王毅琳

第三軍醫(yī)大學(xué)西南醫(yī)院 信息科，重慶 400038

直升機(jī)模擬訓(xùn)練平臺(tái)的構(gòu)建與應(yīng)用

王毅琳

第三軍醫(yī)大學(xué)西南醫(yī)院 信息科，重慶 400038

本文通過(guò)對(duì)直升機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)與視景系統(tǒng)進(jìn)行綜合集成，構(gòu)建了直升機(jī)模擬訓(xùn)練平臺(tái)。該平臺(tái)主要由轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)（包括機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)）以及視景系統(tǒng)構(gòu)成，可為軍事衛(wèi)勤保障訓(xùn)練提供可反復(fù)使用且高度逼真的訓(xùn)練環(huán)境，推動(dòng)傳統(tǒng)衛(wèi)勤訓(xùn)練模式向?qū)崙?zhàn)化轉(zhuǎn)變。本文詳細(xì)闡述了該平臺(tái)的構(gòu)建及應(yīng)用過(guò)程，指出該平臺(tái)對(duì)于提高衛(wèi)勤訓(xùn)練效果，推動(dòng)我軍部隊(duì)?wèi)?zhàn)救能力的躍升有著重要意義。

衛(wèi)勤保障；直升機(jī)模擬訓(xùn)練；轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)；視景系統(tǒng)

0 前言

衛(wèi)勤訓(xùn)練是提高軍隊(duì)醫(yī)院野戰(zhàn)機(jī)動(dòng)衛(wèi)勤保障戰(zhàn)斗力的重要途徑，可通過(guò)貫徹“訓(xùn)戰(zhàn)一致”的要求，增強(qiáng)訓(xùn)練適應(yīng)性，提高衛(wèi)勤保障能力，是遂行多樣化軍事任務(wù)的根本前提。但傳統(tǒng)衛(wèi)勤訓(xùn)練中存在諸多問(wèn)題，如實(shí)際訓(xùn)練與戰(zhàn)救理論脫節(jié)、缺乏對(duì)急救能力檢驗(yàn)評(píng)估的科學(xué)手段、與部隊(duì)信息化條件下的集成訓(xùn)練相分離等，由此模式訓(xùn)練出的戰(zhàn)救技能是否真正具備強(qiáng)大的實(shí)戰(zhàn)保障能力的問(wèn)題日益凸顯。為適應(yīng)新時(shí)期軍事訓(xùn)練轉(zhuǎn)型要求，研究和探索衛(wèi)勤戰(zhàn)救訓(xùn)練新手段和新方法，已成為當(dāng)前軍事衛(wèi)勤訓(xùn)練關(guān)注的焦點(diǎn)。本研究在總結(jié)既往衛(wèi)勤訓(xùn)練經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，探索構(gòu)建直升機(jī)模擬訓(xùn)練平臺(tái)以科學(xué)組織衛(wèi)勤訓(xùn)練的方法，旨在開(kāi)展模擬戰(zhàn)場(chǎng)和災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)運(yùn)救治傷員訓(xùn)練，大幅提高軍隊(duì)醫(yī)院衛(wèi)勤訓(xùn)練效果。直升機(jī)模擬訓(xùn)練平臺(tái)主要由轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)和視景系統(tǒng)兩部分組成，轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)是衛(wèi)勤模擬訓(xùn)練的主要載體，視景系統(tǒng)負(fù)責(zé)為模擬直升機(jī)飛行訓(xùn)練提供各種逼真的場(chǎng)景。

1 轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇

轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)有并聯(lián)和串聯(lián)兩種形式，串聯(lián)機(jī)構(gòu)（Serial Mechanism，SM）的設(shè)計(jì)原理是基于對(duì)人上肢功能的模擬，早期工業(yè)機(jī)器人多數(shù)為串聯(lián)形式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作空間大。并聯(lián)機(jī)構(gòu)（Parallel Mechanism，PM）可以定義為動(dòng)平臺(tái)和定平臺(tái)通過(guò)至少兩個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)鏈相連，具有兩個(gè)或兩個(gè)以上自由度，且以并聯(lián)方式驅(qū)動(dòng)的一種閉環(huán)機(jī)構(gòu)。從機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)來(lái)看，這兩種機(jī)構(gòu)存在對(duì)偶關(guān)系，串聯(lián)機(jī)構(gòu)正解簡(jiǎn)單，反解復(fù)雜；并聯(lián)機(jī)構(gòu)正解復(fù)雜，反解簡(jiǎn)單。串聯(lián)機(jī)構(gòu)的剛度和承載能力低，且串聯(lián)形式會(huì)導(dǎo)致操作臂的輸出誤差是各關(guān)節(jié)誤差的積累和放大；而并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有剛度重量比高、慣性小、承載力大、高速、無(wú)累積誤差的特點(diǎn)，因此，轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)選擇并聯(lián)機(jī)構(gòu)。

