一种低速风洞模型飞行实验地面模拟训练系统技术方案

本发明专利技术公开了一种低速风洞模型飞行实验地面模拟训练系统，包括综合控制台、飞行操纵台、计算机实时解算系统、视景系统和音响系统，所述综合控制台和视景系统均连接至以太网，所述以太网连接有飞行操纵台和实时解算系统，所述实时解算系统为通过反射内存网互联的多处理器分布式实时计算系统，所述视景系统连接所述音响系统。本发明专利技术所提出的模拟训练系统可以逼真地模拟模型在低速风洞试验段内六自由度无约束飞行的实验场景，解决多个飞行员同时进行协同操纵训练问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于飞行模拟领域，特别是涉及一种低速风洞模型飞行实验地面模拟训练系统。
技术介绍
在大型低速风洞模型飞行实验中，模型飞机的操控和响应具有以下几个特点：（1）由于使用动力相似缩比模型，与全尺寸真机飞行相比，实验时模型动力学响应速度与真机相比大大加快；（2）在风洞实验段内进行六自由度飞行，极其有限的运动空间要求飞行员能迅速控制模型的位置；（3）由于飞行员位于测控间通过远程控制模型的运动，缺乏对飞机运动加速度的感知，这在一定程度上加剧了飞行员反应迟滞；（4）飞行员不仅要控制模型的运动，还要对不同控制律结构和参数下的稳定性和操纵性进行评估。这些因素要求飞行员要有极快的反应速度，大大增加了飞行操纵难度。尽管飞行操纵任务被分解成俯仰操纵、偏航/滚转操纵和推力操纵等3个部分，由3名飞行员协作完成可以减小飞行操控的负担，仍然面临3人之间的操控协调问题，具有极大挑战。因此，在开展风洞模型飞行实验前，必须进行充分的飞行员训练。当前，这种模型飞行实验中，由于模型飞行操控特性与真飞机差距巨大，一般不能使用专业的飞行员，而是用航模飞机的飞行操纵员完成操控任务。而针对这类飞行操纵员的训练，一般使用航模在空中开展飞行操纵训练，这种方法不仅风险高，成本高，准备时间长，而且操纵环境、操纵感觉与风洞模型飞行实验场景并不一致，航模的操控与响应特性与待开展实验用的模型响应也不一致，无法实现逼真地训练；而目前一般的飞行模拟器，均为单个飞行员驾驶的模拟器，无法实现3名飞行员的协调操纵训练，而且，视景显示也为单个视角，无法模拟风洞模型飞行试验时不同飞行员所看到的不同视角。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提出一种低速风洞模型飞行实验地面模拟训练系统，可以逼真地模拟模型在低速风洞试验段内六自由度无约束飞行的实验场景，解决多个飞行员同时进行协同操纵训练问题。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种低速风洞模型飞行实验地面模拟训练系统，包括综合控制台、飞行操纵台、计算机实时解算系统、视景系统和音响系统，所述综合控制台和视景系统均连接至以太网，所述以太网连接有飞行操纵台和实时解算系统，所述实时解算系统为通过反射内存网互联的多处理器分布式实时计算系统，所述视景系统连接所述音响系统；所述综合控制台，是地面模拟训练系统的运行控制中心，主要用于设置系统的初始状态、工作过程控制与监视以及数据记录和回放，在系统中拥有最高控制权限；所述飞行操纵台，是地面模拟训练系统的输入设备，用于进行飞机运行的人机交互控制，包括至少一个操纵台；所述实时解算系统，是地面模拟训练系统的核心设备，是飞行控制律、飞机数学模型开发和运行的平台，主要用于完成操纵控制信号接收、飞机控制律及飞机数学模型解算、系统控制和显示驱动；所述视景系统，是地面模拟训练系统的显示输出设备，处理由实时解算系统和综合控制台提供的视景环境数据并生成指定视点或指定视场范围内的实时视景图像，可同时显示不同视角的风洞场景；所述音响系统，是地面模拟训练系统的音频输出设备，实时模拟飞机的各种声音效果。