CN108447338B - 一种带有运动***的ipt飞行模拟*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种带有运动***的IPT飞行模拟***，其技术特点在于：包括基座、固定平台、运动平台、IPT飞机模拟器、运动***和运动***机柜；在所述基座上分别固装有固定平台和运动***，所述固定平台上方与运动平台的前端铰装在一起，该运动平台的后端底部固装在运动***上方，在所述运动平台上方固装有IPT飞机模拟器，该IPT飞机模拟器通过运动***机柜与运动***相连接，用于控制运动***沿竖直方向作伸缩运动。可以有效提升教学质量和学员在学习和训练过程中的主观感受和反馈，从而进一步加强学习质量和复训质量。
Description
技术领域
本发明属于飞行模拟器技术领域，涉及IPT飞行模拟器的运动***，尤其是一种带有运动***的IPT飞行模拟***。
背景技术
近年来，随着国家大力支持航空工业，航空科技也随着迅猛发展，各种飞机及航空设备大量装备到基层单位。随之而来的需要是有某种经济的、高效的方式进行设备的熟悉，训练、演练和相关***的研究。随着这些需求的提出，用户也日益重视训练用仿真器的研制与发展。但是受设备本身包含的高技术含量的部件和其复杂组合的影响，真正的飞机模拟器的价格一直高居不下，不是一般训练中心能够承受的，且影响了各种国产飞机在国内的销售和培训工作。而当今市面上流行的IPT(Integrated Procedure Trainer)，如图1所示，一般通过多块触摸屏模拟驾驶舱的顶部控制板、仪表板、操纵台等组件，提供与真实飞机相近的三维空间布局和比例。遮光罩、多功能控制显示组件(MCDU)、油门杆等常用部件可采用仿真件以提升训练效果。学员在IPT上可以完成一系列正常程序和非正常/应急程序操作，辅助屏幕提供动态原理图功能，配备教员控制台***。
使用IPT进行训练***将节省大量的资金，提高培训质量和飞行的安全性；同时使得培训不受天气、场地等客观条件限制，保证了培训时间，提高了培训成果。(注：由于当前民航局规定IPT级训练器不具备复训和飞行小时数内，仅可用于教学和自学飞行)，但是现有的IPT本身由于不具备运动***导致大大降低飞行主观感受和实际运用，所以IPT类型模拟器至用于教学和兴趣开发，无法满足真实飞行员的复训和训练。
经检索，未发现与本发明相同或相似的已经公开的专利文献。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理、制造成本低且能够增加学员在使用IPT期间的主观感觉的带有运动***的IPT飞行模拟***。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种带有运动***的IPT飞行模拟***，包括基座、固定平台、运动平台、IPT飞机模拟器、运动***和运动***机柜；在所述基座上分别固装有固定平台和运动***，所述固定平台上方与运动平台的前端铰装在一起，该运动平台的后端底部固装在运动***上方，在所述运动平台上方固装有IPT飞机模拟器，该IPT飞机模拟器通过运动***机柜与运动***相连接，用于控制运动***沿竖直方向作伸缩运动。
而且，所述运动***为沿竖直方向作伸缩运动的电动作动筒，包括机架和电动作动筒驱动电路，所述机架为中空筒状结构，在机架底部同轴转动连接有中轴，在中轴上依次同轴套装有编码器、减速器和伺服电机；在所述中轴前端固装有丝杠，在丝杠上同轴套装有中空筒状的活塞杆，该活塞杆前端与运动平台底部固装在一起；在活塞杆外侧前端安装有限位器。
而且，所述IPT飞机模拟器包括驾驶杆和脚舵、运动***计算机和HOST计算机；所述驾驶杆和脚舵的输出端与运动***计算机相连接，用于将驾驶杆和脚舵产生的操作信号输出至运动***计算机，该运动***计算机通过运动***机柜内的接口板卡模块与运动***内的控制模块相连接，用于控制运动***按照设置的参数工作；该运动***计算机还与HOST计算机相连接，用于实现对运动***的实时通信。
