战斗机模拟器

一、基础简介
目前，国际航空业对新飞行员的培训和老飞行的复训主要是在飞行模仿器上面实行的，飞行模仿器实际上是按照真实飞机驾驶舱1：1规格实行设计的，设定有模拟真实飞机的操纵感官系统，模仿机实训可以模仿飞行过程中的各种故障，并针对某个问题实行多次的飞行和实操，从而提升飞行员在实际飞行的快速反应能力和安全实操能力，因此用飞行模仿器对飞行员实行飞行实训是飞行培训中心普遍应用的一种方法，即安全又能降低成本。六自由度战斗机模仿器按照真实飞机驾驶座舱1：1规格实行设计，真实还原飞机驾驶的操纵系统，协作六自由度体感拟真平台以及飞行视镜系统，对飞机的空中飞行状态实行复现。 图2歼20战斗机模仿器效果图 二、研制依据
2.1研制依据
依据某某招标文件或某某技术要求。
2.2参考文件
GJB 1849-1993 《飞行模仿器术语》；
GJB 2099A-2009 《飞行模仿器分级》；
CCAR-60 《飞行模仿设备的鉴定和使用规则》；
GJB 2021-94 《飞行模仿器六自由度动作系统》；
GB/T 9385-2008 《计算机数值系统需求规格说明规范》；
GB/T 9386-2008 《计算机数值系统测量试验文档编制规范》；
GJB 3872-1999 《装备综合保障通用要求》；
GJB 145A-1993 《防护包装规范》；
三、系统构成、主要功能
3.1系统构成
战斗机模仿器的构成部分主要分为两个部分：
（1）硬件部分含有概括：模仿座舱、动作系统、视景系统、计算机数值系统。计算机数值系统作为整个模仿器的核心，担当着核心运算的功能，将各个模型块集合起来，才形成了飞行模仿器。
（2）系统部分含有概括仪表系统、音响系统、飞行动力学模型、气动模型、发动机模型、视景系统、飞行导航控制系统以及综合自然环境的模仿。
3.2 系统主要功能
战斗机模仿器的整个系统拟真，涵盖了空气动力学、大气模型、机械系统、战斗系统拟真等，对飞机驾驶舱各个部位实行了充分的飞行模仿，运用三维（3D）视景生成逼真、准确的虚拟环境，可以多角度的模拟真实飞行中的种种情况。
四、主要技术功能数值参考规格
1、整体外观尺寸
外观尺寸：3100*1900*2200 MM（长宽高）
2、总体设计方案
战斗机模仿器是一台含有概括机械、电气、数字处置整理系统的大型实训设备，模仿器由主拟真系统、模仿座舱、操纵负荷系统、六自由度体感拟真平台、飞行作战系统、视镜系统、音响系统七个部分构成。
3、六自由度平台构造设计方案
六自由度动作平台应用的是Stewart并联构造，由六条电动缸经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动作，完成上平台在三维（3D）空间六个自由度（X, Y, Z,α，β，γ）的动作以及这些自由度的复合动作，从而可以模仿出各种空间动作姿态。Stewart平台是六自由度并联机构的基础平台，设定有刚度大、负荷自重比高、荷载量分布均匀、动作平稳的特别点,在高精确度、大荷载量而且对作业空间要求相对较小的场合得到了很广泛的应用。该平台应用的驱动方法是电动机驱动滚珠丝杠驱动方法。
（1）上动平台：为适用设备的外观需求，将上平台制作成一个长2.0米、宽1.6米的平台，平台应用优质的钢材焊接而成，中间斜拉加强筋，协作Q235矩形管和防滑板实行制作，上平台可承载1-2吨重的物体不变形。
（2）下静平台：下平台约长2米、宽约1.6米的平台，如图7所示。应用优质的钢材焊接而成，中间斜拉加强筋，协作Q235矩形管实行制作。机箱围板用冷轧板，固定电缸的受力位置应用45#钢，前后预留两个机箱，后机箱用来存放伺服控制系统，前机箱用来存放电脑主机。下平台的固定方法可按照用户的场地情况实行设计，在需要固定的场合可以选用预埋地笼或直接在地上打膨胀螺丝，在需要位移的场合可以选用配套万能转向轮和脚垫。
（3）虎克铰连：应用虎克铰链将电动缸与上下平台实行连接，万向节铰链传动效率高，允许两轴间的角位移大，适用来有大角位移和两轴之间的连接，一般两轴的轴间角最大可达35°-45°，噪音小，对润滑要求不高，传递转矩大，而而且使用可靠，因此得到广泛的应用。
（4）电动缸：电动缸的技术功能数值如下表所示：

