直升机飞行训练系统的研究与应用

王卫军，宗安汉，王 建，张 弓，王 坛，周成鹏

(1.深圳市中科德睿智能科技有限公司，深圳 518109；2.广州先进技术研究所，广州 511458)

0 引言

随着通用航空需求的不断扩大，直升机以其独有的机动性和灵活性而被广泛应用，数量正在飞速增长。但是因为缺乏相关技术的研究与创新，导致直升机飞行员的培训手段单一，只能依赖于真机或模拟机(器)。周期长、成本高等问题严重制约着通用航空领域的持续发展。

飞行模拟器具有操作逼真、使用灵活、维护容易等优点。因此，作为科学研究、飞行员培训和新型飞机设计研发的基本工具，航空领域十分依赖飞行模拟器[1]。而直升机模拟器技术则是在固定翼飞行模拟器的基础上发展而来的，可通过对直升机运动状态的仿真还原来模拟真实的飞行状况[2]。EU认为，随着技术的进步和成本的下降，使用模拟器进行安全、经济和环保驾驶训练的优势变得更加明显。但是，训练模拟器也要根据相关部门的规定和要求制定严格的方法和标准[3]。RC等对某型直升机的进行了动态建模，并对其进行仿真，从而验证了系统的稳定性[4]。夏伟提出通过虚拟现实(virtual reality,VR)给飞行模拟器带来沉浸感[5]，从而提升培训效率的想法但并未有实际应用。刘金峰则在直升机模拟器上搭载了VR视景仿真系统，并进行了整体性能测试，效果良好[6]。栗英杰深入研究了直升机飞行模拟器的动力学分析、视景仿真等关键技术，并成功应用，验证了其可行性[7]。冯云龙通过研究相关算法并提出模糊优化洗出算法，由仿真试验验证了该算法对直升机模拟器提升运动临场感的有效性[8]。程海涛基于VR技术开发了直升机飞行模拟器，可以实现直升机多种姿态和飞行状况的模拟，但是因缺少音频使得沉浸感大幅下降[9]。李进基于最新的标准规范设计了某些直升机飞行模拟器的设计方案，并开发了相应的仿真模型，明确了训练需求，但视景系统并未结合VR/增强现实(allgmented reality,AR)技术以提升真实感[10]。

六自由度并联平台可以提供纵向、横向、垂向、俯仰、横滚、偏航6个自由度的运动，广泛应用于汽车、飞机、舰船的运动模拟[11-12]。对于直升机飞行模拟，不仅需要六自由度并联平台带来运动模拟反馈，还需要结合VR技术提供实时3D视觉反馈，从而更真实地还原直升机飞行体验，为直升机飞行培训等提供帮助[13]。

因此，本文以六自由度并联平台作为运动平台，建立直升机与六自由度并联平台的姿态映射关系，通过2g的最大加速度、30 Hz震感，以及结合VR技术，使飞行员在控制操纵杆模拟飞行训练时可实现更逼真的临场感体验。

1 控制原理

1.1 主从控制模式

本文所开发的直升机飞行训练系统使用主从控制模式。由于直升机与六自由度并联平台都拥有空间中沿x、y、z三轴的移动和绕x、y、z三轴的旋转，共6个自由度运动，正好一一对应形成映射关系。以直升机的运动位姿为主动、六自由度并联平台的位姿为从动，二者在空间中点对点对应，可以最大限度地还原真实感，也便于系统的实现。

本文采用的主从控制模式流程如图1所示。

图1 主从控制模式流程图

当飞行员驾驶模拟直升机时可输出运动姿态(xH,yH,zH,αH,βH,γH)，经过(kx,ky,kz,kα,kβ,kγ)的比例映射,可以得到六自由度并联运动平台的输入姿态(xS,yS,zS,αS,βS,γS)。再对其进行运动学反解，即可得到各轴杆长(l1,l2,l3,l4,l4,l5)。

1.2 运动学反解

六自由度并联平台结构如图2所示[14]。

图2 六自由度并联平台结构简图

为了说明直升机与并联平台的姿态映射关系，需要建立六自由度并联平台的运动学反解模型[15]。根据并联机构相关理论，以动平台M的中心p为原点建立动坐标系p-xyz，并且固联于动平台M，同时px轴、py轴始终在动平台M的平面内，px轴也垂直于M5M6；以静平台N中心O为原点建立静坐标系O-XYZ，并且固联于静平台N，同时OX轴、OY轴始终在下平台N的平面内，OX轴也垂直于N5N6，

假设上平台位姿的广义坐标为A=[x,y,z,α,β,γ]。其中：x、y、z为动坐标系原点p在静坐标系中的坐标；α、β、γ为动坐标系原点p相对于静坐标系的欧拉角表示。

根据欧拉角及旋转变换理论，有旋转矩阵：

(1)

动坐标系到静坐标系的齐次变换矩阵为：

(2)

(3)

由式(3)可得第i轴驱动杆的长度为：

(4)

基于此，六自由度并联平台便可以根据需要模拟的直升机姿态作出相应的动作和变化。

2 系统设计

2.1 硬件设计

本系统的并联平台除了可以提供6个自由度的运动外，还具有运动范围广、震感明显、负载大的特点。其运动控制器为六轴控制卡。STM32核心强大的运算能力，可以实时控制平台运动、监控限位信号并提供危险警示。台达伺服驱动配合力姆泰克电缸组成的驱动系统，可以保证平台高强度、高速度和高精度的运动，同时也具备断电保护功能。另外，磁感应式限位开关不仅体积小巧、使用方便，而且性能可靠。

