直升機(jī)飛行訓(xùn)練系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

王衛(wèi)軍，宗安漢，王 建，張 弓，王 壇，周成鵬

(1.深圳市中科德睿智能科技有限公司，深圳 518109；2.廣州先進(jìn)技術(shù)研究所，廣州 511458)

0 引言

隨著通用航空需求的不斷擴(kuò)大，直升機(jī)以其獨(dú)有的機(jī)動性和靈活性而被廣泛應(yīng)用，數(shù)量正在飛速增長。但是因?yàn)槿狈ο嚓P(guān)技術(shù)的研究與創(chuàng)新，導(dǎo)致直升機(jī)飛行員的培訓(xùn)手段單一，只能依賴于真機(jī)或模擬機(jī)(器)。周期長、成本高等問題嚴(yán)重制約著通用航空領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展。

飛行模擬器具有操作逼真、使用靈活、維護(hù)容易等優(yōu)點(diǎn)。因此，作為科學(xué)研究、飛行員培訓(xùn)和新型飛機(jī)設(shè)計(jì)研發(fā)的基本工具，航空領(lǐng)域十分依賴飛行模擬器[1]。而直升機(jī)模擬器技術(shù)則是在固定翼飛行模擬器的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，可通過對直升機(jī)運(yùn)動狀態(tài)的仿真還原來模擬真實(shí)的飛行狀況[2]。EU認(rèn)為，隨著技術(shù)的進(jìn)步和成本的下降，使用模擬器進(jìn)行安全、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保駕駛訓(xùn)練的優(yōu)勢變得更加明顯。但是，訓(xùn)練模擬器也要根據(jù)相關(guān)部門的規(guī)定和要求制定嚴(yán)格的方法和標(biāo)準(zhǔn)[3]。RC等對某型直升機(jī)的進(jìn)行了動態(tài)建模，并對其進(jìn)行仿真，從而驗(yàn)證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性[4]。夏偉提出通過虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality,VR)給飛行模擬器帶來沉浸感[5]，從而提升培訓(xùn)效率的想法但并未有實(shí)際應(yīng)用。劉金峰則在直升機(jī)模擬器上搭載了VR視景仿真系統(tǒng)，并進(jìn)行了整體性能測試，效果良好[6]。栗英杰深入研究了直升機(jī)飛行模擬器的動力學(xué)分析、視景仿真等關(guān)鍵技術(shù)，并成功應(yīng)用，驗(yàn)證了其可行性[7]。馮云龍通過研究相關(guān)算法并提出模糊優(yōu)化洗出算法，由仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了該算法對直升機(jī)模擬器提升運(yùn)動臨場感的有效性[8]。程海濤基于VR技術(shù)開發(fā)了直升機(jī)飛行模擬器，可以實(shí)現(xiàn)直升機(jī)多種姿態(tài)和飛行狀況的模擬，但是因缺少音頻使得沉浸感大幅下降[9]。李進(jìn)基于最新的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范設(shè)計(jì)了某些直升機(jī)飛行模擬器的設(shè)計(jì)方案，并開發(fā)了相應(yīng)的仿真模型，明確了訓(xùn)練需求，但視景系統(tǒng)并未結(jié)合VR/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(allgmented reality,AR)技術(shù)以提升真實(shí)感[10]。

六自由度并聯(lián)平臺可以提供縱向、橫向、垂向、俯仰、橫滾、偏航6個自由度的運(yùn)動，廣泛應(yīng)用于汽車、飛機(jī)、艦船的運(yùn)動模擬[11-12]。對于直升機(jī)飛行模擬，不僅需要六自由度并聯(lián)平臺帶來運(yùn)動模擬反饋，還需要結(jié)合VR技術(shù)提供實(shí)時3D視覺反饋，從而更真實(shí)地還原直升機(jī)飛行體驗(yàn)，為直升機(jī)飛行培訓(xùn)等提供幫助[13]。

