基于AR技术的弹射救生模拟训练系统

魏 东， 李 伟， 刘书岩

(海军航空大学,山东 烟台 264000)

弹射救生装置是歼击机的重要组成部分，当发生危及飞行员生命安全的特情时，该装置利用弹射动力将飞行员和弹射座椅一起弹射离机以保证飞行员生命安全[1]。长期以来，由于弹射座椅工作的特殊性，在教学训练过程中缺乏相应的实践教学设备，教学内容只能以理论讲授的方式进行，不能对学员进行针对性的模拟训练，因此学员在使用弹射设备的过程中，存在一定的问题，因肢体扑打和弹射动作不正确造成的损伤较多。

为改变这种状况，张晓梅等[2]针对飞行人员在弹射跳伞中的损伤进行了研究，对飞机类型、跳伞原因、飞行员年龄、飞行速度、飞行高度对跳伞损伤的影响和损伤类型进行了分析，对提高弹射救生成功率、减少损伤具有一定的帮助，但是并没有从训练角度提出解决方法；张玉刚等[3]分别针对弹射救生过程中人-椅运动、人-椅分离、伞降着陆阶段的特点进行了研究，并建立了一系列的数学模型，为模拟弹射救生过程提供了理论基础；王扬[4]利用仿真支撑软件PROSIMS对弹射离机、救生伞张开、伞降着陆阶段进行了仿真，为设计并实现弹射救生模拟训练装置提供了具有参考意义的思路；李慧等[5]以第三代弹射座椅为研究对象，对航空弹射救生过程的视景仿真技术进行了研究，实现了基于3Ds max、Unity3D引擎和C#为平台的人-椅-伞仿真系统，并以此开发了基于数据驱动的弹射救生可视化桌面软件，将弹射救生过程可视化。该软件首次实现了弹射座椅工作过程的可视化演示，对航理教学具有一定的帮助，但是该软件只能单纯地演示弹射救生过程，不能和飞行员进行有效交互，本质上仍属于弹射救生装置理论教学手段的补充。

本文在上述研究成果的基础上，结合弹射救生装置使用训练需求，利用AR技术，构建了弹射救生模拟训练系统，以满足弹射救生模拟训练需求，锻炼飞行员的弹射救生技能，同时提升弹射救生装置教学的实际效果。

1 弹射救生装置的工作过程

不同型号的弹射救生装置在弹射性能上存在一定的差异性，但工作过程基本相同。弹射救生装置工作过程如图1所示。

图1 弹射救生装置的工作过程

① 弹射准备和启动阶段。

飞行员保持好飞机姿态，做好弹射准备，拉动弹射手柄后，击发燃爆机构，产生的高温燃气传到约束系统，约束飞行员上肢，并通过肩带拉紧机构将飞行员强制拉到弹射姿态[6-7]；稳定伞射伞枪射出稳定伞，并激发弹射筒打火工作，产生燃气推动座椅开始向上运动，并清理弹射通道。

② 弹射上升阶段。

在弹射筒推力的作用下，座椅沿导轨向上运动，限腿带将飞行员双腿收回并固定在椅盆前沿[6]，同时启动自动开锁器，使其进入工作状态，开始计时。

③ 弹射离机阶段。

远距点火机构工作，在火箭包的推力作用下，推动座椅继续向上运动，离开座舱。

在座椅离机后，稳定减速伞张满，飞行员和弹射座椅在稳定减速伞的作用下，稳定下降，一直到人-椅分离阶段[6-7]。

对于双座飞机，该阶段由发散火箭使前后舱飞行员的弹射轨迹分别向左右发散，防止弹射轨迹出现交叉，本系统只针对单座飞机进行弹射模拟训练。

④ 人-椅分离阶段。

当满足人-椅分离条件后，自动开伞器激发人-椅分离系统的点火机构，产生高温燃气，释放约束系统和稳定伞，救生伞射伞枪射出救生伞，救生伞张满，人、椅迅速分离，飞行员乘救生伞稳定下降[6-7]。

