LGM-J20型 戰(zhàn)斗機(jī)訓(xùn)練模擬器

一、概述
      目前，國際航空業(yè)對新飛行員的培訓(xùn)和老飛行的復(fù)訓(xùn)主要是在飛行模擬器上面進(jìn)行的，飛行模擬器實(shí)際上是根據(jù)真實(shí)飛機(jī)駕駛艙1：1規(guī)格進(jìn)行設(shè)計(jì)的，具有模擬真實(shí)飛機(jī)的操縱感官系統(tǒng)，模擬機(jī)訓(xùn)練可以模擬飛行過程中的各種故障，并針對某個(gè)問題進(jìn)行多次的飛行和操作，從而提高飛行員在實(shí)際飛行的快速反應(yīng)能力和安全操作能力，因此用飛行模擬器對飛行員進(jìn)行飛行訓(xùn)練是飛行培訓(xùn)中心普遍采用的一種方法，即安全又能降低成本。六自由度戰(zhàn)斗機(jī)模擬器根據(jù)真實(shí)飛機(jī)駕駛座艙1：1規(guī)格進(jìn)行設(shè)計(jì)，真實(shí)還原飛機(jī)駕駛的操縱系統(tǒng)，配合六自由度體感仿真平臺(tái)以及飛行視鏡系統(tǒng)，對飛機(jī)的空中飛行狀態(tài)進(jìn)行復(fù)現(xiàn)。

