的运动程序对旋转运动用伺服系统进行控制。

所述背带卷扬机构9包括背带系统、背带卷扬用伺服系统93、卷扬轮92组成，如图3所示，背带系统由实际降落伞拆除了伞包后剩余的背带系统改造而成，背带系统四根背带91的下端按照降落伞原有的固定方式连接在跳伞员3身体上，背带系统四根背带91的上端分别固定在四个卷扬轮92上，四个卷扬轮92分别由背带卷扬用伺服系统93驱动，四根背带91的伸张、收缩量及其速度由主控计算机的运动程序对卷扬用伺服系统进行控制。

所述着陆地形仿真平台6由可变形胶质着陆地面、电动伸缩缸62及驱动器组成，如图4所示，跳伞员3着陆时可根据主控计算机的运动程序对电动伸缩缸62的驱动器进行控制，调节各伸缩缸62的高度使可变形胶质着陆地面组成各种地形起伏，供跳伞员3进行不同地形下的着陆训练。

所述主控制台8由计算机、操控面板(含设备启动开关、急停开关等)、显示设备及相关控制软件组成，位于着陆地形仿真平台6的侧方便于观察模拟训练过程的位置。

二、跳伞训练及仿真过程

1、跳伞训练方法：

(1)所述主控制台8基于跳伞训练真实的地理信息数据(高程和卫星影像数据)，生成跳伞三维模拟场景；

(2)虚拟现实设备在跳伞员3眼前呈现所述主控台生成的跳伞三维模拟场景；其中，跳伞员3可自由转动头部进行观察；

(3)主控制台8通过拉绳位移传感器采集跳伞员3对降落伞的操纵量；

(4)主控制台8建立伞降运动仿真模型，响应跳伞员3对降落伞的操纵量，包括旋转、增加和减小伞的水平运动速度、增加和减小伞的下降速度，实时模拟着陆阶段降落伞的运动状态，根据降落伞的运动状态，实时更新跳伞三维模拟场景，并通过虚拟现实设备在跳伞员3眼前实时呈现跳伞三维模拟场景；

(5)主控制台8利用直线运动机构1模拟人伞系统着陆前的水平运动速度；

(6)主控制台8利用旋转运动平台模拟着陆前跳伞员3朝向与水平运动方向的夹角；

(7)即将着陆时，主控制台8控制背带卷扬用伺服系统93将降落伞背带91放长，跳伞员3以水平速度做平抛运动，利用跳伞员3与模拟地面之间高度差形成的下落速度模拟着陆速度；

(8)主控制台8通过控制着陆地形仿真平台6中的各个伸缩缸62，模拟着陆点位置地形坡度和地面起伏；

(9)主控制台8通过控制空气流仿真风机10，模拟着陆时的地面风速和风向；

(10)跳伞员3在所述着陆地形仿真平台6上着陆，完成跳伞训练过程。

2、基于真实地理信息数据的跳伞三维场景仿真

跳伞三维场景仿真程序基于OSG(OpenSceneGraph)和osgEarth三维图形框架。跳伞三维场景程序接收伞降仿真的人伞系统位置和姿态信息，渲染跳伞员3第一人称视角的三维立体图形。跳伞三维场景仿真过程按以下步骤执行：

A101读取预先设置好的地理信息数据配置文件(earth文件)，获取栅格影像数据服务和数字高程模型(DEM)数据地址；

A102初始化OSG图形场景，建立OSG场景根节点(Group类型)。根据地理信息数据配置文件，创建数字地球子节点(EarthNode)，该节点能够根据场景视锥范围从配置文件指定的文件目录中自动检索并加载相应的影像和DEM数据，完成三维场景生成和动态加载。

A103读取人伞系统三维模型文件，生成OSG实体节点(Node类型)。新建OSG矩阵变换节点(MatrixTransform类型)，将人伞系统三维模型节点放在矩阵变换节点之下，最后将矩阵变换节点放置在场景根节点之下。场景结构如图5所示。

A104创建渲染相机，为跳伞训练提供虚拟现实场景渲染图形，具体方式见本说明书2.2.2节。

A105设置相机自动跟随跳伞员3头部三维模型节点。主相机始终与跳伞员3头部模型位置一致，要跟随跳伞员3的运动，两个从相机默认跟随主相机运动。本发明通过OSG的TrackballManipulator相机操作器实现相机跟随，TrackballManipulator相机操作器的作用是使主相机自动跟随指定的节点运动，具体步骤包括：

