飛行模擬器運(yùn)動系統(tǒng)特效

康 峰

（中國民航飛行學(xué)院模擬機(jī)訓(xùn)練中心，廣漢 618307）

0 引言

隨著中國民航事業(yè)和中國大飛機(jī)制造業(yè)快速的發(fā)展，飛行模擬器的需求也越來越大。而我國的自主生產(chǎn)全動飛行模擬器發(fā)展確非常緩慢，瓶頸就在于運(yùn)動系統(tǒng)的仿真。本文就將對其運(yùn)動系統(tǒng)中最關(guān)鍵的指標(biāo)：運(yùn)動系統(tǒng)特效做出研究。

1 軸系統(tǒng)建立

在三維空間中，描述一個(gè)剛體運(yùn)動要六軸，三軸加速度，三軸角速度，這就叫六自由度。六自由度運(yùn)動平臺是由六支作動筒，上、下各六只萬向鉸鏈和上、下兩個(gè)平臺組成，下平臺固定在基礎(chǔ)上，借助六支作動筒的伸縮運(yùn)動，完成上平臺在空間六個(gè)自由度（俯仰，滾轉(zhuǎn) 偏航 升降 縱向平移 側(cè)向平移）的運(yùn)動，從而可以模擬出各種空間運(yùn)動姿態(tài)。

以下顯示了模擬器軸系統(tǒng)的定義和編號

X 縱向沿X方向平移 滾轉(zhuǎn) 繞X軸旋轉(zhuǎn)

Y 橫向沿Y方向平移 俯仰 繞Y軸旋轉(zhuǎn)

Z 垂直沿Z方向的平移 偏航 繞Z軸旋轉(zhuǎn)

2 運(yùn)動特效

這里著重要研究的就是關(guān)于（X Y Z） 方向的移動，以產(chǎn)生諸如湍流；跑道粗糙度；跑道接縫；著陸顛簸等特效，這種運(yùn)動特殊效果是由運(yùn)動系統(tǒng)軟件提供，它存儲在運(yùn)動計(jì)算機(jī)PC內(nèi)，可以傳遞一個(gè)非零值觸發(fā)，傳遞的值為作用“復(fù)現(xiàn)”的百分比，一個(gè)作用結(jié)束以后，傳送一個(gè)非零值，就可重復(fù)該作用。這些顛簸可以用來提供額外的提示，這將在運(yùn)動軟件的調(diào)整過程中決定。如果不使用顛簸，則應(yīng)將值設(shè)置為零。

頻譜

直接設(shè)定點(diǎn)

顛簸

所有的效果對主機(jī)都可用，但特殊效果的典型應(yīng)用如下所示

特殊效果：頻譜；直接設(shè)定點(diǎn)；顛簸

飛行模擬器：湍流，跑道粗糙度；齒輪 收縮/伸展 顛簸，跑道接縫；著陸顛簸。

2.1 頻譜

頻譜用于產(chǎn)生湍流、抖振、跑道粗糙度等。頻譜特殊效應(yīng)由頻率、X增益、Y增益和Z增益變量控制。運(yùn)動軟件包含20個(gè)正弦波發(fā)生器。主機(jī)可以設(shè)定每個(gè)發(fā)生器的頻率和振幅，以X、Y和Z為單位。

主機(jī)必須包含邏輯以確定何時(shí)需要某種效果。氣流和跑道粗糙度的仿真通常由教員選擇。抖振，例如由于速度剎車的延伸，取決于飛機(jī)的配置。主機(jī)可以預(yù)先設(shè)置頻率變量，以覆蓋所需的整個(gè)頻率范圍，例如

Q1=1.9HZ ；Q2=2.15HZ ；Q3=2.7HZ；Q4=3.1HZ ；Q5=3.5HZ ；Q6=4.0HZ；

Q7=5.1HZ；Q8=5.5HZ ；Q9=6.6HZ ；Q10=7.7HZ ；Q11=9.0HZ；Q12=10.2HZ

Q13=11.5HZ；Q14=12.5HZ；Q15=14.5HZ；Q16=17HZ；Q17=21.0HZ

Q18=23.0HZ；Q19=25.0HZ；Q20=30.0HZ

為了提高信號的隨機(jī)性，一個(gè)或多個(gè)頻率可能包含隨機(jī)分量Q15 = 13，0 … 16，0 Hz.

