飞行模拟训练设备运动平台发展研究*

先文俊 高山

中国民用航空飞行学院 新津分院 四川 成都 611431

引言

随着民航事业和中国国产大飞机制造业的飞速发展，飞行模拟训练设备的需求空间也越来越大。由于飞行模拟训练设备不受时间、地点、天气等因素的影响，所以在安全性、经济性、环保性都有着无可比拟的优势，世界各地对于飞行模拟训练设备的研发不断更新迭代，而我国的全动飞行模拟训练设备一直处于滞后阶段。如果将其中关键性技术运动控制系统进行突破将会带领国产全动飞行模拟训练设备迈出巨大的一步。本文将会对六自由度飞行模拟训练设备的运动控制系统的发展历程、工作原理以及不同运动系统之间的性能进行介绍[1]。

1 运动控制平台工作原理

飞行模拟训练设备的一般都是由视景系统、运动控制系统、座舱、教控台以及计算机系统五大部分组成。其中运动控制系统最为复杂，主要是控制飞行模拟训练设备的运动姿态以及速度的变化，让飞行员们能真实地感受到瞬时过载的动感，重力分量的持续感，跑道粗糙的颠簸感以及飞行模拟训练设备着落时产生的冲击感等特效信息。飞行模拟训练设备的运动系统实质上是通过支撑模拟器的六个可通过计算机变换长度的作用筒来完成控制的。在三维空间中，准确的描述一个物体的运动通常需要六个轴，其中包括三轴的加速度和三轴的角速度，这就是我们所说的六自由度。通过六自由度平台可以完成滚转、俯仰、升降、偏航、纵向平移、侧向平移，从而可以模拟出飞行器在空中的各种姿态。在模拟器中对运动轴系统进行了定义和标号，绕X轴旋转命名为滚转，绕Y轴旋转命名为俯仰，绕Z轴旋转命名为偏航，X纵向沿X方向平移命名为纵向平移，Y横向沿Y方向平移命名为侧向平移,Z垂直向沿Z方向平移命名为升降。六自由度的运动姿态和速度改变都是由仿真计算机进行运算，给出3个角加速度和3个轴加速度，通过洗出环节计算出飞行模拟训练设备需要的位置坐标和姿态角，运用坐标转换和矢量算换算出六个作用筒所需的长度，在通过对比上一节拍长度就能计算出作用筒的长度变化量，从而完成飞行模拟训练设备在位置和姿态控制的双闭环控制。飞行模拟训练设备的运动特效（冲击、抖动等等）也是通过仿真计算机传递一个非零值进行触发，非零值存储在计算机内部，由软件系统进行提供，随时可以根据模拟器的飞行情况进行调整，如果要保持飞机平缓飞行，不使用颠簸就可以把这值设置为零。由于运动控制平台形成有限，而且作用筒的本身性能上的限制，有些运动特效不能百分百复刻真实飞机，但是尽量在机动操作中，保证运动特效在初始阶段和真飞机一致，并且可以对飞行员操作进行有效跟随[2]。

图1 六自由度基本架构

2 液压平台与电动平台的分析研究

2.1 两种运动平台发展比较分析

与国外比较，我国对于飞行模拟训练设备运动平台研究起步较晚并且对于国际上先进运动平台研究成果较少。从而导致我国在飞行模拟训练设备上使用的六自由度液压运动平台长期依赖国外进口，有着30多年的进口历史。国内对于六自由度液压运动平台也有着20多年研究历史，随着非对称伺服阀技术和静压支撑液压技术等为代表的六自由度运动平台整体技术的成熟，国家整体经济的腾飞，加上对自主产权的高度重视，我国的六自由度运动平台崛起迅速，与国外的差距逐渐缩小，因此在国内的飞行模拟训练设备行业得到了广泛的应用。1994年世界上第一套六自由度电动运动平台从FSC模拟器系统公司诞生以来，对于它在飞行模拟训练设备上的运用在不断推进和完善。2006年5月，美国飞安国际公司和Moog FSC共同研制完成了世界上第一台完全采用电动运动平台获得美国联邦航空局颁发的D级证书的民用全功能模拟飞行器。正是由于这台机器的诞生，标志了未来飞行模拟训练设备运动平台的发展方向与趋势。相对于国外，国内对于电运动平台的主要研发方向还是武器系统，不过今年来其用于飞行训练训练设备的占比逐渐增加。

