飞行模拟器运动系统特效

康 峰

（中国民航飞行学院模拟机训练中心，广汉 618307）

0 引言

随着中国民航事业和中国大飞机制造业快速的发展，飞行模拟器的需求也越来越大。而我国的自主生产全动飞行模拟器发展确非常缓慢，瓶颈就在于运动系统的仿真。本文就将对其运动系统中最关键的指标：运动系统特效做出研究。

1 轴系统建立

在三维空间中，描述一个刚体运动要六轴，三轴加速度，三轴角速度，这就叫六自由度。六自由度运动平台是由六支作动筒，上、下各六只万向铰链和上、下两个平台组成，下平台固定在基础上，借助六支作动筒的伸缩运动，完成上平台在空间六个自由度（俯仰，滚转 偏航 升降 纵向平移 侧向平移）的运动，从而可以模拟出各种空间运动姿态。

以下显示了模拟器轴系统的定义和编号

X 纵向沿X方向平移 滚转 绕X轴旋转

Y 横向沿Y方向平移 俯仰 绕Y轴旋转

Z 垂直沿Z方向的平移 偏航 绕Z轴旋转

2 运动特效

这里着重要研究的就是关于（X Y Z） 方向的移动，以产生诸如湍流；跑道粗糙度；跑道接缝；着陆颠簸等特效，这种运动特殊效果是由运动系统软件提供，它存储在运动计算机PC内，可以传递一个非零值触发，传递的值为作用“复现”的百分比，一个作用结束以后，传送一个非零值，就可重复该作用。这些颠簸可以用来提供额外的提示，这将在运动软件的调整过程中决定。如果不使用颠簸，则应将值设置为零。

频谱

直接设定点

颠簸

所有的效果对主机都可用，但特殊效果的典型应用如下所示

特殊效果：频谱；直接设定点；颠簸

飞行模拟器：湍流，跑道粗糙度；齿轮 收缩/伸展 颠簸，跑道接缝；着陆颠簸。

2.1 频谱

频谱用于产生湍流、抖振、跑道粗糙度等。频谱特殊效应由频率、X增益、Y增益和Z增益变量控制。运动软件包含20个正弦波发生器。主机可以设定每个发生器的频率和振幅，以X、Y和Z为单位。

主机必须包含逻辑以确定何时需要某种效果。气流和跑道粗糙度的仿真通常由教员选择。抖振，例如由于速度刹车的延伸，取决于飞机的配置。主机可以预先设置频率变量，以覆盖所需的整个频率范围，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

为了提高信号的随机性，一个或多个频率可能包含随机分量Q15 = 13，0 … 16，0 Hz.

当主机检测到需要某种效果的条件时，主机会设置所需频率的增益。例如，要产生一些湍流

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

运动计算机连续计算20个正弦波，结果将是Y和Z方向的“湍流运动”。如果同时需要不同的效果，主机应添加增益。当不需要任何效果时，增益应设置为零。

所需频率和增益可从以下方面得出：

飞行试验数据

分析结果

试错法

2.2 直接设定值

直接设定点可用于产生跑道接缝，起落架伸出和收回所产生的颠簸等。直接设定值使用（x_ 直设值、y_ 直设值 和z_ 直设值） 变量控制，由运动软件提供这三个输入，信号被过滤（低通和高通），并在转换到惯性轴系统之前受到限制。

下面举例说明，跑道接缝效应将使用（z_直设值）进行模拟。主机应该计算的（z_直设值如），飞机在滑行时，大约每秒钟都会遇到跑道接缝，当前轮与接缝交叉时，会感觉到一个很大的颠簸，当主轮与接缝交叉时，会感觉到较软的颠簸。

主机应该计算的（z_直设值）如下图所示。

主机应包含逻辑，在前轮越过接缝时将z_直设值为0.002，然后将z_直设值为0，然后在主轮越过接缝时将z_直设值为0.001，然后将z_直接再次设值为0。颠簸之间的时间应由主机计算，并取决于飞机的速度、距离，前轮和主轮之间的距离和跑道接缝之间的距离。

注意，在本例中，z_直设值的最大值仅为0.002 m，在运动系统的调谐过程中，通过反复试验可以找到产生系统最佳的值。

2.3 颠簸

颠簸可用于产生着陆颠簸等，颠簸是存储在运动计算机中的短波形，可以由主计算机触发。当主计算机触发颠簸时，它将发送一次，当主计算机触发颠簸时。它会自动设置颠簸的振幅。颠簸的持续时间取决于存储波形的长度。

列如在飞机着陆形态中，颠簸#1用于生成前起落架的着陆颠簸，颠簸# 2用于生成主起落架的着陆颠簸。下图将显示颠簸触发，主机必须确定着陆和颠簸强度，以下假设主起落架硬着地，弹跳着，然后软着地，前起落架正常着地的波形图。

这里也可以用负振幅触发颠簸，波形将“用负号”回放。

3 结束语

本文研究了在飞行模拟器中运动系统的运动特效，这也是飞行模拟器中一个很重要的指标之一。运动系统用以太网与主机通讯。主机发送给定值和指令来控制运动系统。接口控制平台运动的手段比较灵活，可以通过运动计算机中的洗出过滤器来控制，也可以通过附加的自由度给定值来控制。主机接收实际值以及状态信号，对运动系统的性能进行监控。