周曉光,　劉　洋,　岳付昌,　李　瑩

(1.海軍航空兵學(xué)院,遼寧 葫蘆島　125001; 2.93357部隊飛行模擬中心,遼寧 鞍山　114225)

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某型初級教練機(jī)小組教學(xué)輔助訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

周曉光1,劉洋2,岳付昌1,李瑩1

(1.海軍航空兵學(xué)院,遼寧 葫蘆島125001; 2.93357部隊飛行模擬中心,遼寧 鞍山114225)

摘要：為豐富學(xué)院飛行團(tuán)隊某型初級教練機(jī)小組教學(xué)訓(xùn)練手段,拓展該型初級教練機(jī)小組教學(xué)訓(xùn)練內(nèi)容,針對該型初級教練機(jī)小組教學(xué)訓(xùn)練需求,設(shè)計實現(xiàn)了該型初級教練機(jī)小組教學(xué)輔助訓(xùn)練系統(tǒng)。系統(tǒng)由模擬座艙、飛行性能仿真系統(tǒng)、三通道視景仿真系統(tǒng)、觸摸式虛擬儀表仿真系統(tǒng)、音響模擬系統(tǒng)、輔助教學(xué)系統(tǒng)等組成,可實現(xiàn)座艙實習(xí)、示范教學(xué)、起落、儀表、編隊、飛參數(shù)據(jù)實錄與分析、空域?qū)Ш脚c認(rèn)知等功能,是一套基于微機(jī)的高度集成的跨學(xué)科、綜合性輔助教學(xué)與訓(xùn)練系統(tǒng)。系統(tǒng)的研制和使用有效提高該型初級教練機(jī)小組教學(xué)訓(xùn)練質(zhì)量,縮短飛行團(tuán)隊訓(xùn)練時間,為推進(jìn)學(xué)院飛行訓(xùn)練模式轉(zhuǎn)型奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：初級教練機(jī); 輔助訓(xùn)練系統(tǒng); 小組教學(xué)

1前言

海軍航空兵學(xué)院承擔(dān)著全海軍初教級飛行學(xué)員的飛行訓(xùn)練教學(xué)工作,教學(xué)訓(xùn)練任務(wù)相當(dāng)繁重。小組教學(xué)是學(xué)院飛行團(tuán)隊組織飛行訓(xùn)練的主要教學(xué)活動之一,教學(xué)主要內(nèi)容是傳達(dá)飛行計劃、布置飛行任務(wù)、講解外場飛行中存在的問題、解答飛行學(xué)員外場飛行中存在的疑問,起著航空理論知識與外場飛行操作相結(jié)合紐帶作用。小組教學(xué)是提升飛行訓(xùn)練質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié),在飛行員培訓(xùn)中起著重要作用。目前小組教學(xué)主要采用室內(nèi)講解與室外示范體驗相結(jié)合的方式進(jìn)行。小組教學(xué)室內(nèi)講解中存在的問題主要有以下幾個方面:一是在部署飛行任務(wù)時,飛行學(xué)員對飛行駕駛程序和飛行空域不熟悉,造成明日外場飛行中出現(xiàn)“忙、亂、慌”的情況;二是在講解飛行訓(xùn)練中出現(xiàn)的問題時,缺乏原場景數(shù)據(jù),不能讓飛行學(xué)員對操作過程有深刻記憶,講解缺乏有效性和時效性;三是大量的有價值的飛參數(shù)據(jù)不能夠有效利用,沒有用于教學(xué)服務(wù),不僅影響了飛行質(zhì)量的提升,也是信息資源的浪費;四是小組教學(xué)室外訓(xùn)練器材簡陋,訓(xùn)練效果差,不能有效及時地提升飛行學(xué)員的訓(xùn)練效果。

針對目前學(xué)院團(tuán)隊某型初級教練機(jī)小組教學(xué)訓(xùn)練中存在的教學(xué)手段缺失、教學(xué)模式陳舊、教學(xué)內(nèi)容單一等問題,研制了該型初級教練機(jī)小組教學(xué)輔助訓(xùn)練系統(tǒng),系統(tǒng)重點解決了初教六教學(xué)小組訓(xùn)練中存在的各種問題,綜合運用了虛擬現(xiàn)實技術(shù)、數(shù)學(xué)建模技術(shù)、大規(guī)模地景生成與實時顯示技術(shù)、多屏顯示技術(shù)及插件管理技術(shù)等先進(jìn)技術(shù),通過在微機(jī)上呈現(xiàn)三維、可交互的虛擬座艙以及與其疊加的外界景物,為該型初級教練機(jī)小組教學(xué)提供較為逼真的訓(xùn)練環(huán)境,可實現(xiàn)座艙實習(xí)、示范教學(xué)、起落、儀表、飛參數(shù)據(jù)實錄與分析、空域?qū)Ш脚c認(rèn)知等功能,是一套基于微機(jī)的高度集成的跨學(xué)科、綜合性輔助教學(xué)與訓(xùn)練系統(tǒng)。