圖2殲20戰(zhàn)斗機(jī)模擬器效果圖

二、研制依據(jù)
2.1研制依據(jù)
依據(jù)某某招標(biāo)文件或某某技術(shù)要求。
2.2參考文件
GJB 1849-1993 《飛行模擬器術(shù)語》；
GJB 2099A-2009 《飛行模擬器分級》；
CCAR-60    《飛行模擬設(shè)備的鑒定和使用規(guī)則》；
GJB 2021-94    《飛行模擬器六自由度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)》；
GB/T 9385-2008 《計(jì)算機(jī)軟件需求規(guī)格說明規(guī)范》；
GB/T 9386-2008 《計(jì)算機(jī)軟件測試文檔編制規(guī)范》；
GJB 3872-1999  《裝備綜合保障通用要求》；
GJB 145A-1993  《防護(hù)包裝規(guī)范》；
三、系統(tǒng)組成、主要功能
3.1系統(tǒng)組成
戰(zhàn)斗機(jī)模擬器的組成部分主要分為兩個(gè)部分：
（1）硬件部分包括：模擬座艙、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、視景系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)作為整個(gè)模擬器的核心，擔(dān)當(dāng)著核心運(yùn)算的功能，將各個(gè)模塊結(jié)合起來，才形成了飛行模擬器。
（2）軟件部分包括儀表系統(tǒng)、音響系統(tǒng)、飛行動(dòng)力學(xué)模型、氣動(dòng)模型、發(fā)動(dòng)機(jī)模型、視景系統(tǒng)、飛行導(dǎo)航控制系統(tǒng)以及綜合自然環(huán)境的模擬。
3.2 系統(tǒng)主要功能
戰(zhàn)斗機(jī)模擬器的整個(gè)系統(tǒng)仿真，涵蓋了空氣動(dòng)力學(xué)、大氣模型、機(jī)械系統(tǒng)、戰(zhàn)斗系統(tǒng)仿真等，對飛機(jī)駕駛艙各個(gè)部位進(jìn)行了充分的飛行模擬，利用三維視景生成逼真、準(zhǔn)確的虛擬環(huán)境，可以多角度的模擬真實(shí)飛行中的種種情況。
四、主要技術(shù)指標(biāo)
1、整體外觀尺寸
外形尺寸：3100*1900*2200 MM（長寬高）
2、總體設(shè)計(jì)方案
戰(zhàn)斗機(jī)模擬器是一臺(tái)包括機(jī)械、電氣、數(shù)字處理系統(tǒng)的大型訓(xùn)練設(shè)備，模擬器由主仿真系統(tǒng)、模擬座艙、操縱負(fù)荷系統(tǒng)、六自由度體感仿真平臺(tái)、飛行作戰(zhàn)系統(tǒng)、視鏡系統(tǒng)、音響系統(tǒng)七個(gè)部分組成。
3、六自由度平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案
    六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)采用的是Stewart并聯(lián)結(jié)構(gòu)，由六條電動(dòng)缸通過虎克鉸鏈或球鉸將上、下兩個(gè)平臺(tái)連接而成，下平臺(tái)固定在基座上，借助六條電動(dòng)缸的伸縮運(yùn)動(dòng)，完成上平臺(tái)在三維空間六個(gè)自由度（X, Y, Z,α，β，γ）的運(yùn)動(dòng)以及這些自由度的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，從而可以模擬出各種空間運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。Stewart平臺(tái)是六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)平臺(tái)，具有剛度大、負(fù)荷自重比高、載荷分布均勻、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)的特點(diǎn),在高精度、大載荷且對工作空間要求相對較小的場合得到了很廣泛的應(yīng)用。該平臺(tái)采用的驅(qū)動(dòng)方式是電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)方式。
（1）上動(dòng)平臺(tái)：為滿足設(shè)備的外觀需求，將上平臺(tái)制作成一個(gè)長2.0米、寬1.6米的平臺(tái)，平臺(tái)采用優(yōu)質(zhì)的鋼材焊接而成，中間斜拉加強(qiáng)筋，配合Q235矩形管和防滑板進(jìn)行制作，上平臺(tái)可承載1-2噸重的物體不變形。
（2）下靜平臺(tái)：下平臺(tái)約長2米、寬約1.6米的平臺(tái)，如圖7所示。采用優(yōu)質(zhì)的鋼材焊接而成，中間斜拉加強(qiáng)筋，配合Q235矩形管進(jìn)行制作。機(jī)箱圍板用冷軋板，固定電缸的受力位置采用45#鋼，前后預(yù)留兩個(gè)機(jī)箱，后機(jī)箱用于放置伺服控制系統(tǒng)，前機(jī)箱用于放置電腦主機(jī)。下平臺(tái)的固定方式可根據(jù)用戶的場地情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，在需要固定的場合可以選擇預(yù)埋地籠或直接在地上打膨脹螺絲，在需要移動(dòng)的場合可以選擇配套萬向輪和腳墊。
（3）虎克鉸連：采用虎克鉸鏈將電動(dòng)缸與上下平臺(tái)進(jìn)行連接，萬向節(jié)鉸鏈傳動(dòng)效率高，允許兩軸間的角位移大，適用于有大角位移和兩軸之間的連接，一般兩軸的軸間角最大可達(dá)35°-45°，噪音小，對潤滑要求不高，傳遞轉(zhuǎn)矩大，而且使用可靠，因此得到廣泛的應(yīng)用。
（4）電動(dòng)缸：電動(dòng)缸的技術(shù)參數(shù)如下表所示：

（5）伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器：
①伺服電機(jī)