而且，所述运动***机柜包括接口板卡、运动***归位模块、安全控制模块、逻辑电源模块和阻滞电阻模块；所述安全控制模块与接口板卡相连接，用于实时监测运动***的运行状态并向IPT飞机模拟器发出故障信息；该安全控制模块还与运动***归位模块相连接，用于控制运动***归位；该安全控制模块还与阻滞电阻模块相连接，用于吸收运动***归位时产生的多余电动势；所述接口板卡模块与阻滞电阻模块相连接，用于运动***初始化时的电路检测；所述逻辑电源模块分别与接口板卡、电动作动筒归位模块、安全控制模块和阻滞电阻模块相连接并为其供电。
而且，所述电动作动筒驱动电路包括控制模块和驱动电源模块，该控制模块输出端通过驱动电源模块与伺服电机相连接，用于控制驱动电源模块的输出电流和控制监测电动作动筒参数信息；该控制模块的输出端与减速器相连接，用于控制运动平台的运动幅度；该减速器的输出端与伺服电机相连接，用于根据控制模块的控制信息降低伺服电机转速；所述伺服电机的输出端通过编码器与控制模块相连接，用于向控制模块提供伺服电机的转速运动状态信息；所述限位器的输出端分别与控制模块和运动***机柜内的安全控制模块相连接，用于向控制模块提供活塞杆的初始位置信息，并将该活塞杆的初始位置信息输出至运动***机柜内的安全控制模块；所述运动***机柜内的安全控制模块与减速器相连接，用于在检测到电动作动筒处于不安全状态时控制电动作动筒在重力的作用下回收到初始位置；该运动***机柜内的逻辑电源模块的输出端分别与控制模块、编码器、限位器和减速器相连接并为其供电。
本发明的优点和积极效果是：
1、本发明提出了一种新型的基于IPT(Integrated Procedure Trainer即综合程序训练器)的简易驾驶仿真***，通过在原有IPT的基础上增加运动***，可以有效提升教学质量和学员在学习和训练过程中的主观感受和反馈，从而进一步加强学习质量和复训质量；另外，运动***的增加，也可以有效提升品牌IPT在市场中的竞争力，在日趋激烈的模拟器市场中和培训行业内占有一定的地位。
2、本发明使用飞机操纵***和飞行姿态来控制运动***的产生和改变，能够增加学员在使用IPT期间的主观感觉；可用于满足基层单位的低费用训练要求，以及一些科普方面的要求。同时将对驾驶模拟过程中的主观感觉进行提升和还原，进而有效提高训练效果和科普演示效果。同时也可以面对初学者进行飞行体验也可以面对真实飞行员进行复训预习。
3、本发明由于采用的全新的电机驱动作动筒，没有液压管路和管路控制阀，完全消除了液压油渗漏的情况，对于EMM***，为维护带来了很大的便利。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的电动作动筒的机械结构示意图；
图3是本发明的电路框图。
具体实施方式
以下结合附图对发明实施例作进一步详述：
一种带有运动***的IPT飞行模拟***，如图1所示，包括基座6、固定平台7、运动平台4、IPT飞机模拟器1、运动***3和运动***机柜5；在所述基座上分别固装有固定平台和运动***，所述固定平台上方与运动平台的前端铰装在一起，该运动平台的后端底部固装在运动***上方，在所述运动平台上方固装有IPT飞机模拟器，该IPT飞机模拟器通过运动***机柜与运动***相连接，用于控制运动***沿竖直方向作伸缩运动。
在本实施例中，所述运动***为沿竖直方向作伸缩运动的电动作动筒，如图2所示，包括机架和电动作动筒驱动电路，所述机架为中空筒状结构，在机架底部同轴转动连接有中轴，在中轴上依次同轴套装有编码器3-1、减速器3-2和伺服电机3-3；在所述中轴前端固装有丝杠3-6，在丝杠上同轴套装有中空筒状的活塞杆3-5，该活塞杆前端与运动平台底部固装在一起；在活塞杆外侧前端安装有限位器3-7，在伺服电机的输出轴与中轴的连接处还同轴套装有轴承4。