2小組教學(xué)輔助訓(xùn)練系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1功能設(shè)計

按照《某型初級教練機(jī)飛行訓(xùn)練大綱》要求并結(jié)合飛行員小組教學(xué)對模擬飛行訓(xùn)練的需求,該模擬器設(shè)置如下功能:

正常科目訓(xùn)練:能夠模擬各種能見度下的滑行、起飛、轉(zhuǎn)彎、平飛、下滑、著陸和起落航線模擬訓(xùn)練;能夠?qū)嵤﹥x表飛行、穿云飛行、五邊下滑等模擬飛行訓(xùn)練。

特情科目訓(xùn)練:能夠進(jìn)行起落架放不下、剎車失效、發(fā)動機(jī)抖振、發(fā)動機(jī)停車、空速表故障、高度表故障、轉(zhuǎn)速表故障、進(jìn)氣壓力表故障、陀螺磁羅盤故障、發(fā)電機(jī)故障等特情模擬飛行訓(xùn)練,能夠?qū)嵤└骺沼蚱冉祱鲋懩M飛行訓(xùn)練。

飛行條件設(shè)置:方便進(jìn)行飛行時間設(shè)置、能見度設(shè)置、云底高度及云厚設(shè)置、風(fēng)速風(fēng)向設(shè)置、晝間及夜間選擇等飛行氣象條件設(shè)置。

教學(xué)輔助功能:

(1) 空域?qū)Ш脚c認(rèn)知。 開發(fā)飛行訓(xùn)練基本地域的地理信息系統(tǒng),用于熟悉空域信息與建立空間定向感覺。

(2) 示范教學(xué)。示范教學(xué)采用視頻教學(xué)方式,詳細(xì)講解起落、特技飛行動作技術(shù)要領(lǐng)。

(3) 飛參數(shù)據(jù)實錄與分析。對飛參數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和平滑處理,根據(jù)飛參數(shù)據(jù)進(jìn)行飛行過程重構(gòu),查找導(dǎo)致事故的傾向,及時修正學(xué)員的錯誤動作,提升飛行訓(xùn)練的針對性。

2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計

某型初級教練機(jī)小組教學(xué)輔助訓(xùn)練系統(tǒng)是由計算機(jī)組成的實時動態(tài)仿真系統(tǒng),主要由八個分系統(tǒng)組成:

(1) 模擬座艙系統(tǒng);

(2) 操縱負(fù)荷系統(tǒng);

(3) 座艙儀表指示系統(tǒng);

(4) 音響模擬系統(tǒng);

(5) 飛行模擬解算系統(tǒng);

(6) 視景顯示系統(tǒng);

(7) 計算機(jī)通訊與接口系統(tǒng);

(8) 教學(xué)輔助系統(tǒng);

(9) 電源配電系統(tǒng)。

其中,模擬座艙系統(tǒng)由座艙支架、油門、座椅等組成;操縱負(fù)荷系統(tǒng)主要由駕駛桿、腳蹬舵組成;座艙儀表系統(tǒng)由觸摸屏和虛擬儀表組成,提供觸摸式交互操作;數(shù)字音響系統(tǒng)由數(shù)字音響計算機(jī)和音效卡組成;視景系統(tǒng)由視景生成系統(tǒng)和視景顯示系統(tǒng)組成;計算機(jī)通訊與接口系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備和各種接口板卡組成;電源系統(tǒng)由各種電源組成。教學(xué)輔助系統(tǒng)由空域?qū)Ш脚c認(rèn)知子系統(tǒng)、航空理論數(shù)據(jù)庫、示范教學(xué)視頻資料等組成。模擬器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　組教學(xué)輔助訓(xùn)練系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1　The system structure of group teaching assistant training system