當(dāng)主機(jī)檢測到需要某種效果的條件時(shí)，主機(jī)會設(shè)置所需頻率的增益。例如，要產(chǎn)生一些湍流

Y增益10 0.2 m/s2 Z增益11 0.1 m/s2

Y增益11 0.4 m/s2 Z增益12 0.3 m/s2

Y增益12 0.8 m/s2 Z增益13 1.2 m/s2

Y增益13 0.4 m/s2 Z增益14 0.7 m/s

運(yùn)動計(jì)算機(jī)連續(xù)計(jì)算20個(gè)正弦波，結(jié)果將是Y和Z方向的“湍流運(yùn)動”。如果同時(shí)需要不同的效果，主機(jī)應(yīng)添加增益。當(dāng)不需要任何效果時(shí)，增益應(yīng)設(shè)置為零。

所需頻率和增益可從以下方面得出：

飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)

分析結(jié)果

試錯(cuò)法

2.2 直接設(shè)定值

直接設(shè)定點(diǎn)可用于產(chǎn)生跑道接縫，起落架伸出和收回所產(chǎn)生的顛簸等。直接設(shè)定值使用（x_ 直設(shè)值、y_ 直設(shè)值 和z_ 直設(shè)值） 變量控制，由運(yùn)動軟件提供這三個(gè)輸入，信號被過濾（低通和高通），并在轉(zhuǎn)換到慣性軸系統(tǒng)之前受到限制。

下面舉例說明，跑道接縫效應(yīng)將使用（z_直設(shè)值）進(jìn)行模擬。主機(jī)應(yīng)該計(jì)算的（z_直設(shè)值如），飛機(jī)在滑行時(shí)，大約每秒鐘都會遇到跑道接縫，當(dāng)前輪與接縫交叉時(shí)，會感覺到一個(gè)很大的顛簸，當(dāng)主輪與接縫交叉時(shí)，會感覺到較軟的顛簸。

主機(jī)應(yīng)該計(jì)算的（z_直設(shè)值）如下圖所示。

主機(jī)應(yīng)包含邏輯，在前輪越過接縫時(shí)將z_直設(shè)值為0.002，然后將z_直設(shè)值為0，然后在主輪越過接縫時(shí)將z_直設(shè)值為0.001，然后將z_直接再次設(shè)值為0。顛簸之間的時(shí)間應(yīng)由主機(jī)計(jì)算，并取決于飛機(jī)的速度、距離，前輪和主輪之間的距離和跑道接縫之間的距離。

注意，在本例中，z_直設(shè)值的最大值僅為0.002 m，在運(yùn)動系統(tǒng)的調(diào)諧過程中，通過反復(fù)試驗(yàn)可以找到產(chǎn)生系統(tǒng)最佳的值。

2.3 顛簸

顛簸可用于產(chǎn)生著陸顛簸等，顛簸是存儲在運(yùn)動計(jì)算機(jī)中的短波形，可以由主計(jì)算機(jī)觸發(fā)。當(dāng)主計(jì)算機(jī)觸發(fā)顛簸時(shí)，它將發(fā)送一次，當(dāng)主計(jì)算機(jī)觸發(fā)顛簸時(shí)。它會自動設(shè)置顛簸的振幅。顛簸的持續(xù)時(shí)間取決于存儲波形的長度。

列如在飛機(jī)著陸形態(tài)中，顛簸#1用于生成前起落架的著陸顛簸，顛簸# 2用于生成主起落架的著陸顛簸。下圖將顯示顛簸觸發(fā)，主機(jī)必須確定著陸和顛簸強(qiáng)度，以下假設(shè)主起落架硬著地，彈跳著，然后軟著地，前起落架正常著地的波形圖。

這里也可以用負(fù)振幅觸發(fā)顛簸，波形將“用負(fù)號”回放。

3 結(jié)束語

本文研究了在飛行模擬器中運(yùn)動系統(tǒng)的運(yùn)動特效，這也是飛行模擬器中一個(gè)很重要的指標(biāo)之一。運(yùn)動系統(tǒng)用以太網(wǎng)與主機(jī)通訊。主機(jī)發(fā)送給定值和指令來控制運(yùn)動系統(tǒng)。接口控制平臺運(yùn)動的手段比較靈活，可以通過運(yùn)動計(jì)算機(jī)中的洗出過濾器來控制，也可以通過附加的自由度給定值來控制。主機(jī)接收實(shí)際值以及狀態(tài)信號，對運(yùn)動系統(tǒng)的性能進(jìn)行監(jiān)控。