本发明的各部件组成和作用为：
(1)IPT飞机模拟器为传统IPT部分，固定在运动平台上，包括传统IPT中操作员的全部操作部分和运动***的输入(即：驾驶杆和脚舵)；
(2)运动平台前端与固定平台铰装在一起，作为运动平台做圆周运动圆点的固定支点2；
(3)运动***为包括电动作动筒驱动部件、伺服电机和活塞杆于一体的电动作动筒，其上端固装在运动平台底部，下端固装在基座上，且其输入端与通过线路与运动***机柜连接，是整个运动***的动力源；
(4)运动平台上方承载传统IPT飞行模拟器，前端通过轴承与平台支点相连接，后端由电动作动筒上端支撑；
(5)运动***机柜独立放置于运动平台侧面，其输出端通过线路与电动作动筒连接，其内部控制电路包括接口板卡、安全控制模块和逻辑电源模块等。
在本实施例中，所述IPT飞机模拟器如图3所示，虚线代表信号线，实线代表电源线；包括驾驶杆和脚舵、运动***计算机和HOST计算机；所述驾驶杆和脚舵的输出端与运动***计算机相连接，用于将驾驶杆和脚舵产生的操作信号输出至运动***计算机，该运动***计算机通过运动***机柜内的接口板卡模块与运动***内的控制模块相连接，用于控制运动***按照设置的参数工作；该运动***计算机还与HOST计算机相连接，用于实现对运动***的实时通信。
本发明的IPT飞机模拟器的各部件组成和作用为：
(1)驾驶员对脚舵、驾驶杆的操作产生的机械运动，通过相应的传感器将产生的操作信号传输给运动***计算机，由运动***计算机分析计算后，将相应状态和指令传输给HOST计算机和接口板卡。
(2)HOST计算机，综合管理整个IPT***的运行，是IPT***与运动***的信息交流中心。通过1394高速网络与运动***计算机连接，实现对运动***的实时通信。
(3)运动***计算机，运动***计算机作为整个EMM***的核心控制部件，运行控制***软件。在运动启动的过程中，运动***计算机上的配置文件会通过接口板卡加载到控制模块，使电动作动筒按照设置的参数工作。
在本实施例中，所述运动***机柜如图3所示，所述运动***机柜包括接口板卡、电动作动筒归位模块、安全控制模块、逻辑电源模块和阻滞电阻模块；所述安全控制模块与接口板卡相连接，用于实时监测电动作动筒的运行状态并向运动***计算机发出故障信息；该安全控制模块还与电动作动筒归位模块相连接，用于控制电动作动筒归位；该安全控制模块还与阻滞电阻模块相连接，用于吸收电动作动筒归位时伺服电机产生的多余电动势；所述接口板卡模块与阻滞电阻模块相连接，用于电动作动筒初始化时的电路检测；所述逻辑电源模块分别与接口板卡、电动作动筒归位模块、安全控制模块和阻滞电阻模块相连接并为其供电。
本发明的运动***机柜的各部件组成和作用为：
(1)接口板卡(IFB)，在运动控制柜中，IFB起着信号路由和信号处理的作用。该接口板卡由逻辑电源模块供电，包含一个可编程门阵列单元、监控电路以及各种保险原件。主要处理将24V直流电源输出到控制的部件、监控电动作动筒的各种开关、驱动部件的信号处理、归位部件的信号处理以及运动***计算机的信号路由和处理等。
(2)电动作动筒归位部件(RTH)，即运动***归位部件(Return To Home)是在运动***出现故障或者紧急情况时，保证电动作动筒能够安全地完全回缩，使运动平台归位。比如在EPO情况下，内部链路检测到故障条件，同时接通备用直流电源，由专门的电池组提供给RTH供电，RTH开始接通动态阻滞电阻电路，使作动筒缩回过程中产生的电动势能够被阻滞电路消耗掉。
(3)安全控制模块，该模块的主要功能是实时监测运动***的运行状态，当运动***出现不安全状态时，如加速度过大或位置传感器(即限位器)发出警告时，安全控制模块向接口板卡发出指令，停止当前动作，并向运动***计算机发出故障信息。同时该模块也能接收归位部件的输入，通过控制相关模块实现运动平台归位。