3小組教學(xué)輔助訓(xùn)練系統(tǒng)硬件設(shè)計

硬件設(shè)計如圖2所示,主要包括座艙平臺、座椅、視景顯示器、儀表觸摸屏、駕駛桿、油門、腳蹬等。

圖2　系統(tǒng)硬件設(shè)計Fig.2　The design ofsystem hardware

(1) 座艙平臺

底部平臺尺寸為1900x800x215mm;底部平臺用40x40mm的角鋼加工焊接成框架,地板使用4mm踏花鋁板,與框架拴接。底部安裝調(diào)平支腳和4個輪子,便于移動和固定。平臺前部空擋處安裝操縱系統(tǒng)集中控制盒、電源箱等設(shè)備。左右操作臺操縱臺用方管焊接,左側(cè)預(yù)留油門臺安裝位置。儀表板及風(fēng)擋支撐架用方管焊接,上方安裝風(fēng)擋框,中間安裝中央儀表顯示器,顯示器可上下調(diào)節(jié)。工控機(jī)安裝架用方管焊接,內(nèi)置2個工控機(jī)安裝位置,工控機(jī)兩側(cè)有滑軌,安裝完成后可向外拉出。安裝架上方安裝有3臺視景顯示器及其固定架,固定架可上下調(diào)節(jié)。中央儀表顯示器采用24寸電阻式觸摸顯示器,屏幕16:10,分辨率1920X1200,VGA、DVI、DP各一個,4個USB接口,可視角度178垂直、178水平。電源控制箱用于給操縱系統(tǒng)提供工作電源;電源控制箱輸入為交流電壓AC220V;輸出為2路直流電壓;1路DC5V,200W;1路DC24V,500W。電源控制箱通過航插YP21-14TK輸出DC5V/DC24V到集線控制箱。安裝在底座右前部。

(2) 駕駛桿操縱系統(tǒng)

駕駛桿操縱系統(tǒng)如圖3所示,桿頭由實裝件改裝,操縱桿位置及操縱行程:離儀表板下沿距離:190mm;向前行程:160mm;向后行程:160mm;左右行程:130mm。操縱負(fù)荷:安裝彈簧筒:在操縱桿底部傳動曲柄處分別連接橫向、縱向?qū)嵮b件彈簧,為操作桿提供同真機(jī)相同零位起始桿力及最大行程桿力;安裝阻尼件:在操縱桿底部傳動曲柄另一連接點處分別連接橫向、縱向?qū)嵮b阻尼件,為操作桿提供同真機(jī)相同操縱阻尼力;操縱桿位置取樣:操縱桿橫向、縱向位置及剎車均采用電位器,采樣信息通過操縱系統(tǒng)集中控制盒送上位機(jī)。

圖3　駕駛桿操縱系統(tǒng)Fig.3　The stick control system

(3) 腳蹬操縱系統(tǒng)

腳蹬操縱系統(tǒng)如圖4所示。腳蹬:實裝件;操縱負(fù)荷:(1)安裝彈簧:在腳蹬底部旋轉(zhuǎn)軸曲柄處連接實裝件彈簧,為腳蹬提供同真機(jī)相同零位起始力及最大行程力。(2)安裝阻尼件:在腳蹬底部旋轉(zhuǎn)軸曲柄另一連接點處連接實裝阻尼件,為腳蹬提供同真機(jī)相同操縱阻尼力。操縱桿位置取樣:航向位置取樣用電位器進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣,腳蹬位置信號均通過操縱系統(tǒng)集中控制盒送上位機(jī)。

圖4　腳蹬操縱系統(tǒng)Fig.4　The pedal control system

(4) 油門臺操縱系統(tǒng)

油門桿頭:實裝件,2個按鈕開關(guān),信號送操縱系統(tǒng)集中控制盒采集處理后與上位機(jī)交聯(lián)。油門控制臺:實裝件加裝采集機(jī)構(gòu),提供一定的阻尼摩擦,位置信號通過3個電位器和操縱系統(tǒng)集中控制盒采集處理,送入操縱系統(tǒng)集中控制盒,如圖5所示。

圖5　油門臺操縱系統(tǒng)Fig.5　The throttle control system

4小組教學(xué)輔助訓(xùn)練系統(tǒng)軟件設(shè)計

(1) 飛行仿真系統(tǒng)

仿真解算系統(tǒng)主要是負(fù)責(zé)采集飛行員的兩桿一舵等操縱數(shù)據(jù),并從座艙接口計算機(jī)接收飛行員的操縱開關(guān)、電門等控制動作,用數(shù)值積分方法解算飛機(jī)的運動方程和動力方程,得到實時數(shù)值解,將飛機(jī)的實時位置及姿態(tài)等有關(guān)參數(shù)傳送到視景計算機(jī)、儀表計算機(jī)進(jìn)行顯示和其它相關(guān)方面的解算[1][2]。