因此，本文以六自由度并聯(lián)平臺作為運(yùn)動平臺，建立直升機(jī)與六自由度并聯(lián)平臺的姿態(tài)映射關(guān)系，通過2g的最大加速度、30 Hz震感，以及結(jié)合VR技術(shù)，使飛行員在控制操縱桿模擬飛行訓(xùn)練時可實(shí)現(xiàn)更逼真的臨場感體驗(yàn)。

1 控制原理

1.1 主從控制模式

本文所開發(fā)的直升機(jī)飛行訓(xùn)練系統(tǒng)使用主從控制模式。由于直升機(jī)與六自由度并聯(lián)平臺都擁有空間中沿x、y、z三軸的移動和繞x、y、z三軸的旋轉(zhuǎn)，共6個自由度運(yùn)動，正好一一對應(yīng)形成映射關(guān)系。以直升機(jī)的運(yùn)動位姿為主動、六自由度并聯(lián)平臺的位姿為從動，二者在空間中點(diǎn)對點(diǎn)對應(yīng)，可以最大限度地還原真實(shí)感，也便于系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

本文采用的主從控制模式流程如圖1所示。

圖1 主從控制模式流程圖

當(dāng)飛行員駕駛模擬直升機(jī)時可輸出運(yùn)動姿態(tài)(xH,yH,zH,αH,βH,γH)，經(jīng)過(kx,ky,kz,kα,kβ,kγ)的比例映射,可以得到六自由度并聯(lián)運(yùn)動平臺的輸入姿態(tài)(xS,yS,zS,αS,βS,γS)。再對其進(jìn)行運(yùn)動學(xué)反解，即可得到各軸桿長(l1,l2,l3,l4,l4,l5)。

1.2 運(yùn)動學(xué)反解

六自由度并聯(lián)平臺結(jié)構(gòu)如圖2所示[14]。

圖2 六自由度并聯(lián)平臺結(jié)構(gòu)簡圖

為了說明直升機(jī)與并聯(lián)平臺的姿態(tài)映射關(guān)系，需要建立六自由度并聯(lián)平臺的運(yùn)動學(xué)反解模型[15]。根據(jù)并聯(lián)機(jī)構(gòu)相關(guān)理論，以動平臺M的中心p為原點(diǎn)建立動坐標(biāo)系p-xyz，并且固聯(lián)于動平臺M，同時px軸、py軸始終在動平臺M的平面內(nèi)，px軸也垂直于M5M6；以靜平臺N中心O為原點(diǎn)建立靜坐標(biāo)系O-XYZ，并且固聯(lián)于靜平臺N，同時OX軸、OY軸始終在下平臺N的平面內(nèi)，OX軸也垂直于N5N6，

假設(shè)上平臺位姿的廣義坐標(biāo)為A=[x,y,z,α,β,γ]。其中：x、y、z為動坐標(biāo)系原點(diǎn)p在靜坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；α、β、γ為動坐標(biāo)系原點(diǎn)p相對于靜坐標(biāo)系的歐拉角表示。

根據(jù)歐拉角及旋轉(zhuǎn)變換理論，有旋轉(zhuǎn)矩陣：

(1)

動坐標(biāo)系到靜坐標(biāo)系的齊次變換矩陣為：

(2)

(3)

由式(3)可得第i軸驅(qū)動桿的長度為：

(4)

基于此，六自由度并聯(lián)平臺便可以根據(jù)需要模擬的直升機(jī)姿態(tài)作出相應(yīng)的動作和變化。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的并聯(lián)平臺除了可以提供6個自由度的運(yùn)動外，還具有運(yùn)動范圍廣、震感明顯、負(fù)載大的特點(diǎn)。其運(yùn)動控制器為六軸控制卡。STM32核心強(qiáng)大的運(yùn)算能力，可以實(shí)時控制平臺運(yùn)動、監(jiān)控限位信號并提供危險(xiǎn)警示。臺達(dá)伺服驅(qū)動配合力姆泰克電缸組成的驅(qū)動系統(tǒng)，可以保證平臺高強(qiáng)度、高速度和高精度的運(yùn)動，同時也具備斷電保護(hù)功能。另外，磁感應(yīng)式限位開關(guān)不僅體積小巧、使用方便，而且性能可靠。