②伺服放大器

4、平臺(tái)參數(shù)及技術(shù)指標(biāo)
表1：電氣參數(shù)表

表2：平臺(tái)技術(shù)指標(biāo)表

表3：平臺(tái)參數(shù)表

5、平臺(tái)結(jié)構(gòu)仿真

（1）俯仰角度為20°，符合設(shè)計(jì)要求。
（2）翻滾角度為±18°，符合設(shè)計(jì)要求。
（3）偏航角度為±22°，符合設(shè)計(jì)要求。
（4）垂直位移為220mm，符合設(shè)計(jì)要求。
（5）縱向向位移為±250mm，符合設(shè)計(jì)要求。
（6）橫向位移為±210mm，符合設(shè)計(jì)要求。
6、系統(tǒng)分為五個(gè)部分：
（1）上位機(jī)控制軟件：包括飛行模擬器軟件和平臺(tái)控制軟件，飛行模擬軟件主要負(fù)責(zé)模擬飛行駕駛，通過對軟件中飛機(jī)的姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取，經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成平臺(tái)控制信號(hào)，通過網(wǎng)絡(luò)端口發(fā)送到平臺(tái)控制系統(tǒng)，平臺(tái)控制軟件主要完成對平臺(tái)的手動(dòng)控制、自動(dòng)控制、振動(dòng)測試等功能，并通過網(wǎng)絡(luò)端口獲取平臺(tái)的狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，顯示在軟件的UI界面；
（2）網(wǎng)絡(luò)通信接口：通過指定的數(shù)據(jù)格式完成控制信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)的傳輸；
（3）下位機(jī)控制系統(tǒng)：完成對上位機(jī)數(shù)據(jù)的解算，轉(zhuǎn)換成伺服控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)電動(dòng)缸完成制定的動(dòng)作；
（4）運(yùn)動(dòng)平臺(tái)：帶動(dòng)負(fù)載完成指定的姿態(tài)動(dòng)作；
（5）傳感器模塊：完成平臺(tái)狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集，包括姿態(tài)、振動(dòng)頻率等，并將數(shù)據(jù)反饋回平臺(tái)控制系統(tǒng)。
5.4.2平臺(tái)的基本功能模塊
（1）HMI（人機(jī)界面）控制軟件：它是平臺(tái)控制系統(tǒng)的操作平臺(tái)，功能主要包括：平臺(tái)運(yùn)動(dòng)軌跡監(jiān)視、數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定、運(yùn)行模式設(shè)定以及各缸當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)顯示等，用戶可以使用該軟件對平臺(tái)進(jìn)行多自由度的測試、振動(dòng)測試，還可以完成平臺(tái)狀態(tài)的檢測、振動(dòng)頻譜、故障處理等。
（2）伺服控制系統(tǒng)：利用STM32系列芯片內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)模塊進(jìn)行外部PHY擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信硬件電路。在μC/OS-Ⅲ操作系統(tǒng)上進(jìn)行相關(guān)程序開發(fā)，內(nèi)置公司自主研發(fā)的“六自由度平臺(tái)洗出算法”，可以根據(jù)不同模擬軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，結(jié)合Stewart反解算法實(shí)現(xiàn)對平臺(tái)的精準(zhǔn)控制。也能完成平臺(tái)的自檢、預(yù)位、復(fù)位，以低速自動(dòng)運(yùn)行至零位或中位的功能。
（3）伺服驅(qū)動(dòng)模塊：伺服驅(qū)動(dòng)模塊主要包含伺服驅(qū)動(dòng)器與伺服電機(jī)，它是控制系統(tǒng)中直接與機(jī)械部分相連的模塊，控制系統(tǒng)通過伺服驅(qū)動(dòng)模塊執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)完成規(guī)定空間運(yùn)動(dòng)軌跡。