名 称	参 数	备 注
电动缸类型	折返式
丝杆导程	10	滚珠丝杆
行程(mm)	200
规格限定出力(kN)	7.6KN
规格限定速度(mm/sec)	83.3
电动机功率（W）（W）	750
电动机规格限定转矩(Nm)	2.39
电动机规格限定转动速度(rpm)	3000
减慢速度比	6:1
内置磁环	无需
润滑方法	脂润滑
装配方法	前关节轴承、后铰链座	参考外观图

（5）伺服电动机及驱动器：
①伺服电动机

规格限定转矩		2.4N.m
规格限定转动速度		3000r/min
规格限定电流（A）		5.6A
环境条件	环境温度（℃）	运行：0℃~40℃（无结冻） 保管：-15℃~70℃（无结冻）
	环境湿度	运行：80%RH以下（无凝露） 保管：90%RH以下（无凝露）
	周围环境	室内（无阳光直射），无腐蚀性气体、可燃性气体、油雾及灰尘的场所。
	海拔	海拔1000m以下

②伺服放大器

电源写入		AC200-240V，
规格限定电流（A）		3.8A
伺服功能		高级振动抑制控制、自适应滤波器、自动调谐、驱动记录仪功能、设备诊断功能、电力监视功能
控制模式		位置模式、速度模式、转矩模式
环境条件	运行环境	0℃-55℃（无冻结）、存档：-20℃-65℃（无冻结）
	环境湿度	运行/存档：90%RH以下（无结露）
	空气条件	室内（无阳光直射），无腐蚀性气体、可燃性气体、油雾及灰尘的场所。
	海拔	海拔1000m以下

4、平台功能数值及技术功能数值参考规格
表1：电气功能数值表

电缸	电缸行程	电缸推力	丝杆导程	推杆直径	规格限定转动速度
	200mm	7.6KN	10mm	35mm	3000r/min
伺服电动机	电动机功率（W）	电动机转矩	最大扭矩	规格限定电流（A）	规格限定转动速度
	750W	2.4N.m	7.2 N.m	5.6A	3000r/min
电气	供电电压（V）	峰值功率（W）	均值功率（W）	作业电流（A）	峰值噪音（分贝）
	AC 220V	3.5Kw	1.5KW	4-12A	<60

表2：平台技术功能数值参考规格表

自由度	位移或角度			速度	加快速度度
	动作界限	定位精确度	重复精确度
翻滚(Roll)	±18°	0.05°	0.01°	±20°/s	±50°/s2
俯仰(Pitch)	±20°	0.05°	0.01°	±20°/s	±50°/s2
偏航(Yaw)	±22°	0.05°	0.01°	±20°/s	±50°/s2
纵荡(Surge)	±150mm	0.1mm	0.02mm	83mm/s	±0.2g
横荡(Sway)	±150mm	0.1mm	0.02mm	83mm/s	±0.2g
垂荡(Heave)	±110mm	0.1mm	0.02mm	83mm/s	±0.3g
系统作业频率		0-4Hz可调	通讯速率		1-10ms

表3：平台功能数值表

上平台支点间最小圆心角	38.21°	上平台直径	1222mm
下平台支点间最小圆心角	32.49°	下平台直径	1430mm
上平台支点间最短距离	400mm	电缸最长距离	812mm
下平台支点间最短距离	400mm	电缸最短距离	612mm