(1)创建TrackballManipulator对象；

(2)设置TrackballManipulator相机操作器的跟踪对象为跳伞员3头部模型节点；

(3)设置相机操作器的初始距离为0.01，初始角度为180度(对准人体正前方)；

(4)将TrackballManipulator对象应用为场景相机操作器。

A106建立与伞降运动仿真的网络连接。

A107启动两个线程，分别为：图形更新线程和数据接收线程。其中数据接收线程是指用于接收和处理人伞系统位置和姿态数据的线程，图形更新线程通过仿真实体信息管理对象与数据接收线程交互，从仿真实体信息管理对象中获取飞行仿真的实时仿真数据。两个线程同时运行。

A108结束仿真。删除所有OSG根节点下的实体三维图形节点；删除仿真实体信息管理对象；关闭图形更新线程和数据接收线程。

3、基于虚拟现实技术的跳伞员3立体视觉仿真

本发明中的虚拟现实显示设备可选取目前主流的Oculus Rift或HTC VIVE虚拟显示眼镜，上述两种设备均提供软件开发包(SDK)，便于系统功能的开发和集成。在虚拟现实眼镜设备与三维场景仿真结合上，采用以下方式进行。

A201在跳伞三维场景仿真场景相机步骤(2.2.1(四))，创建一个主相机(Main Camera)，两个渲染到纹理从相机(RTT)，两个几何图形节点，两个正射投影从相机(Warp Camera)。其中相机通过设置将主相机绑定在跳伞员3三维模型的头部位置，主相机随跳伞员3头部运动。如图6所示，根据按人眼特征，左右RTT相机节点从属于主相机，分别渲染左右眼的三维视景至FBO对象。两个RTT相机位置偏移量相同，并关于主相机对称，间距为人眼瞳距，相机的观察方向与主相机观察方向的夹角为跳伞员3头部转动的角度，该数据从虚拟现实眼镜的SDK实时获得。

A202对两个几何图形节点分别设置失真校正的纹理坐标，并应用Shader着色代码，实现左右眼渲染纹理的敷贴。最后，将几何图形节点置于正射投影从相机之下，实现左右眼画面渲染至屏幕和虚拟现实头盔中。显示效果如图7所示。

4、降落伞操纵量采集

A301通过拉绳位移传感器采集跳伞员3的操纵量，传感器可将拉绳位移量转换成电压量，再通过电压采集电路经数模转换后，将电压量转换成串口数据发送给计算机。计算机软件读取串口数据，识别成降落伞操纵量，将数据交给伞降仿真程序用于降落伞运动仿真。

5、伞降运动仿真

伞降运动仿真循环是对跳伞过程仿真的基础。该循环主要进行伞降运动轨迹的计算，接收外部对降落伞操纵量的输入，数据人伞系统的六自由度计算结果。

伞降运动仿真基于气动力学仿真库(本发明中使用JSBSim)，其核心为人伞系统的动力学模型。本发明针对圆形降落伞，将人伞系统作为一个整体进行受力分析，人伞系统的主要受力包括降落伞的空气阻力，操纵降落伞打开排气口产生的旋转扭矩和水平方向的推力。由于跳伞员3在运动方向投影面积较降落伞而言要小得多，因此模型仅考虑跳伞员3重量(含携带装具)，忽略跳伞员3人体的空气阻力。

A401伞降运动仿真模型要素

伞降运动仿真模型遵循JSBSim模型标准，采用XML语言描述，具体包含以下要素：

(1)人伞系统基本参数：人伞系统重量(含装具)，各方向上的转动惯量

(2)气象条件：包含气压、气密、气温和风向

(3)仿真初始运动参数：包括高度、速度矢量和初始姿态。

(4)仿真步长Δt：0.00083秒

仿真计算的输出结果包括：人伞系统的位置坐标，真高，运动速度矢量，姿态，风向与人伞系统水平速度方向的夹角以及风速的大小。

A402人伞系统受力

(1)降落伞阻力

在风轴系中，阻力方向与风轴方向一致，阻力大小Q为

其中ρ为空气密度；C为阻力系数，圆伞取值为0.75，A为伞衣展开面积，V表示降落伞速度。

(2)操纵降落伞打开排气口时的受力

以可控排气口的圆伞为例，如图8所示，跳伞员3对降落伞的操纵实际上为控制降落伞排气口打开的大小，在排气口打开时，降落伞内侧排气口区域上的压力消失，将这一变化可近似等效为降落伞水平径向上的推力F_T和降落伞水平方向上的旋转力矩M_Z，同时由于伞衣面积略微变小，导致降落伞空气阻力Q减小。