⑤ 伞降和着陆阶段。

人、椅分离后，飞行员乘救生伞稳定下降并着陆[6-7]。

2 弹射救生模拟训练系统的功能需求

弹射救生模拟训练系统利用AR技术对弹射救生座椅的工作过程进行模拟，以完成过载适用性训练、弹射时机决断能力训练、弹射救生模拟训练，同时还应具有自动评估和视频监控、回放功能。

2.1 过载适应性训练

在弹射救生过程中会产生14～15g的过载，在个别情况下，过载会达到20g，该加速度主要由脊柱和颈椎承受，是飞行员弹射时受伤的主要原因之一。

过载适应性训练通过逐渐增加弹射载荷的方式，使飞行员体会弹射载荷对身体的影响；并通过模拟训练掌握正确的弹射操纵动作、保持正确弹射姿势以增强高过载适应性，避免因弹射姿势不正确而造成身体损伤；同时减少在弹射过程中飞行员上肢甩打的现象，防止造成意外的肢体伤害。

2.2 弹射时机决断能力训练

在飞行过程中，当出现必须弹射救生的特情时，留给飞行员的反应时间非常短，稍有犹豫就会错过最佳弹射时机。当飞机处于复杂飞行状态或者不满足弹射救生条件时，弹射成功概率会大幅降低。

弹射救生模拟训练系统通过设置影响飞行安全的特情进行弹射时机决断能力训练，训练飞行员准确判断是否需要进行弹射，并及时定下弹射决心，生成把握最佳弹射时机的能力[1]，将影响弹射救生效果的要素，如飞行速度、飞行高度、坡度、迎角、滚转角速度等控制在弹射救生装置的救生包线范围之内[8-9]，提高弹射救生成功概率。

2.3 弹射救生模拟训练

由于弹射救生装置的工作特性，长期以来，相关教学内容只能进行理论讲授，缺乏模拟训练教学环节，教学效果不理想。

通过弹射救生模拟训练，能够帮助学员将理论知识和实践应用相结合，建立弹射救生工作过程的初步印象，从使用角度理解弹射救生装置的工作原理、使用方法和注意事项[7]；积累弹射救生设备的实际操作经验，并在心理上树立弹射救生的信心，减少对弹射救生不熟悉的恐惧心理。

2.4 自动评估和视频监控、回放功能

自动评估功能依据学员的操纵动作和采集的相关信号，对弹射结果和在实际弹射救生中可能造成的损伤进行自动评估，作为弹射救生设备使用能力和训练考核成绩的参考依据。

视频监控用于及时纠正飞行学员在训练过程中的不当操作，防止学员在训练时受伤；回放功能将过载适用性训练、弹射时机决断能力训练和弹射救生模拟训练情形在第三方显示屏实时显示并进行记录，供其他学员进行观摩。

3 弹射救生模拟训练系统的设计

3.1 总体设计

弹射救生模拟训练系统由软件和硬件平台组成，利用AR技术实现对弹射救生的模拟训练。弹射救生模拟训练系统的总体设计如图2所示。

在进行模拟训练时，学员依据VR眼镜、仿真座舱、仿真座椅和弹射支架等硬件输出的信息，作出相应的操纵动作，操纵动作由位置跟踪器和VR手套反馈给控制软件，驱动弹射座椅运动控制软件和视景仿真软件进行信息更新，并传输给学员，从而达到弹射救生模拟训练的目的。