(4)逻辑电源模块，该模块的主要功能是向运动***各个模块的电路、元器件、传感器等提供直流电源(如24V、15V等)。以保证各个模块的逻辑功能正常运行。
(5)阻滞电阻模块，该模块的功能为吸收作动筒回收时电机产生的多余电动势，以保证运动***安全。
在液压驱动的运动***中，在出现异常状况时，液压管路上的各种释放阀同时工作，将作动筒的下部腔体中的液压油导入导入回流管路，使模拟机平台安全归位。在EMM***中，同样存在类似的工作部件，由RTH部件代替各种释放阀，阻滞电阻将作动筒回缩后电机产生的电能消耗掉。
在本实施例中，所述电动作动筒驱动电路如图3所示，包括控制模块和驱动电源模块，该控制模块输出端通过驱动电源模块与伺服电机相连接，用于控制驱动电源模块的输出电流和控制监测电动作动筒参数信息；该控制模块的输出端与减速器相连接，用于控制运动平台的运动幅度，提供并模拟驾驶员在俯仰方向上的真实感受；该减速器的输出端与伺服电机相连接，用于根据控制模块的控制信息降低伺服电机转速；所述伺服电机的输出端通过编码器与控制模块相连接，用于向控制模块提供伺服电机的转速运动状态信息；所述限位器的输出端分别与控制模块和安全控制模块相连接，用于向控制模块提供活塞杆的初始位置信息，并将该活塞杆的初始位置信息输出至运动***机柜内的安全控制模块；所述安全控制模块与减速器相连接，用于在检测到电动作动筒处于不安全状态时控制电动作动筒在重力的作用下回收到初始位置；所述安全控制模块与控制模块相连接，由安全控制模块监测控制模块状态。逻辑电源模块的输出端分别与控制模块、编码器、限位器和减速器相连接并为其供电。
电动作动筒外部固装有驱动部件，即作动筒驱动(MOTOR DRIVE)。驱动部件由两个模块组成：驱动电源模块和控制模块。驱动电源模块用于将输入的交流电源转换成直流电源提供给作动筒上的直流无刷伺服电机；控制模块是运动***机柜和电动作动筒的直流无刷伺服电机的接口，主要功能为控制驱动电源模块的输出电流和控制监测作动筒各项参数信息。电动作动筒内部(ElectroMechanical Actuator)是整个EMM***的重要组成部件，驱动该电动作动筒的无刷直流伺服电机直接与电动作动筒整合为一体。
本发明的电动作动筒的各部件组成和作用为：
(1)编码器同轴套装在电动作动筒内部中轴上，其主要功能是向控制模块提供作动筒的位置和速度等运动状态信息。
(2)减速器固定在电动作动筒内壁上，通过控制固定在中轴上的减速盘来控制中轴转速，其主要功能是依据控制模块的控制信息，降低电机转速，更改运动状态。
(3)伺服电机固定在电动作动筒内中下部内壁上，其主要功能是驱动作电动动筒运动，为整个运动***的动力源。
(4)轴承同轴套装在伺服电机的输出轴与中轴的连接处，起到固定中轴的作用。
(5)活塞杆在作动筒内部通过内螺纹与管组相连，外端与运动平台相连，是作动筒伸出部分，作为作动筒伸出和收缩时对运动平台的支撑。
(6)丝杠固定在中轴前端，其作用为将伺服电机的动能转换成活塞杆的伸出与收缩动能。
(7)限位器固定在活塞杆外侧，其作用是监测作活塞杆的初始位置，并将位置信息传输给安全控制模块。
电动作动筒运动过程为：当运动***计算机生成相应的运动指令，输出至运动***机柜控制电动作动筒运动时，伺服电机上电，带动中轴和固定在中轴上的减速盘、编码器和丝杠运动，丝杠的正反旋转运动通过螺纹传动使活塞杆完成往复收缩运动，达到控制运动平台的上升、下降的目的。限位器的主要作用是检测作动筒是否回到完全收回位置，并向运动***机柜内的安全控制模块提供位置信息。
本发明的工作过程为：
IPT飞行模拟器启动后，运动***开始加载，HOST计算机与运动***计算机建立通信。运动***计算机运行***软件，同时将各种配置文件加载到相关的硬件中，为运动***的运行准备。加载完成后，通过驾驶舱的运动控制按钮可以激活运动***。