5、平台构造拟真 （1）俯仰角度为20°，符合设计要求。
（2）翻滚角度为±18°，符合设计要求。
（3）偏航角度为±22°，符合设计要求。
（4）垂直位移为220mm，符合设计要求。
（5）纵向向位移为±250mm，符合设计要求。
（6）横向位移为±210mm，符合设计要求。
6、系统分为五个部分：
（1）上位机控制系统：含有概括飞行模仿器系统和平台控制系统，飞行模仿系统主要负责模仿飞行驾驶，经过对系统中飞机的姿态数值实行获取，经过数值变换成平台控制信号，经过互联网端口发送到平台控制系统，平台控制系统主要完成对平台的手动控制、自动控制、振动测量试验等功能，并经过互联网端口获取平台的状态数值，经过数值变换，显露在系统的UI界面；
（2）互联网通信连接口：经过指定的数值格式完成控制信号和状态信号的传输；
（3）下位机控制系统：完成对上位机数值的解算，变换成伺服控制信号，驱动电动机带动电动缸完成制定的动作；
（4）动作平台：带动负载完成指定的姿态动作；
（5）传感器模型块：完成平台状态的数值收集，含有概括姿态、振动频率等，并将数值反馈回平台控制系统。
5.4.2平台的基础功能模型块
（1）HMI（人机界面HMI）控制系统：它是平台控制系统的实操平台，功能主要含有概括：平台动作轨迹监视、数值管理、系统功能数值设定、运行模式设定以及各缸当前运行状态显露等，用户可以使用该系统对平台实行多自由度的测量试验、振动测量试验，还可以完成平台状态的检验测试、振动频谱、故障处置整理等。
（2）伺服控制系统：运用STM32系列芯片内部互联网模型块实行外部PHY拓展，完成互联网通信硬件电子回路。在μC/OS-Ⅲ实操系统上实行相关程序研发，内置公司自主研发的"六自由度平台洗出算法"，可以按照不一样模仿系统实行数值处置整理，集合Stewart反解算法完成对平台的精准控制。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）伺服驱动模型块：伺服驱动模型块主要含有伺服驱动器与伺服电动机，它是控制系统中直接与机械部分相连的模型块，控制系统经过伺服驱动模型块执行相应的动作，驱动机械构造完成规定空间动作轨迹。
（4）安全检验测试模型块：为了规范平台的使用以及保障人员安全，平台多加一个安全检验测试模型块，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）紧急限制动作模型块：当平台出现紧急故障状态时，可以经过紧急限制动作模型块快速停止平台的动作，从而达到保护人员和平台的目的。
（6）故障检验测试模型块：当平台运行时，控制系统经过Modbus RTU协议与伺服控制器及其他控制部位件实行数值的对联，就地实时监控平台的运行状态，能及时对出现的故障做出响应，同时停止平台的动作，保障人员与平台的安全。
（7）状态检验测试模型块：经过在平台装配姿态传感器和振动传感器，就地实时获取平台的运行状态，获取的数值经过控制系统的数值洗出，解算出平台的姿态与振动数值，经过互联网通信方法将数值发送到HMI模型块实行平台状态的显露与对比。
7、平台动作功能模式
动作平台可以完成含有概括：单自由度动作、随意自由度结合复合动作、单缸测量试验、振动测量试验等多种运行模式：
（1）平台功能数值调节：
（2）单自由度动作：可以完成随意一个自由度的单独动作，用户可以经过控制系统写入指定角度，平台就会运行到指定角度；
（3）复合动作：可以完成随意六个自由度的结合，用户可以经过控制系统写入指定角度与平移量，平台就会运行到指定位置；
（4）单缸测量试验：可以随意控制平台的电缸实行伸缩动作，用户可以经过控制系统写入指定的伸缩量，电缸会运行到指定的位置；
（5）振动测量试验：可以让平台以指定的频率实行振动，用户可以经过控制系统写入指定的振动频率与自由度、动作界限，平台会按照设定的功能数值实行振动测量试验；
8、模仿座舱设计
模仿座舱外罩：座舱罩用玻璃钢材料制造，玻璃钢材料是属于一种玻璃纤维的复合材料,玻璃钢在行业中也称为FRP(玻璃纤维强化塑料)在工业中我们应用,环氧树脂与饱和聚脂等为基体应用与玻璃纤维复合制作而成的增强型塑料这便是我们现在看到的玻璃钢,这种玻璃钢的强化复合材料在功能上设定有很多优于塑料的优点,例如机械强度高、质轻而硬、不导电。
9、视景系统
视景系统系统是运用计算机数值图像生成技术，产生逼真的窗外影像，如机场、跑道、田野、河流、道路等地形地貌，云、雾、雨、雪以及白天、黄昏、夜间等天气气象，灯光、建筑物等模型，汽车、轮船、飞机等活动目标，为驾驶员、参试者、工程设计人员和查看者提供体现飞机功能表现及飞机飞行时的真实世界的窗外景象。
（1）硬件构造：1、视景系统硬件由视景支撑架、3台32寸显露器等构成。
视景支撑架由基座、电视架连接板、电视支撑板、电视架支撑板、电视架支撑骨架构成；整体喷漆(亚光黑色)；
视景显露器应用: 1、32英寸全高清显露器。