以并聯(lián)方式驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)具有如下特點(diǎn)：① 與串聯(lián)機(jī)構(gòu)的懸臂梁相比，由于并聯(lián)機(jī)構(gòu)平臺(tái)由6個(gè)缸同時(shí)支撐，因此其剛度大且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，具有比串聯(lián)機(jī)構(gòu)更高的承載能力；且并聯(lián)機(jī)構(gòu)平臺(tái)采用對(duì)稱式結(jié)構(gòu)，各向同性也要比串聯(lián)機(jī)構(gòu)好；② 串聯(lián)機(jī)構(gòu)精度低、誤差大，末端件上的誤差是各關(guān)節(jié)誤差的積累和放大，而并聯(lián)機(jī)構(gòu)平臺(tái)沒(méi)有誤差積累和放大，精度更高；③ 在位置求解方面，與串聯(lián)機(jī)構(gòu)相比，采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)的6自由度平臺(tái)求正解困難，求反解卻非常容易。由于在線實(shí)時(shí)計(jì)算時(shí)是求反解，因此，采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)更容易實(shí)現(xiàn)。

2 轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)主要由機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)3部分構(gòu)成。

2.1 機(jī)械系統(tǒng)

轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)包括伺服電動(dòng)缸，伺服電動(dòng)機(jī)，耳軸，上、下萬(wàn)向鉸鏈和上、下兩個(gè)平臺(tái)等部件，采用6根帶驅(qū)動(dòng)器的可伸縮桿通過(guò)球鉸和固定平臺(tái)相連，通過(guò)胡克鉸與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)相連形成并聯(lián)機(jī)構(gòu)。胡克鉸位于上平臺(tái)與6個(gè)支鏈連接處，對(duì)保證平臺(tái)的正常運(yùn)行和整個(gè)結(jié)構(gòu)的剛度起著關(guān)鍵作用，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和固定平臺(tái)上的鉸鏈呈6邊形分布。轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)示意圖，見(jiàn)圖1。

平臺(tái)主體和運(yùn)動(dòng)部件均采用優(yōu)質(zhì)鋼質(zhì)材料，其中電動(dòng)缸活塞桿為鋼質(zhì)鍍珞處理，活塞桿頭部為不銹鋼材質(zhì)，活塞桿與缸體接觸部位采用密封防塵部件。6個(gè)交流伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)絲桿控制活塞桿作直線伸縮運(yùn)動(dòng)，活塞桿通過(guò)耳軸與上鉸鏈座活動(dòng)連接，上鉸鏈座固定在上平臺(tái)上?？赏ㄟ^(guò)控制6個(gè)交流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，完成平臺(tái)在空間6個(gè)自由度（x、y、z、α、β、γ）上的運(yùn)動(dòng)，使平臺(tái)完成要求的橫搖、縱搖和伸降等工作，從而模擬出救援直升機(jī)的各種空間運(yùn)動(dòng)姿態(tài)[1]。伺服電動(dòng)缸可通過(guò)絲桿副的機(jī)械運(yùn)動(dòng)將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為推桿的直線運(yùn)動(dòng)，利用伺服電機(jī)的閉環(huán)控制特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)推力、速度和位置的精密控制。伺服電動(dòng)缸示意圖，見(jiàn)圖2。

圖1 轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)示意圖

圖2 伺服電動(dòng)缸示意圖

2.2 控制系統(tǒng)

轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)控制系統(tǒng)工作流程如下：首先按照飛行任務(wù)要求設(shè)定位姿、運(yùn)動(dòng)路徑和軌跡，根據(jù)所確定的軌跡，將上平臺(tái)中心點(diǎn)的軌跡進(jìn)行參數(shù)化；再將實(shí)際測(cè)得的各液壓缸運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行位置正解分析，對(duì)上平臺(tái)的實(shí)際控制精度進(jìn)行分析比較，生成動(dòng)平臺(tái)每個(gè)自由度在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中每一時(shí)刻的位置、速度和加速度實(shí)時(shí)值[2]；然后將平臺(tái)的空間狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)輸入到控制主機(jī)，通過(guò)將上平臺(tái)中心點(diǎn)的軌跡進(jìn)行位置反解求解各缸的伸長(zhǎng)量，得到驅(qū)動(dòng)桿的位移和速度作為各液壓缸的控制信號(hào)；最后將控制指令（縱搖角、橫搖角）按固定頻率發(fā)送到多軸控制卡上，再經(jīng)伺服驅(qū)動(dòng)器送給伺服電動(dòng)機(jī)，伺服電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)伺服電動(dòng)缸推動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，完成上平臺(tái)的空間運(yùn)動(dòng)[3]。轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)控制系統(tǒng)原理框圖，見(jiàn)圖3。

圖3 轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)控制系統(tǒng)原理框圖

2.3 電氣系統(tǒng)

轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)電氣系統(tǒng)采用220 V三相交流電，在額定頻率和功率容量下運(yùn)行；具有自主穩(wěn)壓保護(hù)功能，可保障當(dāng)電源波動(dòng)較大或突然斷電時(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)不受損壞，恢復(fù)供電重啟后平臺(tái)可正常工作。

3 視景系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

視景系統(tǒng)用于為直升機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)傷病員的衛(wèi)勤訓(xùn)練過(guò)程顯示被模擬直升機(jī)白天、黃昏、黑夜、平原、山地、大海等艙外景象，以及模擬直升機(jī)起飛、上升、飛行、下降、著陸等飛行過(guò)程的全部動(dòng)作，使衛(wèi)勤隊(duì)員在訓(xùn)練過(guò)程中可得到豐富逼真的視覺(jué)體驗(yàn)。視景系統(tǒng)由視景數(shù)據(jù)庫(kù)、視景成像系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)組成[4]。其中，視景數(shù)據(jù)庫(kù)中包含著衛(wèi)勤訓(xùn)練任務(wù)所必需的數(shù)據(jù)信息；視景成像系統(tǒng)用于處理和顯示視景數(shù)據(jù)；視景顯示系統(tǒng)用于為衛(wèi)勤飛行訓(xùn)練任務(wù)提供足夠的視場(chǎng)角、逼真的圖像和準(zhǔn)確的地理空間位置，具有模擬不同大氣環(huán)境效應(yīng)的能力，可通過(guò)提供紋理等特殊效果為衛(wèi)勤訓(xùn)練提供高沉浸感、高真實(shí)感的視景環(huán)境。

3.1 視景數(shù)據(jù)庫(kù)

視景數(shù)據(jù)庫(kù)的作用是存儲(chǔ)視景仿真模型的幾何信息、坐標(biāo)變換、繪制狀態(tài)（如材質(zhì)屬性）、紋理映射關(guān)系、組織結(jié)構(gòu)、LOD（Level of Detail）層次等模型屬性或系統(tǒng)場(chǎng)景缺省的參數(shù)設(shè)置，供實(shí)時(shí)仿真使用[5]。視景數(shù)據(jù)庫(kù)包括模型數(shù)據(jù)庫(kù)、地形數(shù)據(jù)庫(kù)、航線數(shù)據(jù)庫(kù)、特殊人物數(shù)據(jù)庫(kù)、紋理數(shù)據(jù)庫(kù)等，以滿足視景系統(tǒng)的需要。

