某型初级教练机小组教学辅助训练系统设计与实现

周晓光,　刘　洋,　岳付昌,　李　莹

(1.海军航空兵学院,辽宁 葫芦岛　125001; 2.93357部队飞行模拟中心,辽宁 鞍山　114225)



某型初级教练机小组教学辅助训练系统设计与实现

周晓光1,刘洋2,岳付昌1,李莹1

(1.海军航空兵学院,辽宁 葫芦岛125001; 2.93357部队飞行模拟中心,辽宁 鞍山114225)

摘要：为丰富学院飞行团队某型初级教练机小组教学训练手段,拓展该型初级教练机小组教学训练内容,针对该型初级教练机小组教学训练需求,设计实现了该型初级教练机小组教学辅助训练系统。系统由模拟座舱、飞行性能仿真系统、三通道视景仿真系统、触摸式虚拟仪表仿真系统、音响模拟系统、辅助教学系统等组成,可实现座舱实习、示范教学、起落、仪表、编队、飞参数据实录与分析、空域导航与认知等功能,是一套基于微机的高度集成的跨学科、综合性辅助教学与训练系统。系统的研制和使用有效提高该型初级教练机小组教学训练质量,缩短飞行团队训练时间,为推进学院飞行训练模式转型奠定技术基础。

关键词：初级教练机; 辅助训练系统; 小组教学

1前言

海军航空兵学院承担着全海军初教级飞行学员的飞行训练教学工作,教学训练任务相当繁重。小组教学是学院飞行团队组织飞行训练的主要教学活动之一,教学主要内容是传达飞行计划、布置飞行任务、讲解外场飞行中存在的问题、解答飞行学员外场飞行中存在的疑问,起着航空理论知识与外场飞行操作相结合纽带作用。小组教学是提升飞行训练质量的关键环节,在飞行员培训中起着重要作用。目前小组教学主要采用室内讲解与室外示范体验相结合的方式进行。小组教学室内讲解中存在的问题主要有以下几个方面:一是在部署飞行任务时,飞行学员对飞行驾驶程序和飞行空域不熟悉,造成明日外场飞行中出现“忙、乱、慌”的情况;二是在讲解飞行训练中出现的问题时,缺乏原场景数据,不能让飞行学员对操作过程有深刻记忆,讲解缺乏有效性和时效性;三是大量的有价值的飞参数据不能够有效利用,没有用于教学服务,不仅影响了飞行质量的提升,也是信息资源的浪费;四是小组教学室外训练器材简陋,训练效果差,不能有效及时地提升飞行学员的训练效果。

针对目前学院团队某型初级教练机小组教学训练中存在的教学手段缺失、教学模式陈旧、教学内容单一等问题,研制了该型初级教练机小组教学辅助训练系统,系统重点解决了初教六教学小组训练中存在的各种问题,综合运用了虚拟现实技术、数学建模技术、大规模地景生成与实时显示技术、多屏显示技术及插件管理技术等先进技术,通过在微机上呈现三维、可交互的虚拟座舱以及与其叠加的外界景物,为该型初级教练机小组教学提供较为逼真的训练环境,可实现座舱实习、示范教学、起落、仪表、飞参数据实录与分析、空域导航与认知等功能,是一套基于微机的高度集成的跨学科、综合性辅助教学与训练系统。

2小组教学辅助训练系统总体设计

2.1功能设计

按照《某型初级教练机飞行训练大纲》要求并结合飞行员小组教学对模拟飞行训练的需求,该模拟器设置如下功能:

正常科目训练:能够模拟各种能见度下的滑行、起飞、转弯、平飞、下滑、着陆和起落航线模拟训练;能够实施仪表飞行、穿云飞行、五边下滑等模拟飞行训练。

特情科目训练:能够进行起落架放不下、刹车失效、发动机抖振、发动机停车、空速表故障、高度表故障、转速表故障、进气压力表故障、陀螺磁罗盘故障、发电机故障等特情模拟飞行训练,能够实施各空域迫降场着陆模拟飞行训练。