（4）安全檢測模塊：為了規(guī)范平臺(tái)的使用以及保障人員安全，平臺(tái)增加一個(gè)安全檢測模塊，即當(dāng)使用流程規(guī)范沒有達(dá)到安全指標(biāo)時(shí)，平臺(tái)不能運(yùn)行，例如使用人員未佩戴安全帶、平臺(tái)電缸超過限位點(diǎn)、平臺(tái)未到達(dá)啟動(dòng)點(diǎn)等一系列安全規(guī)范。
（5）緊急制動(dòng)模塊：當(dāng)平臺(tái)出現(xiàn)緊急故障狀態(tài)時(shí)，可以通過緊急制動(dòng)模塊快速停止平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到保護(hù)人員和平臺(tái)的目的。
（6）故障檢測模塊：當(dāng)平臺(tái)運(yùn)行時(shí)，控制系統(tǒng)通過Modbus RTU協(xié)議與伺服控制器及其他控制部件進(jìn)行數(shù)據(jù)的對聯(lián)，實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)的運(yùn)行狀態(tài)，能及時(shí)對出現(xiàn)的故障做出響應(yīng)，同時(shí)停止平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，保障人員與平臺(tái)的安全。
（7）狀態(tài)檢測模塊：通過在平臺(tái)安裝姿態(tài)傳感器和振動(dòng)傳感器，實(shí)時(shí)獲取平臺(tái)的運(yùn)行狀態(tài)，獲取的數(shù)據(jù)經(jīng)過控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)洗出，解算出平臺(tái)的姿態(tài)與振動(dòng)數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)通信方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到HMI模塊進(jìn)行平臺(tái)狀態(tài)的顯示與對比。
7、平臺(tái)運(yùn)動(dòng)功能模式
運(yùn)動(dòng)平臺(tái)可以完成包括：單自由度運(yùn)動(dòng)、任意自由度組合復(fù)合運(yùn)動(dòng)、單缸測試、振動(dòng)測試等多種運(yùn)行模式：
（1）平臺(tái)參數(shù)調(diào)整：
（2）單自由度運(yùn)動(dòng)：可以完成任意一個(gè)自由度的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，用戶可以通過控制軟件輸入指定角度，平臺(tái)就會(huì)運(yùn)行到指定角度；
（3）復(fù)合運(yùn)動(dòng)：可以完成任意六個(gè)自由度的組合，用戶可以通過控制軟件輸入指定角度與平移量，平臺(tái)就會(huì)運(yùn)行到指定位置；
（4）單缸測試：可以任意控制平臺(tái)的電缸進(jìn)行伸縮運(yùn)動(dòng)，用戶可以通過控制軟件輸入指定的伸縮量，電缸會(huì)運(yùn)行到指定的位置；
（5）振動(dòng)測試：可以讓平臺(tái)以指定的頻率進(jìn)行振動(dòng)，用戶可以通過控制軟件輸入指定的振動(dòng)頻率與自由度、運(yùn)動(dòng)范圍，平臺(tái)會(huì)根據(jù)設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行振動(dòng)測試；
8、模擬座艙設(shè)計(jì)
    模擬座艙外罩：座艙罩用玻璃鋼材質(zhì)制造，玻璃鋼材料是屬于一種玻璃纖維的復(fù)合材料,玻璃鋼在行業(yè)中也稱為FRP(玻璃纖維強(qiáng)化塑料)在工業(yè)中我們采用,環(huán)氧樹脂與飽和聚脂等為基體采用與玻璃纖維復(fù)合制作而成的增強(qiáng)型塑料這便是我們現(xiàn)在看到的玻璃鋼,這種玻璃鋼的強(qiáng)化復(fù)合材料在性能上具有很多優(yōu)于塑料的優(yōu)點(diǎn),例如機(jī)械強(qiáng)度高、質(zhì)輕而硬、不導(dǎo)電。
9、視景系統(tǒng)
    視景系統(tǒng)軟件是利用計(jì)算機(jī)圖像生成技術(shù)，產(chǎn)生逼真的窗外影像，如機(jī)場、跑道、田野、河流、道路等地形地貌，云、霧、雨、雪以及白天、黃昏、夜間等天氣氣象，燈光、建筑物等模型，汽車、輪船、飛機(jī)等活動(dòng)目標(biāo)，為駕駛員、參試者、工程設(shè)計(jì)人員和觀察者提供體現(xiàn)飛機(jī)性能表現(xiàn)及飛機(jī)飛行時(shí)的真實(shí)世界的窗外景象。
（1）硬件結(jié)構(gòu)：1、視景系統(tǒng)硬件由視景支架、3臺(tái)32寸顯示器等組成。
 視景支架由基座、電視架連接板、電視支撐板、電視架支撐板、電視架支撐骨架組成；整體噴漆(亞光黑色)；
視景顯示器采用:  1、32英寸全高清顯示器。 