考慮到直升機(jī)飛行模擬的需要，視景系統(tǒng)的模擬覆蓋范圍包括機(jī)場(chǎng)、平原、山地、草原、大海等近千公里的大地形場(chǎng)景。由于救援直升機(jī)起飛和降落點(diǎn)范圍內(nèi)的視點(diǎn)距離模型較近，因此這部分模型應(yīng)當(dāng)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。機(jī)場(chǎng)模型的內(nèi)容包括跑道、滑行道、停機(jī)坪、登機(jī)橋以及候機(jī)樓、塔臺(tái)等標(biāo)志性建筑。地形數(shù)據(jù)庫(kù)包括整個(gè)仿真范圍內(nèi)的地形地貌模型。紋理數(shù)據(jù)庫(kù)用于保存模型數(shù)據(jù)庫(kù)和地形數(shù)據(jù)庫(kù)所用到的所有紋理資源[6]。

3.2 視景成像系統(tǒng)

該系統(tǒng)采用三維衛(wèi)星數(shù)據(jù)和高程數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)各類救援飛行場(chǎng)景的三維視景庫(kù)。視景系統(tǒng)實(shí)時(shí)解算視景數(shù)據(jù)庫(kù)多邊形，視景工作站分別輸出多通道視景。為滿足投影距離近的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況需求，可采用高反射率的反射鏡，將投影器圖像反射到背投幕，縮短影片投影距離，提高幕內(nèi)使用空間。

3.3 視景顯示系統(tǒng)

該系統(tǒng)采用球形幕實(shí)像顯示系統(tǒng)以滿足訓(xùn)練人員在模擬機(jī)艙內(nèi)的沉浸感和真實(shí)感。機(jī)艙周圍使用涂有光學(xué)涂料的大直徑球形屏幕作投影屏，可以有效實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景顯示的立體感和縱深感效果，而且球形屏幕直徑越大，顯示圖像的立體感和縱深感就越強(qiáng)[7-8]。在視景系統(tǒng)中，利用多通道拼接技術(shù)或頭位跟蹤技術(shù)來(lái)形成大視場(chǎng)，視場(chǎng)角水平可達(dá)360°，垂直可達(dá)180°，可實(shí)現(xiàn)逼真的場(chǎng)景效果。球形幕實(shí)像顯示系統(tǒng)選用畸變調(diào)整功能強(qiáng)的投影器作為投影設(shè)備，以解決因投影屏幕為曲面造成的圖像畸變大等問(wèn)題。

4 直升機(jī)模擬訓(xùn)練平臺(tái)的應(yīng)用及效果

作為醫(yī)院衛(wèi)勤保障中堅(jiān)力量，衛(wèi)勤分隊(duì)在抗震救災(zāi)、抗洪搶險(xiǎn)、軍事演練等各類重大行動(dòng)中承擔(dān)著大量任務(wù)如傷病員搜尋、搶救、轉(zhuǎn)運(yùn)等。過(guò)去由于缺乏必要的訓(xùn)練平臺(tái)，訓(xùn)練內(nèi)容常與實(shí)戰(zhàn)環(huán)境脫離，導(dǎo)致訓(xùn)練過(guò)程的真實(shí)感不強(qiáng)、訓(xùn)練效果不佳的問(wèn)題日益突出。直升機(jī)模擬訓(xùn)練平臺(tái)建成后的一年內(nèi)，醫(yī)院衛(wèi)勤力量針對(duì)信息化條件下我軍衛(wèi)勤保障的特點(diǎn)，根據(jù)任務(wù)需求靈活設(shè)定訓(xùn)練場(chǎng)景，通過(guò)平臺(tái)開(kāi)展了不同場(chǎng)景下救援技能的訓(xùn)練，已累計(jì)培養(yǎng)衛(wèi)勤隊(duì)員20余人，訓(xùn)練對(duì)象包括衛(wèi)勤隊(duì)員、衛(wèi)勤指揮員以及其他衛(wèi)勤崗位干部等；培養(yǎng)了可熟練進(jìn)行平臺(tái)操作和維護(hù)的技術(shù)人員5人，開(kāi)展了衛(wèi)勤訓(xùn)練數(shù)十次，并得到了上級(jí)首長(zhǎng)和同行專家的多次觀摩指導(dǎo)。直升機(jī)模擬訓(xùn)練平臺(tái)作為一種全新的模擬訓(xùn)練手段，不僅延伸了傳統(tǒng)訓(xùn)練方式，更強(qiáng)調(diào)了貼近實(shí)戰(zhàn)和訓(xùn)戰(zhàn)合一，得到了首長(zhǎng)和同行專家的肯定。