飞行条件设置:方便进行飞行时间设置、能见度设置、云底高度及云厚设置、风速风向设置、昼间及夜间选择等飞行气象条件设置。

教学辅助功能:

(1) 空域导航与认知。 开发飞行训练基本地域的地理信息系统,用于熟悉空域信息与建立空间定向感觉。

(2) 示范教学。示范教学采用视频教学方式,详细讲解起落、特技飞行动作技术要领。

(3) 飞参数据实录与分析。对飞参数据进行采集和平滑处理,根据飞参数据进行飞行过程重构,查找导致事故的倾向,及时修正学员的错误动作,提升飞行训练的针对性。

2.2结构设计

某型初级教练机小组教学辅助训练系统是由计算机组成的实时动态仿真系统,主要由八个分系统组成:

(1) 模拟座舱系统;

(2) 操纵负荷系统;

(3) 座舱仪表指示系统;

(4) 音响模拟系统;

(5) 飞行模拟解算系统;

(6) 视景显示系统;

(7) 计算机通讯与接口系统;

(8) 教学辅助系统;

(9) 电源配电系统。

其中,模拟座舱系统由座舱支架、油门、座椅等组成;操纵负荷系统主要由驾驶杆、脚蹬舵组成;座舱仪表系统由触摸屏和虚拟仪表组成,提供触摸式交互操作;数字音响系统由数字音响计算机和音效卡组成;视景系统由视景生成系统和视景显示系统组成;计算机通讯与接口系统由网络通讯设备和各种接口板卡组成;电源系统由各种电源组成。教学辅助系统由空域导航与认知子系统、航空理论数据库、示范教学视频资料等组成。模拟器系统结构框图如图1所示。

图1　组教学辅助训练系统结构Fig.1　The system structure of group teaching assistant training system

3小组教学辅助训练系统硬件设计

硬件设计如图2所示,主要包括座舱平台、座椅、视景显示器、仪表触摸屏、驾驶杆、油门、脚蹬等。

图2　系统硬件设计Fig.2　The design ofsystem hardware

(1) 座舱平台

底部平台尺寸为1900x800x215mm;底部平台用40x40mm的角钢加工焊接成框架,地板使用4mm踏花铝板,与框架拴接。底部安装调平支脚和4个轮子,便于移动和固定。平台前部空挡处安装操纵系统集中控制盒、电源箱等设备。左右操作台操纵台用方管焊接,左侧预留油门台安装位置。仪表板及风挡支撑架用方管焊接,上方安装风挡框,中间安装中央仪表显示器,显示器可上下调节。工控机安装架用方管焊接,内置2个工控机安装位置,工控机两侧有滑轨,安装完成后可向外拉出。安装架上方安装有3台视景显示器及其固定架,固定架可上下调节。中央仪表显示器采用24寸电阻式触摸显示器,屏幕16:10,分辨率1920X1200,VGA、DVI、DP各一个,4个USB接口,可视角度178垂直、178水平。电源控制箱用于给操纵系统提供工作电源;电源控制箱输入为交流电压AC220V;输出为2路直流电压;1路DC5V,200W;1路DC24V,500W。电源控制箱通过航插YP21-14TK输出DC5V/DC24V到集线控制箱。安装在底座右前部。

(2) 驾驶杆操纵系统

驾驶杆操纵系统如图3所示,杆头由实装件改装,操纵杆位置及操纵行程:离仪表板下沿距离:190mm;向前行程:160mm;向后行程:160mm;左右行程:130mm。操纵负荷:安装弹簧筒:在操纵杆底部传动曲柄处分别连接横向、纵向实装件弹簧,为操作杆提供同真机相同零位起始杆力及最大行程杆力;安装阻尼件:在操纵杆底部传动曲柄另一连接点处分别连接横向、纵向实装阻尼件,为操作杆提供同真机相同操纵阻尼力;操纵杆位置取样:操纵杆横向、纵向位置及刹车均采用电位器,采样信息通过操纵系统集中控制盒送上位机。