六自由度并聯(lián)平臺如圖3所示。

圖3 六自由度并聯(lián)平臺

操控裝置為專業(yè)級直升機(jī)飛行操控套件，包括總距桿、方向舵、腳蹬和若干航電按鈕。操控裝置采用模塊化設(shè)計(jì)，外觀完全仿照真實(shí)直升機(jī)操縱桿，并具有力反饋裝置，支持自定義功能，能夠滿足各型直升機(jī)駕駛環(huán)境和功能的需求。

直升機(jī)飛行操控套件如圖4所示。

圖4 直升機(jī)飛行操控套件

HTC VIVE Pro虛擬交互設(shè)備為當(dāng)前市場上的高端產(chǎn)品。其HMD內(nèi)置六自由度定位芯片，可以實(shí)現(xiàn)360°頭部追蹤；具備3K高清屏、90 Hz刷新率、3D立體空間音效，可以營造身臨其境般的感官效果，并通過配套的無線手柄進(jìn)行虛擬交互。同時，本飛行訓(xùn)練系統(tǒng)也配備了普通顯示器，以照顧部分對VR有不適的人群，也方便教員輔助指導(dǎo)。

計(jì)算機(jī)配置為：Win10系統(tǒng)；Intel i9-9900k處理器；Titan RTX顯卡；32 GB雙通道內(nèi)存。

系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖5所示。操控裝置通過USB與主機(jī)相連。VR眼鏡通過DP和USB與主機(jī)相連。顯示器通過視頻圖形陣列(video graphics array,VGA)與主機(jī)相連。主機(jī)通過以太網(wǎng)與運(yùn)動控制器連接。

圖5 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖

2.2 軟件設(shè)計(jì)

本直升機(jī)飛行模擬系統(tǒng)使用Xplane11，內(nèi)置包括民航客機(jī)、固定翼、直升機(jī)在內(nèi)的多種類型各種型號的飛機(jī)參數(shù)，從外觀結(jié)構(gòu)到內(nèi)飾儀表都極致還原真機(jī)。地理環(huán)境涵蓋了全球80%以上的機(jī)場。天氣系統(tǒng)也可以模擬晴、雨、云、雪等任何氣象條件。Xplane11還保留了二次開發(fā)的空間，用戶不僅可以自行設(shè)計(jì)飛機(jī)模型導(dǎo)入使用，還采集了包括方位、速度、加速度、角度等百余項(xiàng)飛行數(shù)據(jù)供用戶提取使用。

Xplane11視角如圖6所示。

圖6 Xplane11視角圖

飛行模擬控制軟件基于C#語言自主開發(fā)，可實(shí)現(xiàn)與Xplane11的數(shù)據(jù)交互和控制運(yùn)動平臺動作。由于Xplane官方支持的數(shù)據(jù)通信方式十分復(fù)雜，因此飛行模擬控制軟件與Xplane11間的UDP通信通過插件XPlaneConnect實(shí)現(xiàn)。XPlaneConnect是由NASA專門為Xplane通信設(shè)計(jì)的一款開源插件，說明教程詳細(xì)豐富、使用開發(fā)方便快捷。其眾多的內(nèi)置函數(shù)可通過UDP/IP協(xié)議(IP:127.0.0.1，Port：49000)從Xplane11接收飛機(jī)的實(shí)時動態(tài)數(shù)據(jù)，包括三軸位移、加速度、角度等。飛行模擬控制軟件再通過UDP/IP協(xié)議(IP:192.168.0.1，Port:8000)向下位機(jī)發(fā)送飛機(jī)的實(shí)時動態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)運(yùn)動學(xué)反解運(yùn)動平臺可對直升機(jī)的飛行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時模擬。飛行控制軟件在每次啟動時，會命令運(yùn)動平臺回零校正，飛行模擬前再回中復(fù)位。此時，運(yùn)動平臺各自由度運(yùn)動范圍最大，模擬性能最佳。另外，飛行模擬控制軟件還集成了飛行訓(xùn)練大綱和教學(xué)課件，并能記錄用戶的飛行數(shù)據(jù)，以便訓(xùn)練科目的實(shí)施。飛行訓(xùn)練系統(tǒng)邏輯框圖如圖7所示。