2.2 两种运动平台组成及工作原理

六自由度液压运动平台的组成主要由：控制系统、电力系统、机械系统、驱动系统和液压站，其中控制系统包括计算机系统与软件、液压伺服控制系统、安全保护系统和故障检测系统。六自由度电动运动平台组成由：控制系统、电力系统、机械系统、驱动系统、气压支撑系统和润滑系统，其中控制系统包括计算机与软件、电力伺服控制系统、安全保护系统和故障检测系统。从组成结构上比较，电动控制运动平台润滑系统和液压运动运动平台的液压站实质上具有相同的工作原理，结构组成的难易程度也大同小异，只是在供压和流量控制上有诸多区别。其中最大的差异就是气压支撑系统，之所以电动运动平台多出一个气压支撑系统，其目的是提高平台的稳定度，减少故障率，减少维护成本，增加平台使用年限。需注意其余系统在名称上虽然是一致的，但是其组成上和工作原理是天差地别[3]。

不管是液压还是电动运动平台工作原理都是由控制计算机实时接受来自模拟器的各种控制指令，在经过伺服器相应算法计算出运动平台控制信息，通过接口电路传达给相应的六个气压或液压筒驱动其做出相应的运动特效。作用筒的伸缩长度通过压力反馈和速度反馈以及位置反馈给伺服回路从而形成一个完成闭环控制。液压运动平台的能源需要通过驱动系统的伺服控制阀来控制整个液压系统的稳定，而电动运动平台的能源则是通过电力伺服系统直接控制电机驱动器从而控制整个电子系统。两中运动平台都有独立的用于监视整个系统的计算机，以保障整个模拟器系统的安全，一旦发生故障，系统就会自动进入故障处理程序。两种运动平台其主要区别在于液压运动平台仅需要简单润滑，而电动平台高速运动的机械器件产生的摩擦需要一个专门的润滑体系来提供滑油。除此之外，为了减小驱动功率，为电动运动平台配备了一套气压系统平衡系统来平衡运动平台的静载，所以需要有一个供气站和一套平衡控制以及相应的检测装置。

图2 六自由度液压运动平台组成

图3 六自由度电运动平台组成

2.3 两种运动平台的优缺点

液压运动平台在国内经过几十年的发展与研究，在非对称伺服阀技术、伺服阀控制技术以及静压支撑液压缸技术等等技术有着突破性的发展，在有些关键性领域有着国际领先水平，在国内有着数十项成功案例，得到了广泛的认可。而且平台结构简单，使用成本较低，作用筒发出的噪声低，有着可靠的运动平滑性和加速性。电动运动平台在进入国内时间较短，而且在三项关键性技术被国外垄断：电机控制DSP的软件与硬件技术、大功率驱动器技术、交流伺服电机。对于国内来说，电动运动平台的研究与设计势必困难重重，需要投入大量的人力、物力。但是电动运动平台相当于液压运动平台可以更加真实的再现飞机的运动特性，在控制精度与灵敏度有着更加完美的表现。电动运动平台相比于液压运动平台可以节约75%的电量，不需要液压泵等器件，安全性能更加优秀。不同的运动平台有着不同问题，在选着运动平台时还需结合实际情况，以免在某些技术要求上不达标[4]。

3 未来与展望

全动模拟机伴随六自由度电动运动平台引入，不管是在飞行驾驶体验上，还是在维护工作上有了巨大的提升。电动运动平台的在飞行模拟训练设备的迅速发展以及应用将会完全取代现有的液压运动平台。提高我国电动运动平台技术制造水平和理论研究水平，加快突破国外的技术封锁，对于我国民航强国与军事强国具有深远的战略意义。