推導(dǎo)整理得到機(jī)體軸系的質(zhì)心動力學(xué)方程,如下式[3]:

(1)

式中,Vxt,Vyt,Vzt分別為飛行速度在三個機(jī)體軸的分量;ωx,ωy,ωz分別為飛機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度在三個機(jī)體軸的分量;Fx,Fy,Fz分別為作用在飛機(jī)上的力在三個機(jī)體軸的分量。對式上式的積分就可得到飛機(jī)速度在機(jī)體坐標(biāo)系的分量。

用下式將機(jī)體速度分量轉(zhuǎn)化到地面速度分量[4,5]。

(2)

再進(jìn)行積分就得到了飛機(jī)相對于地面坐標(biāo)系的位置(xd,yd,zd)。

推導(dǎo)整理得到機(jī)體軸系的質(zhì)心轉(zhuǎn)動動力學(xué)方程,如下式[6]:

(3)

式中,Ix,Iy,Iz分別為飛機(jī)相對于三個機(jī)體軸的轉(zhuǎn)動慣量;Ixy為飛機(jī)相對于x、y軸的慣性積。飛機(jī)可認(rèn)為基本具有縱對稱面,所以可以忽略掉其相對于z、x軸和y、z軸的慣性矩Iyz=Izx=0?！芃x,∑My,∑Mz分別為作用在飛機(jī)上的力矩矢量在機(jī)體軸上的分量。對式積分就可得到飛機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度在機(jī)體坐標(biāo)系的分量。

得到了飛機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度在機(jī)體坐標(biāo)系的分量后應(yīng)用四元數(shù)法來求得飛機(jī)姿態(tài)角,如下式[7]:

(4)

要解算飛機(jī)的運動方程,還必須確定作用在飛機(jī)上的氣動力和氣動力矩,氣動力包括升力、阻力以及發(fā)動機(jī)的推力;氣動力矩包括分解到各機(jī)體軸的操縱力矩、穩(wěn)定力矩等。根據(jù)飛機(jī)空氣動力學(xué)的原理,飛機(jī)上的氣動力和力矩與飛機(jī)的氣流角和速度有關(guān)。在計算飛機(jī)空氣動力時,還要考慮空氣運動對飛行的影響。

(2) 視景仿真系統(tǒng)

視景仿真環(huán)境,采用先進(jìn)成熟的計算機(jī)成像技術(shù),視景驅(qū)動平臺選用VegaPrime2.0,基于C++語言開發(fā),視景數(shù)據(jù)庫大量使用可獲取的地理信息數(shù)據(jù),如高分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、數(shù)字、高程模型數(shù)據(jù)等并使用CTS2.1生成極具現(xiàn)實感的地景環(huán)境生成。模型數(shù)據(jù)庫采用Creator3.0開發(fā),包括飛機(jī)、機(jī)場、建筑物等。視景生成系統(tǒng)的實現(xiàn)主要包含兩個過程:視景數(shù)據(jù)庫的建立(如圖6)和視景驅(qū)動程序的開發(fā)。視景數(shù)據(jù)庫建模工作主要由地形建模和三維物體建模組成,在此基礎(chǔ)上通過實例、LOD、紋理和子面等典型技術(shù)應(yīng)用來節(jié)省系統(tǒng)資源、提高實時運行速度、提高視景清晰度。

(3) 虛擬儀表系統(tǒng)

虛擬航空儀表系統(tǒng)開發(fā)過程,要依托于多種技術(shù)并借助許多軟件工具才能完成,其開發(fā)工作主要集中在虛擬儀表的外觀,指針,滾動顯示數(shù)據(jù)條,警告等設(shè)計與制作,通訊接口的開發(fā)以及外設(shè)硬件的驅(qū)動三方面,虛擬儀表界面是虛擬儀表制作的主要工作,其界面的逼真度是影響虛擬儀表系統(tǒng)真實感的主要因素。同時,飛行模擬器虛擬儀表系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)該保證具有一定的靈活性,平臺的可移植性和良好的實時交互性,故而對系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境提出了較高的要求。為了保證開發(fā)的速度,質(zhì)量、可擴(kuò)展性、可移植性,項目選用DISTI公司的GLStudio作為虛擬儀表的主要開發(fā)工具,增強(qiáng)了仿真航空儀表系統(tǒng)的快速開發(fā)和有效管理,提高了系統(tǒng)快速繪制能力,事實渲染能力和交互能力,并為系統(tǒng)的開放性,平臺一直性提供了技術(shù)保障[8]。