4.1 創(chuàng)新訓(xùn)練模式

實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練強(qiáng)調(diào)訓(xùn)練內(nèi)容、訓(xùn)練背景和訓(xùn)練指揮的實(shí)戰(zhàn)化，遵守“仗怎么打、兵怎么練”的原則。我院通過(guò)改變傳統(tǒng)衛(wèi)勤訓(xùn)練方式，按照“訓(xùn)用一致”的要求，大膽創(chuàng)新訓(xùn)練裝備，將直升機(jī)模擬訓(xùn)練平臺(tái)融入軍事后勤訓(xùn)練之中，提升了衛(wèi)勤訓(xùn)練層次，達(dá)到了邊訓(xùn)練邊保障的目的；通過(guò)組織經(jīng)常性的模擬演練，及時(shí)發(fā)現(xiàn)了可能存在的問(wèn)題，并通過(guò)調(diào)整和優(yōu)化衛(wèi)勤保障流程，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，提升了衛(wèi)勤保障水平。

4.2 錘煉衛(wèi)勤隊(duì)員綜合素質(zhì)

直升機(jī)模擬訓(xùn)練平臺(tái)的應(yīng)用一方面提升了衛(wèi)勤指揮能力，提高了各類復(fù)雜環(huán)境下傷員救治轉(zhuǎn)運(yùn)的衛(wèi)勤指揮技巧；另一方面使衛(wèi)勤隊(duì)員的綜合素質(zhì)在實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練中得到了鍛煉和提高，使參與訓(xùn)練的救援醫(yī)師在訓(xùn)練中能夠迅速掌握現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)和自然災(zāi)害中的傷情傷勢(shì)特點(diǎn)以及危重傷員的搶救要點(diǎn)，強(qiáng)化了傷員救治能力的培養(yǎng)，提高了衛(wèi)勤隊(duì)員對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)和災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)心理疾患的調(diào)理與疏導(dǎo)能力，促進(jìn)其掌握災(zāi)害防護(hù)方法、急救措施等，從而提高整體救護(hù)能力。

5 結(jié)論

本研究通過(guò)轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)衛(wèi)勤保障訓(xùn)練方式，探索了利用直升機(jī)模擬訓(xùn)練平臺(tái)科學(xué)組織衛(wèi)勤訓(xùn)練的方法。構(gòu)建的直升機(jī)模擬訓(xùn)練平臺(tái)可通過(guò)模擬戰(zhàn)場(chǎng)和救災(zāi)環(huán)境下利用直升機(jī)平臺(tái)轉(zhuǎn)運(yùn)傷病員的場(chǎng)景，為軍事衛(wèi)勤保障訓(xùn)練提供可反復(fù)使用且高度逼真的訓(xùn)練環(huán)境，其轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)可以模擬救援直升機(jī)從起飛到降落全過(guò)程中的各種空間運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，視景系統(tǒng)可為受訓(xùn)者提供高度逼真的沉浸感環(huán)境，使得衛(wèi)勤隊(duì)員在模擬訓(xùn)練環(huán)境中可獲得與真實(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)環(huán)境幾乎完全一樣的救援場(chǎng)景體驗(yàn)，大大提高了衛(wèi)勤訓(xùn)練效果，提升了部隊(duì)衛(wèi)勤保障能力。

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Construction and Application of a Helicopter Simulation Training Platform

WANG Yi-lin
Department of Information, Southwest Hospital, Third Military Medical University, Chongqing 400038, China.

With integration of the helicopter transport platform and the visual system, a helicopter simulation training platform was designed. The platform mainly consisted of the transport platform (the mechanical system, control system and electrical system included) and the visual system, which was intended to provide a highly-realistic and repeatedly-usedtraining environment for military health service training so as to promote the transformation of the conventional training pattern into realistic training. This paper expounded the establishment and application of the system, pointing out the signi fi cance of the system in improving the training e ff ectiveness and promoting the rescue ability for the army.

health service; helicopter simulation training platform; transport platform; visual system

R82

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.03.006

1674-1633(2015)03-0024-03

2014-11-11

2015-01-09

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）項(xiàng)目資助（2012AA02A616）。

作者郵箱：wanylin@163．com