圖7 飛行訓(xùn)練系統(tǒng)邏輯框圖

2.3 系統(tǒng)搭建

搭建好的直升機(jī)飛行訓(xùn)練系統(tǒng)如圖8所示。飛行訓(xùn)練系統(tǒng)包括并聯(lián)平臺、操控裝置、視景顯示單元、主機(jī)、運(yùn)動控制器和伺服。并聯(lián)平臺、操控套件和VR設(shè)備能夠真實(shí)地還原直升機(jī)駕駛的環(huán)境和功能。主機(jī)在接收到操縱桿信號后，令視景畫面內(nèi)的直升機(jī)作出相應(yīng)動作，同時向運(yùn)動控制器發(fā)送模擬平臺運(yùn)動指令。運(yùn)動控制器完成指令解碼即可驅(qū)動伺服電機(jī)，使模擬平臺完成直升機(jī)的飛行姿態(tài)模擬。

圖8 直升機(jī)飛行訓(xùn)練系統(tǒng)示意圖

3 試驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證所開發(fā)的直升機(jī)飛行模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果，本文邀請了飛行員進(jìn)行模擬飛行訓(xùn)練。

試驗(yàn)采集了一段時間內(nèi)模擬飛行時直升機(jī)的姿態(tài)數(shù)據(jù)和六自由度并聯(lián)平臺的六軸數(shù)據(jù)。其中：0～5 s為復(fù)合運(yùn)動；5～15 s為偏航運(yùn)動；15～25 s為橫滾運(yùn)動。由此可見，本文所開發(fā)的系統(tǒng)確實(shí)能較好地完成直升機(jī)飛行模擬的相關(guān)動作。

三軸加速度變化如圖9所示。

圖9 三軸加速度變化圖

角度變化如圖10所示。

圖10 角度變化圖

六軸缸長變化如圖11所示 。

圖11 六軸缸長變化圖

由圖9～圖11可知，本文所設(shè)計(jì)的VR直升機(jī)飛行訓(xùn)練系統(tǒng)能通過VR技術(shù)和六自由度并聯(lián)平臺為飛行員的模擬飛行帶來更優(yōu)的感官體驗(yàn)，不僅可以模擬日常的飛行訓(xùn)練，規(guī)范操作技能、培養(yǎng)安全意識，還可以模擬困難復(fù)雜項(xiàng)目，例如海上平臺起降展開針對性訓(xùn)練模擬。模擬飛行后，對5名飛行員從功能性、逼真性和實(shí)用性這3個方面進(jìn)行意見采集。反饋意見顯示，該飛行訓(xùn)練系統(tǒng)非常接近真實(shí)飛行駕駛體驗(yàn)，逼真度較高，可在一定程度上輔助飛行訓(xùn)練任務(wù)。

4 結(jié)論

本文開發(fā)的基于VR的直升機(jī)飛行訓(xùn)練系統(tǒng)，能夠較好地還原直升機(jī)駕駛環(huán)境，模擬直升機(jī)機(jī)動狀態(tài)，并能擔(dān)負(fù)部分訓(xùn)練科目，對培養(yǎng)飛行員的程序化操作和安全意識有積極作用。經(jīng)多位飛行員體驗(yàn)后反饋，本系統(tǒng)模擬逼真度高，具有良好的實(shí)際應(yīng)用效果。