在整個仿真儀表開發(fā)流程中,主要操作過程是在GLStudio中設(shè)計完成的。在整個儀表的開發(fā)過程中,主要分為4大設(shè)計過程,包括仿真儀表界面的開發(fā)、控件驅(qū)動方式定義、對按鍵消息的處理、外部網(wǎng)絡(luò)通訊程序開發(fā)[9]。開發(fā)仿真航空儀表執(zhí)行文件的過程是一個交互循環(huán)的過程,如圖7所示。首先建立GLStudio與VC++編譯器的連接,然后編輯圖形界面,利用GLStudio的自動代碼生成器產(chǎn)C++,OpenGL代碼[10]。如果界面不令人滿意,則需要重新編譯,修改和再次生成可執(zhí)行文件。開發(fā)流程如圖7所示[11-13]。

圖6　視景數(shù)據(jù)庫生產(chǎn)流程圖Fig.6　The process of visual database design

圖7　虛擬儀表開發(fā)流程Fig.7　The process of visual meter development

5仿真結(jié)果

應(yīng)用本文提出的設(shè)計方法實現(xiàn)的該型初級教練機(jī)小組教學(xué)輔助訓(xùn)練系統(tǒng)如圖8所示,三通道視景系統(tǒng)提供了良好的視覺仿真環(huán)境,觸摸式虛擬儀表系統(tǒng)提供了良好的交互操縱界面,駕駛桿、腳蹬操縱系統(tǒng)由真實裝備改制而成,具有良好的操縱感覺,系統(tǒng)整體性能滿足了小組教學(xué)訓(xùn)練需要,已經(jīng)在部隊訓(xùn)練推廣。

飛行性能仿真系統(tǒng)輸出如圖9所示,圖9中顯示了該型初級教練機(jī)位移加速度、角速度在飛機(jī)起飛階段的變化情況,對比飛機(jī)飛參數(shù)據(jù),結(jié)合飛行員試飛感覺,飛行性能仿真教好的滿足了訓(xùn)練需求。

6結(jié)論

本文結(jié)合學(xué)院飛行團(tuán)隊某型初級教練機(jī)小組教學(xué)訓(xùn)練需要,綜合應(yīng)用數(shù)學(xué)建模技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、大地景生成現(xiàn)實技術(shù)、飛參數(shù)據(jù)采集處理技術(shù),設(shè)計和實現(xiàn)了該型初級教練機(jī)小組教學(xué)輔助訓(xùn)練系統(tǒng)。該小組輔助訓(xùn)練系統(tǒng)的研制和使用,對于提升小組教學(xué)訓(xùn)練質(zhì)量,保障該型初級教練機(jī)飛行訓(xùn)練安全起到了重要作用,具有較高的軍事和經(jīng)濟(jì)效益。

圖8　某型初級教練機(jī)小組教學(xué)輔助訓(xùn)練系統(tǒng)Fig.8　An assistant training system of a certain type of primary trainer aircraft

圖9　飛行性能仿真系統(tǒng)輸出Fig.9　The output of performance simulation system

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周曉光男(1982-),吉林蛟河人,博士,工程師,主要研究方向為飛行仿真,作戰(zhàn)建模。

劉洋男(1982-),遼寧鞍山人,工程師,主要研究方向為飛行仿真,模擬訓(xùn)練。

中圖分類號：TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

基金項目：武器裝備軍內(nèi)科研科學(xué)研究項目資助(***模擬訓(xùn)練裝備應(yīng)用研究)

An Assistant Training System of a Certain Type of Primary Trainer Aircraft

ZHOU Xiaoguang,LIU Yang,YUE Fuchang

(1.Navalaviationinstitute,Huludao125001,China;2.FlightSimulationCenterof93357Troops,Anshan114225,China)

Abstract：In order to enrich teaching methods and expand the training content of group teaching of flight regiment,according the training needs of group teaching,an assistant training system of a certain type of primary trainer is designed.The system consists of cockpit,flight performance simulation system,three channels visual simulation system,touch type virtual meter system,sound simulation system and assistant teaching system.The system realizes function of cockpit practice,demonstration teaching,take-off and landing flight,instrument flight,flight datum analysis and airspace cognition and navigation.The system is intordiscipline and comprehensive teaching and training system based on computer.The system can improve the quality and short the training time of group teaching and lay the technology foundation for training mode transtition.

Key words：primary trainer; assistant training system; group teaching