视景仿真软件输出的信息同步输送到观摩平台供其他学员进行观摩。

教员端控制软件将设置的训练课目和特情信息传输给主控软件，同时接收座椅运动和视景信息，进行安全监控。

图2 弹射救生模拟训练系统的总体设计

3.2 硬件设计

硬件平台由弹射运动平台、沉浸式硬件设备和观摩平台组成。

(1) 弹射运动平台。

弹射运动平台包括仿真座舱、仿真座椅和弹射支架。

仿真座舱是弹射系统的基础构件，用于安装仿真座椅和弹射支架。

座舱内还安装有驾驶杆、脚蹬、油门和摄像头，座舱后部安装有冷气存储装置，作为模拟弹射动力源。

脚蹬、驾驶杆采用弹簧式操纵负荷系统，学员进行操纵时，能够产生和实际操纵力大小相当的驾驶杆力和脚蹬力。油门杆采用齿轮传动，模拟程度较高，如图3所示。

图3 驾驶杆、油门杆和脚蹬

驾驶杆、脚蹬和油门杆的操纵量采用高精度电位器进行信号采集，信号经高频计算机处理后，解算成飞行参数，由视景仿真软件更新仿真环境，并通过VR眼镜呈现给受训学员。

仿真座椅如图4所示，主体采用高强度结构钢制作，椅面、头枕部分采用7075铝合金材质制作，靠背采用玻璃钢材质制作，保证座椅强度的同时减轻座椅重量。

图4 仿真座椅

仿真座椅是弹射运动平台的关键部件，包括弹射拉环、背带系统、肩带拉紧系统、绑腿带、椅盆高度调节系统、头臀传感器和光电传感器。

弹射拉环为弹射座椅上的实装设备，使飞行员能够很好地掌握拉环使用方法，体会拉环启动时的手感和力度等，如图5所示。

图5 弹射座椅关键部件

肩带系统和绑腿带为座椅上的实装设备，目的是保证进行模拟训练时飞行员穿戴动作和实际穿戴动作一致。

肩带拉紧系统利用力矩电机实现弹射启动瞬间的拉紧动作，以模拟真实效果，如图5所示。肩带拉紧系统将肩带的一端和力矩电机轴连接，在弹射拉环启动瞬间，力矩电机动作，将肩带拉紧(此动作约耗时0.5 s)，随后弹射气缸，实现弹射。肩带拉紧系统的另一端设计有发条弹簧，实现肩带自动向后收缩。

椅盆高度调节系统通过按钮控制电动直线推杆实现，推杆的型号为HD24-B100-0100-ELX-3-M-M-S，如图5所示。电机可承载动载荷10000 N，静载荷18000 N，并且电机内部设置有电磁刹车系统，调节到位之后，自动刹车。

头臀传感器设置为三组，椅背两组、头枕一组，用于纠正飞行员启动弹射时的坐姿。弹射启动前，三组传感器必须都有信号才可以启动弹射。

光电传感器共有两组，安装在脚蹬和驾驶杆之间，用于纠正飞行员启动弹射时的腿部动作。弹射启动前，飞行员下肢应离开此区域，否则弹射不启动。

弹射支架分为基座、吊装支架和斜撑杆。基座分成前后两部分，每部分由2根工字钢主梁组装而成；吊装支架由高强度钢组成“Π”形吊架；为提高弹射架的侧向稳定性,后基座设置了向外张开的斜撑杆。

(2) 沉浸式硬件设备和观摩平台。

沉浸式硬件设备包括VR头盔和VR手套。VR头盔选用HTC VIVE 2.0，双眼分辨率为2800像素×1600像素，刷新率90 Hz，视角110°，内置陀螺仪、定位传感器，追踪精度0.1°；数据手套选用HTC Notiom Hi5,姿态更新180 Hz,内置7颗9轴惯性传感器和激光定位传感器。

观摩系统由4个电视组成，视频信号来自视景仿真软件和仿真座舱内的摄像头，由教员控制端控制输出画面，可输出受训学员第一视角画面，也可输出第三视角画面。

3.3 软件设计

弹射救生模拟训练软件系统包括主控程序、视景仿真软件、教员控制端和弹射座椅运动控制程序，利用VC++和OpenGL开发相应的控制程序和视景系统，软件系统的工作流程如图6所示。

过载适应性训练工作流程:

① 系统启动，教员控制端设置训练课目为过载性适应性训练；

② 检测弹射启动信号、头臀和光电传感器信号；

③ 依据头臀和光电传感器信号判断弹射姿势是否规范，如果姿势规范则转④，否则不启动弹射，转②；

④ 启动弹射，在冷气驱动下完成弹射上升运动；

⑤ 依据训练数据完成训练结果评估；

⑥ 训练结束。

弹射救生模拟训练工作流程:

① 系统启动后，教员控制端设置训练课目为弹射救生模拟训练；

② 视景输出,根据学员驾驶杆、脚蹬、油门杆操纵信号进行视景更新；

③ 检测特情信号，如果有特情信号，则转④，否则转②;

④ 依据特情现象和学员处置动作进行视景更新；

⑤ 检测弹射启动信号、头臀和光电传感器信号；

⑥ 依据信号判断弹射姿势规范，如果姿势规范则转⑦，否则不启动弹射，转⑧；

⑦ 启动弹射，完成弹射启动、弹射上升、弹射离机、人-椅分离、伞降着陆5个弹射阶段过程；

图6 模拟弹射救生软件工作流程

⑧ 姿势不规范，弹射不启动,依据飞行状态判断飞机是否坠毁，如果是转⑨，否则转⑤；

⑨ 依据数据，对训练结果进行评估；

⑩ 训练结束。

4 关键技术

弹射救生模拟系统的真实沉浸感主要取决于两个关键因素，一是虚拟场景中通过视景切换形成的弹射轨迹，二是在弹射启动过程和救生伞打开瞬间形成的动载荷。

4.1 弹射过程中视景驱动数学模型

由于弹射救生模拟装置高度和场地大小有限，限制了弹射运动轨迹的真实实现。利用弹射座椅运动轨迹方程驱动视景切换，能够利用很小的运动幅度和空间实现飞行员对弹射轨迹的感知，而且在实际弹射救生过程中，飞行员也是通过视景变化来获得对弹射轨迹的感知。

4.1.1 坐标系确定和基本假设

在弹射救生过程中，在人-椅分离前，可将飞行员和座椅视为一个系统，因此，以弹射启动时的人-椅重心为原点建立坐标系[13]，如图7所示。Y轴垂直于地面，向上为正方向，X轴垂直于Y轴，向前为正方向，Z轴垂直于平面XOY，向右为正方向[9]，图中ωx、ωy、ωz表示人-椅系统绕X、Y、Z轴的角速度。

图7 弹射座椅运动轨迹坐标系

弹射救生的运动过程非常复杂，而且受到的干扰因素很多，为简化视景驱动模型，做出如下假设。

① 因弹射离机时间非常短，弹射救生启动后，飞机的飞行速度和飞行状态不发生变化；

② 重力加速度为常量；

③ 忽略风速对弹射轨迹的影响；

④ 人-椅质量分布左右对称。

⑤ 飞行员视点的位置和人-椅重心重合(两者相差约为40～50 cm，和实际弹射高度相比可忽略不计)。

4.1.2 弹射各阶段的视景驱动数学模型

在弹射准备和启动阶段，人-椅系统随飞机一起运动；同时人-椅分离阶段时间较短，伞降着陆阶段在假设条件下近似于匀速下降，因此仅需要对弹射上升阶段和弹射离机阶段进行研究并建立相应的数学模型。

(1) 弹射上升阶段的数学模型。

在弹射上升阶段，人-椅系统被导轨约束，在弹射筒的推力作用下沿着导轨作直线加速运动[10]，由此可得：

Fω=[vxtdtvytdtvztdt]T
=[vxtdt(nt-cosφcosϑ)g0]T

(1)

式中,Fω为人-椅系统所受的重力、弹射筒推力的合力；vxt、vyt、vzt分别为弹射时弹射座椅沿着X、Y、Z坐标轴的运动速度，其中vxt、vzt和弹射时飞行状态相关；nt为弹射过载。

(2) 弹射离机阶段的数学模型。

人-椅在火箭包的推力作用下，继续上升，然后稳定伞张满，开始减速下降。在该阶段，人-椅系统的运动分为刚体运动和刚体转动[11-12]。

人-椅系统重心的动力学方程为[11]

(2)

前文已假设人-椅系统对称，则人-椅系统绕重心旋转的动力学方程为[11]

(3)