 （2）場景模擬：采用了大量渲染貼圖材質(zhì)，無論是戰(zhàn)斗機(jī)、坦克還是地面建筑都進(jìn)行了細(xì)致認(rèn)真的三維建模，萬里無云的天空、呼嘯而過的戰(zhàn)機(jī)等，在細(xì)膩的紋理襯托下，顯得極其真實(shí)、生動(dòng)。使用虛構(gòu)的世界和國家，許多細(xì)節(jié)和現(xiàn)實(shí)中的戰(zhàn)爭非常相似。一些戰(zhàn)斗機(jī)的現(xiàn)實(shí)特征在游戲中表現(xiàn)出來，也包括一些虛構(gòu)的飛機(jī)，尤其是空中堡壘。
10、軟件仿真系統(tǒng)
（1）戰(zhàn)斗機(jī)模擬器仿真系統(tǒng)由飛行性能仿真系統(tǒng)和設(shè)備系統(tǒng)仿真系統(tǒng)兩部分組成。飛行性能仿真包括飛行動(dòng)力學(xué)與飛行運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算、動(dòng)力裝置模擬及特情處置模擬等部分組成，主要模擬戰(zhàn)斗機(jī)的飛行性能和操穩(wěn)特性，并且提供每個(gè)時(shí)刻的飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)；設(shè)備系統(tǒng)仿真包括操縱、電氣、發(fā)動(dòng)機(jī)、燃油、告警、剎車、儀表等機(jī)載設(shè)備系統(tǒng)仿真軟件模塊，主要完成機(jī)載設(shè)備系統(tǒng)的操作與操作響應(yīng)模擬。
（2）模擬器是人在回路中的仿真系統(tǒng)，由接口軟件實(shí)時(shí)檢測飛行人員對操縱系統(tǒng)及座艙設(shè)備系統(tǒng)的操縱變化，仿真計(jì)算機(jī)通過飛行器性能仿真和設(shè)備仿真軟件及軟件模塊，解算出飛行器運(yùn)動(dòng)及姿態(tài)等性能數(shù)據(jù)及飛行人員對座艙設(shè)備的操作響應(yīng)數(shù)據(jù)，各分系統(tǒng)仿真軟件及仿真模塊利用上述數(shù)據(jù)解算出此刻的系統(tǒng)響應(yīng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，再經(jīng)過接口轉(zhuǎn)換及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，通過顯示器顯示、儀表指示、信號(hào)燈指示、視景圖像、動(dòng)感平臺(tái)、音響聲音等，將飛行人員的操作響應(yīng)實(shí)時(shí)反饋給飛行人員，從而模擬出實(shí)裝駕駛的整個(gè)過程。
（2）其具體工作過程如下：飛行人員在模擬座艙內(nèi)操縱側(cè)桿、加油及其他座艙設(shè)備，由各類操縱傳感器感知駕駛員的操縱動(dòng)作并發(fā)出工作信號(hào)，接口系統(tǒng)將這些信息輸給仿真計(jì)算機(jī)，仿真計(jì)算機(jī)通過飛行性能仿真和設(shè)備仿真等軟件系統(tǒng)對飛行動(dòng)力學(xué)模塊、設(shè)備系統(tǒng)工作模塊、環(huán)境仿真模塊和外部仿真模塊等進(jìn)行解算，解算結(jié)果經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分系統(tǒng)輸送給各仿真物理效應(yīng)分系統(tǒng)；儀表及航空電子模擬分系統(tǒng)實(shí)時(shí)指示或顯示各種飛行參數(shù)和系統(tǒng)工作參數(shù)；視景分系統(tǒng)按駕駛員視點(diǎn)關(guān)系及設(shè)定的能見度和氣象條件生成此刻座艙外的各種景象，包括跑道、燈光、建筑物、田野、河流、海浪、地形地貌、活動(dòng)目標(biāo)（空中、地面、海面）等；聲音模擬分系統(tǒng)給飛行人員提供音響效果，如發(fā)動(dòng)機(jī)聲響、氣流噪聲、設(shè)備工作聲音等。各仿真物理分系統(tǒng)給飛行人員提供多維感知信息，根據(jù)上述信息飛行人員可以在地面完成各種條件下的模擬飛行訓(xùn)練。
五、配置參數(shù)表