屏幕尺寸	最佳分辨率	屏幕比例	视场角	连接口
32英寸	1920x1080	16:9	垂直150° 水平150°	1HDMI、1DVI

（2）场景模仿：应用了大量渲染贴图材料，无论是战斗机、坦克还是地面建筑全部实行了细致认真的三维（3D）建模，万里无云的天空、呼啸而过的战机等，在细腻的纹理衬托下，显得极其真实、生动。使用虚构的世界和国家，许多细节和现实中的战争非常相似。一些战斗机的现实特征在游戏中表现出来，也含有概括一些虚构的飞机，尤其是空中堡垒。
10、系统拟真系统
（1）战斗机模仿器拟真系统由飞行功能拟真系统和设备系统拟真系统两部分构成。飞行功能拟真含有概括飞行动力学与飞行动作学计算、动力装置模仿及特情处置模仿等部分构成，主要模仿战斗机的飞行功能和操稳特性，并而且提供每个时刻的飞行状态数值；设备系统拟真含有概括操纵、电气、发动机、燃油、警报、刹车、仪表等机载设备系统拟真系统模型块，主要完成机载设备系统的实操与实操响应模仿。
（2）模仿器是人在线路中的拟真系统，由连接口系统就地实时检验测试飞行人员对操纵系统及座舱设备系统的操纵改变，拟真计算机数值经过飞行器功能拟真和设备拟真系统及系统模型块，解算出飞行器动作及姿态等功能数值及飞行人员对座舱设备的实操响应数值，各分系统拟真系统及拟真模型块运用上述数值解算出此刻的系统响应状态数值，再经过连接口变换及驱动系统驱动，经过显露器显露、仪表指示、信号灯指示、视景图像、动感平台、音响声音等，将飞行人员的实操响应就地实时反馈给飞行人员，从而模仿出实装驾驶的整个过程。
（2）其具体作业过程如下：飞行人员在模仿座舱内操纵侧杆、加油及其他座舱设备，由各类操纵传感器感知驾驶员的操纵动作并发出作业信号，连接口系统将这些信息输给拟真计算机数值，拟真计算机数值经过飞行功能拟真和设备拟真等系统系统对飞行动力学模型块、设备系统作业模型块、环境拟真模型块和外部拟真模型块等实行解算，解算成果经互联网分系统输送给各拟真物理效应分系统；仪表及航空电子模仿分系统就地实时指示或显露各种飞行功能数值和系统作业功能数值；视景分系统按驾驶员视点关系及设定的能见度和气象条件生成此刻座舱外的各种景象，含有概括跑道、灯光、建筑物、田野、河流、海浪、地形地貌、活动目标（空中、地面、海面）等；声音模仿分系统给飞行人员提供音响效果，如发动机声响、气流噪声、设备作业声音等。各拟真物理分系统给飞行人员提供多维感知信息，按照上述信息飞行人员可以在地面完成各种条件下的模仿飞行实训。
五、配备功能数值表

设备名称	配备功能数值	附图	备注
战斗机模仿器	♦ 六自由度 ♦ 全钢制骨架，玻璃钢外罩 ♦ 模仿战斗机驾驶舱制作，表面高亮喷漆漆，单人座 ♦ 规格：3100*1900*2200 MM（长宽高） ♦ 控制系统：A10C战斗机摇杆、脚舵控制系统 ♦ 引擎控制单元：双油门控制键,Shift按钮,11个指令按钮,1个滚轮,一个3D轴，7个金属上下拨动开关多种组装搭配：协作固定夹可随意结合，强大的智能技术编程系统可以自行设定需要的功能。 ♦ 三屏32寸高清无边框显露器，分辨率为：5760*1080，60Hz ♦ 主机控制： CPU i7内部存储：8G硬盘M.2 500G主板：微星迫击炮B360，显卡：微星魔龙 GeForce GTX 1660 SUPER GAMING X6G 1660S