进一步的是，所述飞行操纵台包括俯仰操纵台、滚转偏航操纵台和推力操纵台。进一步的是，所述俯仰操纵台包括俯仰显示面板、俯仰驾驶杆和俯仰操作旋钮；所述俯仰显示面板进行控制指令、迎角和俯仰角速度曲线以及仪表的实时显示；所述俯仰驾驶杆和俯仰操作旋钮用于对飞机进行俯仰控制；所述俯仰操纵台供俯仰操纵员使用，用于进行飞机纵向人机交互控制。进一步的是，所述偏航滚转操纵台包括偏航滚转显示面板、偏航滚转驾驶杆和配平旋钮；所述偏航滚转显示面板主要用于显示反映飞机横向姿态的信息；所述偏航滚转驾驶杆和配平旋钮用于对飞机进行偏航滚转控制；偏航滚转操纵台供滚转偏航操纵员使用，用于进行飞机横向人机交互控制。进一步的是，所述推力操纵台包括推力显示面板、油门杆和推力控制模式切换开关；所述推力显示面板主要用于显示风速和推力；所述油门杆和推力控制模式切换开关用于对飞机进行推力操纵；推力操纵台供推力操纵员使用，用于进行推力人机交互控制。进一步的是，所述实时解算系统包括飞控计算机和飞行仿真机，实时解算系统为多处理器的分布式计算结构，通过反射内存网互联；所述飞控计算机包括上位机和目标机，所述上位机作为设计开发平台实现人机交互，所述目标机用于运行实时代码，所述实时解算系统采用计算机仿真技术。进一步的是，所述视景系统包括图形工作站、融合控制器、投影机和半圆柱幕，所述图形工作站接收实时解算系统和综合控制台提供的视景驱动数据，实时生成指定视角的图像，将生成的图像发送至融合控制器，由融合控制器对生成的图像进行分配并由投影机将画面显示在半圆柱幕上；所述视景系统利用虚拟现实技术；其中，所述半圆柱幕划分成3个部分，所述3个部分分别显示不同视角的风洞场景，其中俯仰操纵员和推力操纵员面对的是侧视图，滚转偏航操纵员面对的是后视图，与风洞实验现场飞行员能感受到的视觉效果完全一致。进一步的是，在所述风洞场景中标识了安全飞行区域。进一步的是，所述音响系统包括功放、音箱和音源设备，所述功放接收所述图形工作站和音源设备发送的数据，所述数据经功放处理后发送至音箱，由音箱发出声音；其中，所述飞机的各种声音效果包括飞机发动机运转时的噪声、飞机收放起落架的声音、机载设备工作声以及报警声。进一步的是，所述地面模拟训练系统还包括无线对讲系统，以保证各个操纵人员之间进行实时通话。采用本技术方案的有益效果：本专利技术利用虚拟现实和计算机仿真技术，开展地面模拟飞行训练，与大气航模飞行训练相比，训练风险低，不存在坠机、损坏模型等潜在风险；训练成本低，效率高，可以开展长时间飞行训练；实验不受天气影响；本专利技术与一般飞行模拟器相比，可以开展多个飞行员同时进行协同操纵飞行训练；场景更加逼真，完全模拟风洞实验现场的视觉、听觉和操纵感；本专利技术采用半圆柱幕并对半圆柱幕划分区域，实现多视角同步显示方案，逼真模拟了不同飞行员的真实视角，具有高逼真度和视觉沉浸感；本专利技术采用硬件和软件均为模块化的方式，增加了训练系统的通用性，可用于开展不同型号飞机的飞行模拟训练，具有重要而广泛的工程应用价值。附图说明图1为本专利技术的一种低速风洞模型飞行实验地面模拟训练系统的结构示意简图；图2为本专利技术的实施例中一种低速风洞模型飞行实验地面模拟训练系统的结构布局图；图3为本专利技术实施例中视景系统的结构示意图；图4为本专利技术实施例中半圆柱幕的示意图；图5为本专利技术实施例中模型训练结果和真实实验结果对比图；其中，1是综合控制台，2是俯仰操纵台、3是滚转偏航操纵台，4是推力操纵台，5是半圆柱幕，6是音箱，7是投影机，8是安全飞行区域。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本专利技术作进一步阐述。