推力F_T和旋转力矩M_Z的大小与排气口打开面积的大小成正比，推力F_T和旋转力矩M_Z分别对应的比例系数K_T和K_Z可通过实际跳伞实验或模型风动实验得到，分别确定了比例系数后，推力F_T和旋转力矩M_Z可按下式计算：

F_T＝K_T·A_P

M_Z＝K_Z·A_P

(3)降落伞以纵轴旋转时的空气阻力力矩M_Q

打开一个排气口后，降落伞在旋转力矩M_Z的作用下，将会绕纵轴旋转，旋转速度逐渐增大，同时旋转产生的空气阻力逐渐增大，当旋转空气阻力力矩M_Q等于M_Z时，降落伞保持匀速旋转，当排气口减小或关闭时，降落伞在旋转空气阻力的作用下，旋转速度逐渐减小，并最终停止。M_Q的大小与空气密度和旋转速度的平方成正比，可按下式计算：

其中，为降落伞绕纵轴旋转角速度，C_Q为旋转阻力力矩系数，特定伞型的旋转阻力力矩系数可通过实验测定。

A403仿真计算过程

伞降运动仿真的计算过程包含以下步骤

(1)创建并初始化JSBSim仿真对象；

(2)载入仿真模型。通过指定的模拟文件路径，加载人伞系统仿真模型。

(2)设置仿真初始条件。设置JSBSim中仿真对象(人伞系统)的位置、初始速度矢量，以及气象条件参数。

(3)仿真循环计算，输出仿真结果。以Δt为时间间隔开始仿真计算，每个仿真步长中，JSBSim将计算模型中描述的各个力的大小，并在统一的坐标系下将各个受力综合后，计算人伞系统运动情况。每个仿真步长计算完成后，输出计算结果，包括以下参数：

位置坐标(经纬高)；

真高(海拔高-地面投影位置的高程)；

运动速度矢量(V_N,V_E,V_z)，其中V_N为水平速度正北方向分量，V_E为水平速度正东方向分量，V_z为垂直下降速度。人伞系统的水平运动速度

姿态(地面坐标系下的俯仰、滚转和偏航角)；

风向与人伞系统水平速度方向的夹角以及风速的大小。

上述数据通过网络传输给两个软件程序，第一个是三维视景仿真程序，用于驱动三维场景位置和姿态更新；第二个是运动机构控制软件，用于计算并控制训练装置运动，带动实际的跳伞员3运动。

数据传输完毕后，启动下一个仿真步长计算，如此循环直至满足仿真结束条件。

(4)仿真结束

仿真结束的条件是仿真的跳伞员3着陆，但仿真的跳伞员3着陆后，结束伞降仿真循环，清空JSBSim仿真对象。

6、着陆运动速度模拟

着陆运动速度的模拟是指跳伞员3在使用训练模拟系统训练时，通过系统的硬件装置实际能够获得的着陆运动速度，该速度应在保证训练安全的前提下，尽可能与伞降运动仿真中计算的运动速度相一致。

a、水平速度模拟

如图9所示，伞降仿真中的离地高度是指：模拟的空中跳伞员3脚底位置P'与预测的着陆点L之间的高度差，用符号H_r表示。

如图9所示，实际训练装置中的离地高度是指：实际的跳伞员3脚底位置与模拟地面中心之间的高度差，用符号H表示。

如图10所示，实际训练装置中的水平距离是指：实际的跳伞员3脚底位置与模拟地面中心之间的水平距离，用d表示。

为保证模拟视觉和着陆体感的一致性，必须满足以下两个条件：

(1)伞降仿真着陆的同时，实际的跳伞员3也正好运动到模拟地面的中心位置(直线运动机构1运动到C点)。

(2)伞降仿真中的跳伞员3水平运动速度等于实际的跳伞员3也正好运动到模拟地面的中心位置时的水平速度，即V_x＝V_x'。

A501直线运动机构1最大水平速度V_max的确定方法

根据跳伞训练规律和降落伞的运动特性，同时考虑确保模拟训练的安全，将模拟的最大伞降水平运动速度确定为5m/s，由此确定直线运动机构1最大水平速度V_max为5m/s。