六自由度并联平台如图3所示。

图3 六自由度并联平台

操控装置为专业级直升机飞行操控套件，包括总距杆、方向舵、脚蹬和若干航电按钮。操控装置采用模块化设计，外观完全仿照真实直升机操纵杆，并具有力反馈装置，支持自定义功能，能够满足各型直升机驾驶环境和功能的需求。

直升机飞行操控套件如图4所示。

图4 直升机飞行操控套件

HTC VIVE Pro虚拟交互设备为当前市场上的高端产品。其HMD内置六自由度定位芯片，可以实现360°头部追踪；具备3K高清屏、90 Hz刷新率、3D立体空间音效，可以营造身临其境般的感官效果，并通过配套的无线手柄进行虚拟交互。同时，本飞行训练系统也配备了普通显示器，以照顾部分对VR有不适的人群，也方便教员辅助指导。

计算机配置为：Win10系统；Intel i9-9900k处理器；Titan RTX显卡；32 GB双通道内存。

系统控制结构如图5所示。操控装置通过USB与主机相连。VR眼镜通过DP和USB与主机相连。显示器通过视频图形阵列(video graphics array,VGA)与主机相连。主机通过以太网与运动控制器连接。

图5 系统控制结构图

2.2 软件设计

本直升机飞行模拟系统使用Xplane11，内置包括民航客机、固定翼、直升机在内的多种类型各种型号的飞机参数，从外观结构到内饰仪表都极致还原真机。地理环境涵盖了全球80%以上的机场。天气系统也可以模拟晴、雨、云、雪等任何气象条件。Xplane11还保留了二次开发的空间，用户不仅可以自行设计飞机模型导入使用，还采集了包括方位、速度、加速度、角度等百余项飞行数据供用户提取使用。

Xplane11视角如图6所示。

图6 Xplane11视角图

飞行模拟控制软件基于C#语言自主开发，可实现与Xplane11的数据交互和控制运动平台动作。由于Xplane官方支持的数据通信方式十分复杂，因此飞行模拟控制软件与Xplane11间的UDP通信通过插件XPlaneConnect实现。XPlaneConnect是由NASA专门为Xplane通信设计的一款开源插件，说明教程详细丰富、使用开发方便快捷。其众多的内置函数可通过UDP/IP协议(IP:127.0.0.1，Port：49000)从Xplane11接收飞机的实时动态数据，包括三轴位移、加速度、角度等。飞行模拟控制软件再通过UDP/IP协议(IP:192.168.0.1，Port:8000)向下位机发送飞机的实时动态数据，经运动学反解运动平台可对直升机的飞行状态进行实时模拟。飞行控制软件在每次启动时，会命令运动平台回零校正，飞行模拟前再回中复位。此时，运动平台各自由度运动范围最大，模拟性能最佳。另外，飞行模拟控制软件还集成了飞行训练大纲和教学课件，并能记录用户的飞行数据，以便训练科目的实施。飞行训练系统逻辑框图如图7所示。

图7 飞行训练系统逻辑框图

2.3 系统搭建

搭建好的直升机飞行训练系统如图8所示。飞行训练系统包括并联平台、操控装置、视景显示单元、主机、运动控制器和伺服。并联平台、操控套件和VR设备能够真实地还原直升机驾驶的环境和功能。主机在接收到操纵杆信号后，令视景画面内的直升机作出相应动作，同时向运动控制器发送模拟平台运动指令。运动控制器完成指令解码即可驱动伺服电机，使模拟平台完成直升机的飞行姿态模拟。

图8 直升机飞行训练系统示意图

3 试验研究

为了验证所开发的直升机飞行模拟训练系统的实际应用效果，本文邀请了飞行员进行模拟飞行训练。

试验采集了一段时间内模拟飞行时直升机的姿态数据和六自由度并联平台的六轴数据。其中：0～5 s为复合运动；5～15 s为偏航运动；15～25 s为横滚运动。由此可见，本文所开发的系统确实能较好地完成直升机飞行模拟的相关动作。

三轴加速度变化如图9所示。

图9 三轴加速度变化图

角度变化如图10所示。

图10 角度变化图

六轴缸长变化如图11所示 。

图11 六轴缸长变化图

由图9～图11可知，本文所设计的VR直升机飞行训练系统能通过VR技术和六自由度并联平台为飞行员的模拟飞行带来更优的感官体验，不仅可以模拟日常的飞行训练，规范操作技能、培养安全意识，还可以模拟困难复杂项目，例如海上平台起降展开针对性训练模拟。模拟飞行后，对5名飞行员从功能性、逼真性和实用性这3个方面进行意见采集。反馈意见显示，该飞行训练系统非常接近真实飞行驾驶体验，逼真度较高，可在一定程度上辅助飞行训练任务。

4 结论

本文开发的基于VR的直升机飞行训练系统，能够较好地还原直升机驾驶环境，模拟直升机机动状态，并能担负部分训练科目，对培养飞行员的程序化操作和安全意识有积极作用。经多位飞行员体验后反馈，本系统模拟逼真度高，具有良好的实际应用效果。