人-椅系统受到的力主要有气动力、火箭包推力、重力和各种力所产的力矩，当稳定伞张满后，还需要考虑稳定伞所产生的力和力矩，则有[11]：

(4)

将式(2)～式(4)联立求解，即可得出弹射离机阶段的运动轨迹。式中，m为人-椅系统重量；ω为人-椅系统的角速度；F为人-椅系统所受的力；M为人-椅系统所受的力矩；I为人-椅系统的转动惯量；ϑ、φ、φ分别为座椅的俯仰角、偏航角和滚转角。

根据龙格-库塔法计算公式对各数学模型求解，即可得到弹射过程中人-椅系统的姿态和运动轨迹。

4.2 弹射动载荷数学模型

为提高系统的沉浸感，弹射救生模拟训练系统依据动载荷数学模型驱动硬件装置产生一定的载荷。动载荷主要在弹射启动过程和救生伞打开过程中产生。在弹射启动过程中产生的动载荷基本固定，所以仅需要对救生伞打开过程的动载荷进行研究。

开伞动载荷取决于开伞作用力和飞行员质量[14-15]。

(5)

开伞力取决于救生伞、飞行员、救生伞空气附加质量、飞行员-救生伞运动速度和飞行员-救生伞运动轨迹与水平面的夹角[6]。

(6)

式中,Fk为开伞作用力；ms为救生伞的质量；mq为飞行员的质量；mq为救生伞空气附加质量；Qs为救生伞启动阻力；θ为人-伞运动轨迹和水平面的夹角。

5 系统实际运行数据和使用评价

5.1 系统实际运行数据

① 某型座椅在飞机平飞状态，飞行高度500 m，飞行速度450 km/h时进行模拟弹射训练，依据系统输出的人-椅运动坐标文本数据绘制弹射轨迹曲线，和工厂试验曲线进行比较，如图8所示。

图8 视景系统中弹射运动轨迹

由图8可以看出，依据系统输出数据绘制的曲线和试验曲线[6]相比，变化趋势基本相同，但是相对向右、向上平移，即弹射后，人-椅系统在水平方向和垂直方向上的位移量偏大，主要是由为简化视景驱动模型而设定的假设条件所致；并且在实际试验中，由于干扰因素随时都会发生变化，每次座椅弹射试验获得的弹射轨迹曲线本身也存在着一定的差异，所以系统通过视景驱动获得的弹射轨迹曲线能够满足弹射救生模拟训练需求。

② 在人-伞连接部件处安装传感器，测量飞机在平飞状态，飞行高度500 m时，某型弹射座椅在不同速度下模拟弹射时所产生的开伞动载荷，并与工厂数值进行比较，如表1所示。

表1 某型座椅部分开伞动载荷仿真数据

由表1可知，除在飞行速度为650 km/h时，系统的开伞动载荷大于实际试验值，其余情形都在实际实验值范围内。原因在于飞行速度为450～800 km/h时，弹射座椅救生伞开伞延迟时间随速度发生变化，无法准确估算，为简化软件，开伞延迟时间按照斜率进行估算，但是开伞动载荷误差在10%以内，能够满足系统使用需求。

5.2 使用评价

试用结果表明，该设备仿真度高，基本上还原了弹射救生装置工作过程，具有良好的弹射载荷体验；通过训练，纠正了飞行员使用设备的错误操纵动作和认知，提高了其对弹射救生时机的把握，实用性较高。

6 结束语

基于AR技术的弹射救生模拟系统能够最大限度地还原弹射救生操作和弹射救生过程，在虚拟环境中实现了交互式弹射救生模拟训练，能够使飞行员把握准确的弹射时机，掌握正确的弹射操作动作，并在虚拟弹射救生场景中形成对弹射救生过程的运动感知，满足了弹射救生装置的教学训练需求。目前，系统虽然能够较好地还原在平飞状态下的弹射救生，但是还需要对救生伞张开数学模型、开伞延迟时间和复杂飞行状态下的弹射救生模拟等问题进行研究，进一步提高系统的沉浸感和适用性。