A502直线运动机构1最大水平运动行程的确定方法

直线运动机构1运动的最大速度为V_max，直线运动机构1的加速度恒定为a，则为达到最大速度的行程(AC点之间的距离)为：

A503着陆水平运动速度确定的时机

整个伞降过程中，跳伞员3的水平运动速度受风速、降落伞操纵等因素的影响不断变化。为使跳伞员3实际着陆速度(接触模拟地面的速度)与仿真计算的结果接近，选定伞降仿真着陆前8秒时刻的运动速度为着陆速度，认为在此之后水平运动速度不再改变，直至跳伞员3着陆。

假设伞降运动仿真中跳伞员3的垂直下降速度为V_z

当伞降运动仿真中首次满足条件H_z＝8V_z时，认为达到确定着陆速度的时机。选定此时的(V_x,V_D)为着陆速度。

A504直线运动机构1运动策略

将直线运动机构1的运动分为提前运动和着陆运动两种类型，其中提前运动的特征是：控制直线运动机构1提前缓慢运动到指定的位置。当伞降运动的水平速度较小且运动时间有限时，直线运动机构1可能无法以较小水平速度运动较长的距离。为此需提前改变直线运动机构1的起始位置，缩短直线运动机构1随后的着陆运动时间。着陆运动是跳伞员3着陆前直线运动机构1执行的最后一个运动过程，其特征以固定加速度a加速至水平速度V_x，其后保持V_x匀速运动至C点。

训练开始后，直线运动机构1停留在起始位置(A点)。并在每个伞降仿真步长结束后，执行以下过程：

计算着陆时间，

判断着陆时间t_L是否大于8秒

如果t_L＞8秒，计算直线运动机构1从静止开始，最大速度不超过V_x，8秒钟时间能够运动的距离

比较d_s与d的大小，分别考虑两种情况：

(1)当d_s＜d时，表明当前的水平速度较小，直线运动机构1从A点静止开始，8秒钟无法运动到C点。为满足直线运动机构1够在伞降仿真着陆瞬间以V_x运动到C点，采用改变直线运动机构1起始位置的方法，缩短运动行程，从而减小运动时间。具体做法是：控制直线运动机构1运动到A'点，A'与A之间的距离(提前运动距离)为d-d_s。

(2)当d_s≥d时，说明当前水平运动速度较快，直线运动机构1从A点静止开始，8秒钟足够运动到C点。此时，可控制直线运动机构1停留在A点。

如果t_L≤8，表明跳伞员3即将着陆，控制伞降仿真不再改变水平速度和下降速度，同时，计算直线运动机构1从当前位置开始，以V_x运动到C点所需的时间t_h。

如果t_h≥t_L，则立即启动直线运动机构1的着陆运动过程。即以固定加速度a加速至V_x，其后保持V_x匀速运动至C点。

如果t_h＜t_L，直线运动机构1位置当前保持不变，完成本次计算过程；返回到本步骤起始位置，进入下一个仿真步长；如此循环，直至满足t_h≥t_L条件。

b、下降速度模拟

下降速度的模拟通过背带卷扬机构9实现，即将着陆时，背带卷扬机构9以略大于自由落体的速度放长与跳伞员3背带91连接的四根伞带，跳伞员3在重量加速度的作用下向下加速运动。当跳伞员3脚底接触模拟地面时，跳伞员3实际下降速度达到伞降运动仿真的着陆下降速度，此后，背带卷扬机构9继续放长适当长度的伞带，保证伞带不影响跳伞员3完成着陆的缓冲动作。具体方案如下：

伞降运动仿真中，当前时刻到着陆的时间长度t_L按A504中关于着陆时间的方法计算。

A505确定跳伞员3脚底至模拟地面的高度差H

在实际训练装置中，以重力加速度g的自由落体计算，跳伞员3脚底至模拟地面的高度差H对应的垂直下降速度为应使得V_ZL＝V_Z，V_Z是伞降运动仿真确定的着陆前8秒的垂直下降速度，从而可以计算出在训练装置中跳伞员3脚底至模拟地面的高度差为H的大小。

确定了高度差H后，调整模拟地面的平均高度，使其与跳伞员3脚底的高度差为H，调整量记为ΔH。

A506确定背带卷扬机构9放长伞带的时机

在实际训练装置中，高度H对应的自由落体时间为由此确定背带卷扬机构9放长伞带的时机为伞降运动仿真中着陆前t_ZL时间，对应的高度为V_Z·t_ZL；在着陆前t_ZL时间点上放长背带91，跳伞员3下降并着陆。