在本实施例中，参见图1和图2所示，一种低速风洞模型飞行实验地面模拟训练系统，包括综合控制台1、飞行操纵台、计算机实时解算系统、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低速风洞模型飞行实验地面模拟训练系统，其特征在于，包括综合控制台、飞行操纵台、计算机实时解算系统、视景系统和音响系统，所述综合控制台和视景系统均连接至以太网，所述以太网连接有飞行操纵台和实时解算系统，所述实时解算系统为通过反射内存网互联的多处理器分布式实时计算系统，所述视景系统连接所述音响系统；所述综合控制台，是地面模拟训练系统的运行控制中心，主要用于设置系统的初始状态、工作过程控制与监视以及数据记录和回放，在系统中拥有最高控制权限；所述飞行操纵台，是地面模拟训练系统的输入设备，用于进行飞机运行的人机交互控制，包括至少一个操纵台；所述实时解算系统，是地面模拟训练系统的核心设备，是飞行控制律、飞机数学模型开发和运行的平台，主要用于完成操纵控制信号接收、飞行控制律及飞机数学模型解算、系统控制和显示驱动；所述视景系统，是地面模拟训练系统的显示输出设备，处理由实时解算系统和综合控制台提供的视景环境数据并生成指定视点或指定视场范围内的实时视景图像，可同时显示不同视角的风洞场景；所述音响系统，是地面模拟训练系统的音频输出设备，实时模拟飞机的各种声音效果。

【技术特征摘要】
1.一种低速风洞模型飞行实验地面模拟训练系统，其特征在于，包括综合控制台、飞行操纵台、计算机实时解算系统、视景系统和音响系统，所述综合控制台和视景系统均连接至以太网，所述以太网连接有飞行操纵台和实时解算系统，所述实时解算系统为通过反射内存网互联的多处理器分布式实时计算系统，所述视景系统连接所述音响系统；
所述综合控制台，是地面模拟训练系统的运行控制中心，主要用于设置系统的初始状态、工作过程控制与监视以及数据记录和回放，在系统中拥有最高控制权限；
所述飞行操纵台，是地面模拟训练系统的输入设备，用于进行飞机运行的人机交互控制，包括至少一个操纵台；
所述实时解算系统，是地面模拟训练系统的核心设备，是飞行控制律、飞机数学模型开发和运行的平台，主要用于完成操纵控制信号接收、飞行控制律及飞机数学模型解算、系统控制和显示驱动；
所述视景系统，是地面模拟训练系统的显示输出设备，处理由实时解算系统和综合控制台提供的视景环境数据并生成指定视点或指定视场范围内的实时视景图像，可同时显示不同视角的风洞场景；
所述音响系统，是地面模拟训练系统的音频输出设备，实时模拟飞机的各种声音效果。
2.根据权利要求1所述的一种低速风洞模型飞行实验地面模拟训练系统，其特征在于，所述飞行操纵台包括俯仰操纵台、滚转偏航操纵台和推力操纵台。
3.根据权利要求2所述的一种低速风洞模型飞行实验地面模拟训练系统，其特征在于，所述俯仰操纵台包括俯仰显示面板、俯仰驾驶杆和俯仰操作旋钮；所述俯仰显示面板进行控制指令、迎角和俯仰角速度曲线以及仪表的实时显示；所述俯仰驾驶杆和俯仰操作旋钮用于对飞机进行俯仰控制；所述俯仰操纵台供俯仰操纵员使用，用于进行飞机纵向人机交互控制。
4.根据权利要求3所述的一种低速风洞模型飞行实验地面模拟训练系统，其特征在于，所述偏航滚转操纵台包括偏航滚转显示面板、偏航滚转驾驶杆和配平旋钮；所述偏航滚转显示面板主要用于显示反映飞机横向姿态的信息；所述偏航滚转驾驶杆和配平旋钮用于对飞机进行偏航滚转控制；偏航滚转操纵台供滚转偏航操纵员使用，用于进行飞机...

【专利技术属性】
技术研发人员：岑飞，范利涛，聂博文，刘志涛，孙海生，
申请(专利权)人：中国空气动力研究与发展中心低速空气动力研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51