图3　驾驶杆操纵系统Fig.3　The stick control system

(3) 脚蹬操纵系统

脚蹬操纵系统如图4所示。脚蹬:实装件;操纵负荷:(1)安装弹簧:在脚蹬底部旋转轴曲柄处连接实装件弹簧,为脚蹬提供同真机相同零位起始力及最大行程力。(2)安装阻尼件:在脚蹬底部旋转轴曲柄另一连接点处连接实装阻尼件,为脚蹬提供同真机相同操纵阻尼力。操纵杆位置取样:航向位置取样用电位器进行数据采样,脚蹬位置信号均通过操纵系统集中控制盒送上位机。

图4　脚蹬操纵系统Fig.4　The pedal control system

(4) 油门台操纵系统

油门杆头:实装件,2个按钮开关,信号送操纵系统集中控制盒采集处理后与上位机交联。油门控制台:实装件加装采集机构,提供一定的阻尼摩擦,位置信号通过3个电位器和操纵系统集中控制盒采集处理,送入操纵系统集中控制盒,如图5所示。

图5　油门台操纵系统Fig.5　The throttle control system

4小组教学辅助训练系统软件设计

(1) 飞行仿真系统

仿真解算系统主要是负责采集飞行员的两杆一舵等操纵数据,并从座舱接口计算机接收飞行员的操纵开关、电门等控制动作,用数值积分方法解算飞机的运动方程和动力方程,得到实时数值解,将飞机的实时位置及姿态等有关参数传送到视景计算机、仪表计算机进行显示和其它相关方面的解算[1][2]。

推导整理得到机体轴系的质心动力学方程,如下式[3]:

(1)

式中,Vxt,Vyt,Vzt分别为飞行速度在三个机体轴的分量;ωx,ωy,ωz分别为飞机旋转角速度在三个机体轴的分量;Fx,Fy,Fz分别为作用在飞机上的力在三个机体轴的分量。对式上式的积分就可得到飞机速度在机体坐标系的分量。

用下式将机体速度分量转化到地面速度分量[4,5]。

(2)

再进行积分就得到了飞机相对于地面坐标系的位置(xd,yd,zd)。

推导整理得到机体轴系的质心转动动力学方程,如下式[6]:

(3)

式中,Ix,Iy,Iz分别为飞机相对于三个机体轴的转动惯量;Ixy为飞机相对于x、y轴的惯性积。飞机可认为基本具有纵对称面,所以可以忽略掉其相对于z、x轴和y、z轴的惯性矩Iyz=Izx=0。∑Mx,∑My,∑Mz分别为作用在飞机上的力矩矢量在机体轴上的分量。对式积分就可得到飞机旋转角速度在机体坐标系的分量。

得到了飞机旋转角速度在机体坐标系的分量后应用四元数法来求得飞机姿态角,如下式[7]:

(4)

要解算飞机的运动方程,还必须确定作用在飞机上的气动力和气动力矩,气动力包括升力、阻力以及发动机的推力;气动力矩包括分解到各机体轴的操纵力矩、稳定力矩等。根据飞机空气动力学的原理,飞机上的气动力和力矩与飞机的气流角和速度有关。在计算飞机空气动力时,还要考虑空气运动对飞行的影响。

(2) 视景仿真系统

视景仿真环境,采用先进成熟的计算机成像技术,视景驱动平台选用VegaPrime2.0,基于C++语言开发,视景数据库大量使用可获取的地理信息数据,如高分辨率卫星遥感数据、数字、高程模型数据等并使用CTS2.1生成极具现实感的地景环境生成。模型数据库采用Creator3.0开发,包括飞机、机场、建筑物等。视景生成系统的实现主要包含两个过程:视景数据库的建立(如图6)和视景驱动程序的开发。视景数据库建模工作主要由地形建模和三维物体建模组成,在此基础上通过实例、LOD、纹理和子面等典型技术应用来节省系统资源、提高实时运行速度、提高视景清晰度。