以某型降落伞平均下降速度(5米/秒)为例，上述高度差H约为1.25米，坠落时间t_ZL约为0.5秒，对应伞降运动仿真中的下降高度约为2.5米。

c、跳伞员3朝向的模拟

A507、跳伞员3的朝向是指跳伞员3在着陆时面朝方向与水平运动方向的夹角，反应了跳伞员3侧身或背身着陆的情况。对跳伞员3朝向的模拟方法是首先伞降运动仿真计算跳伞员3面朝方向与水平运动方向的夹角，其后根据该夹角数据控制旋转运动机构4转动至对应角度，使实际训练装置中跳伞员3与水平速度方向的夹角与伞降运动仿真中一致。

d、着陆位置地形的模拟

A601、如图9所示，伞降运动仿真中，从跳伞员3脚底位置开始沿当前运动速度方向做一条射线，射线与三维场景中的地表曲面的交点P_L作为当前时刻的着陆预测点。着陆前8秒时确定了水平运动速度和垂直下降速度，并在其后的伞降过程中保持匀速直线运动。因此，着陆前8秒时着陆点预测点即为仿真的最后着陆点。

以最后着陆点P_L为中心(原点)，在以水平面内水平速度方向和垂直于水平速度方向建立平面直角坐标系，如图11所示，水平速度方向为Y轴正向，垂直于水平速度方向为X轴正向。

在上述平面直角坐标系中，以两组直线

共2n条直线组成网格，其中，n表示着陆地形仿真平台6中的电动缸阵列的行数和列数；n一般取奇数；L为实体装置的电动缸阵列中电动缸的间距。网格交点的集合记为P＝{P_ij}，P_ij坐标为

通过高程数据查询每个P_ij点对于的高程，记为A_ij，计算每个A_ij与P_L点高程的差值，记为ΔA_ij，以ΔH+ΔA_ij作为电动缸的伸缩量，如果ΔH+ΔA_ij超过电动缸的最大伸缩量，则取最大伸缩量为电动缸的伸缩量。

e、空中和地面风的模拟

对地面风的模拟主要通过控制8个风机实现，其目的是提供跳伞员3在虚拟跳伞训练环境下对风速和风向的感觉，训练跳伞员3对风速和风向的判断。

如图8所示，8个可调转速风机成环形等间隔安装在训练模拟系统的周围，每个风机的出风方向均对准训练模拟系统的中心，单个风机可在模拟训练中心处产生不少于5m/s的风速。训练时，由伞降运动仿真实时计算跳伞员3水平速度方向与模拟风向的夹角和模拟风速的大小，将上述两项数据输出至风机控制模块，风机控制模块控制相应方向上相邻的1～2台风机转动，并分别控制转速，使风机产生的合成风速、风向与仿真计算的风速、风向基本一致。

模拟训练具体实施步骤：

步骤一，训练准备。

S101训练开始前，直线运动机构1位于起始位置(A点)，跳伞员3在训练准备平台2穿戴跳伞背带91，做好训练准备。

步骤二，设置训练条件参数。

S201训练组织者在控制台计算机上启动模拟训练软件，包括伞降运动仿真程序、三维视景仿真程序和运动控制程序。

S202按A401的方法在伞降运动仿真程序界面上设置训练条件参数。

步骤三，训练实施。训练组织者在控制台计算机上启动训练过程，此时，伞降运动仿真程序、三维视景仿真程序和运动控制程序同步工作。包括以下同步开展的步骤。

S301按A403中的方法仿真跳伞员3的运动过程。

S302渲染跳伞三维立体场景并输出显示到跳伞员3虚拟现实眼镜中。

S303按A601中的方法控制模拟地面电动缸阵列的伸缩量，模拟与实际跳伞地域一致的着陆地形。

S304根据伞降运动仿真给出的风向、风速数据，控制相应风机转动，模拟着陆阶段的地面风。

S305根据伞降运动仿真的实时计算结果，按A504～A507的方法控制训练装置的直线运动机构1、旋转运动机构4和卷扬机构工作。实现仿真的跳伞员3与实际装置中的跳伞员3同步着陆。

步骤四，训练结束

跳伞员3着陆后，模拟训练结束，跳伞解脱降落伞背带系统，离开模拟训练装置。