(3) 虚拟仪表系统

虚拟航空仪表系统开发过程,要依托于多种技术并借助许多软件工具才能完成,其开发工作主要集中在虚拟仪表的外观,指针,滚动显示数据条,警告等设计与制作,通讯接口的开发以及外设硬件的驱动三方面,虚拟仪表界面是虚拟仪表制作的主要工作,其界面的逼真度是影响虚拟仪表系统真实感的主要因素。同时,飞行模拟器虚拟仪表系统的开发应该保证具有一定的灵活性,平台的可移植性和良好的实时交互性,故而对系统软件开发环境提出了较高的要求。为了保证开发的速度,质量、可扩展性、可移植性,项目选用DISTI公司的GLStudio作为虚拟仪表的主要开发工具,增强了仿真航空仪表系统的快速开发和有效管理,提高了系统快速绘制能力,事实渲染能力和交互能力,并为系统的开放性,平台一直性提供了技术保障[8]。

在整个仿真仪表开发流程中,主要操作过程是在GLStudio中设计完成的。在整个仪表的开发过程中,主要分为4大设计过程,包括仿真仪表界面的开发、控件驱动方式定义、对按键消息的处理、外部网络通讯程序开发[9]。开发仿真航空仪表执行文件的过程是一个交互循环的过程,如图7所示。首先建立GLStudio与VC++编译器的连接,然后编辑图形界面,利用GLStudio的自动代码生成器产C++,OpenGL代码[10]。如果界面不令人满意,则需要重新编译,修改和再次生成可执行文件。开发流程如图7所示[11-13]。

图6　视景数据库生产流程图Fig.6　The process of visual database design

图7　虚拟仪表开发流程Fig.7　The process of visual meter development

5仿真结果

应用本文提出的设计方法实现的该型初级教练机小组教学辅助训练系统如图8所示,三通道视景系统提供了良好的视觉仿真环境,触摸式虚拟仪表系统提供了良好的交互操纵界面,驾驶杆、脚蹬操纵系统由真实装备改制而成,具有良好的操纵感觉,系统整体性能满足了小组教学训练需要,已经在部队训练推广。

飞行性能仿真系统输出如图9所示,图9中显示了该型初级教练机位移加速度、角速度在飞机起飞阶段的变化情况,对比飞机飞参数据,结合飞行员试飞感觉,飞行性能仿真教好的满足了训练需求。

6结论

本文结合学院飞行团队某型初级教练机小组教学训练需要,综合应用数学建模技术、虚拟现实技术、大地景生成现实技术、飞参数据采集处理技术,设计和实现了该型初级教练机小组教学辅助训练系统。该小组辅助训练系统的研制和使用,对于提升小组教学训练质量,保障该型初级教练机飞行训练安全起到了重要作用,具有较高的军事和经济效益。

图8　某型初级教练机小组教学辅助训练系统Fig.8　An assistant training system of a certain type of primary trainer aircraft

图9　飞行性能仿真系统输出Fig.9　The output of performance simulation system

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周晓光男(1982-),吉林蛟河人,博士,工程师,主要研究方向为飞行仿真,作战建模。

刘洋男(1982-),辽宁鞍山人,工程师,主要研究方向为飞行仿真,模拟训练。

中图分类号：TP391.9

文献标识码：A

基金项目：武器装备军内科研科学研究项目资助(***模拟训练装备应用研究)

An Assistant Training System of a Certain Type of Primary Trainer Aircraft

ZHOU Xiaoguang,LIU Yang,YUE Fuchang

(1.Navalaviationinstitute,Huludao125001,China;2.FlightSimulationCenterof93357Troops,Anshan114225,China)

Abstract：In order to enrich teaching methods and expand the training content of group teaching of flight regiment,according the training needs of group teaching,an assistant training system of a certain type of primary trainer is designed.The system consists of cockpit,flight performance simulation system,three channels visual simulation system,touch type virtual meter system,sound simulation system and assistant teaching system.The system realizes function of cockpit practice,demonstration teaching,take-off and landing flight,instrument flight,flight datum analysis and airspace cognition and navigation.The system is intordiscipline and comprehensive teaching and training system based on computer.The system can improve the quality and short the training time of group teaching and lay the technology foundation for training mode transtition.

Key words：primary trainer; assistant training system; group teaching