激活运动***后，当驾驶员操作脚蹬和操作杆时，由检测传感器将操作信息传递给运动***计算机，运动***计算机针对驾驶员的操作信息，将相应信息与指令传递给HOST计算机和运动***机柜，然后HOST计算机将运动状态信息进行逻辑处理，并向IPT其他部分发送相应指令，同时运动***机柜将运动指令发送给运动***作动部分，并执行相应的运动动作。当操作员操作驾驶杆和脚蹬时，由运动***计算机生成相应的运动指令，然后通过运动***机柜，控制电动作动筒执行动作。通过电动作动筒的收缩运动，使运动平台后端抬升或降低，由于运动***前缘位置不变，最终使运动平台上操作IPT的操作员在俯仰方向上产生相应的运动感，如此便完成一次IPT运动***的动作执行。
本发明的工作原理为：
本发明所采用的EMM(The Electromechanical Motion)运动***，是目前为止最先进的全电气模拟运动***，该EMM运动***采用全新的电动作动筒来驱动整个驾驶舱平台。
全动飞行模拟器的六自由度运动***，它给提供模拟器在空间x、y、z三个直角坐标轴方向的直线运动自由度(对应于前后、左右、上下)和绕坐标轴的转动自由度(对应于俯仰、翻滚、偏航)。六自由度运动***保证机组训练的真实度；而本发明中适用于带有运动***的IPT飞行模拟***仅提供俯仰震动模拟，因为IPT本身是由多块触摸屏模拟驾驶舱的顶部控制板、仪表板、操纵台等组件组成，不像全动模拟机拥有出色的面板连接和缜密设计，故太大的起伏动作会影响IPT的使用和设计。
本发明可根据驾驶杆的推拉和偏转，对运动***计算机进行控制输入，当操作驾驶杆时，根据驾驶杆行程作动若干和指定的作动器进行作动，其中空中姿态进行变化时，运动***可以提供在俯仰方向上的运动感，同时在地面状态进行Takeoff和Landing时，进行两个特殊化判定，以达到真实感受中的推背感和着陆感。
本发明根据脚舵的行程对飞机姿态进行控制输入当使用脚舵时，根据脚舵行程作动对电动作动器进行作动，其中仅体现两点：首先为空中蹬舵时，由于襟翼和缝翼作动会产生大幅度滚转，由IPT视景进行视景体现，同时作动器在俯仰方向上体现相应的运动感。其次为地面利用脚舵进行刹车作动，时会产生较为明显的前倾刹车感。该类操作处于地面阶段。
本发明中的各电路模块均采用可市购的硬件模块，采用常规的处理方法均可实现。
需要强调的是，发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于发明保护的范围。
Claims (2)
1.一种带有运动***的IPT飞行模拟***，其特征在于：包括基座、固定平台、运动平台、IPT飞机模拟器、运动***和运动***机柜；在所述基座上分别固装有固定平台和运动***，所述固定平台上方与运动平台的前端铰装在一起，该运动平台的后端底部固装在运动***上方，在所述运动平台上方固装有IPT飞机模拟器，该IPT飞机模拟器通过运动***机柜与运动***相连接，用于控制运动***沿竖直方向作伸缩运动；
所述运动***为沿竖直方向作伸缩运动的电动作动筒，包括机架和电动作动筒驱动电路，所述机架为中空筒状结构，在机架底部同轴转动连接有中轴，在中轴上依次同轴套装有编码器、减速器和伺服电机；在所述中轴前端固装有丝杠，在丝杠上同轴套装有中空筒状的活塞杆，该活塞杆前端与运动平台底部固装在一起；在活塞杆外侧前端安装有限位器；
所述IPT飞机模拟器包括驾驶杆和脚舵、运动***计算机和HOST计算机；所述驾驶杆和脚舵的输出端与运动***计算机相连接，用于将驾驶杆和脚舵产生的操作信号输出至运动***计算机，该运动***计算机通过运动***机柜内的接口板卡模块与运动***内的控制模块相连接，用于控制运动***按照设置的参数工作；该运动***计算机还与HOST计算机相连接，用于实现对运动***的实时通信；
所述运动***机柜包括接口板卡、运动***归位模块、安全控制模块、逻辑电源模块和阻滞电阻模块；所述安全控制模块与接口板卡相连接，用于实时监测运动***的运行状态并向IPT飞机模拟器发出故障信息；该安全控制模块还与运动***归位模块相连接，用于控制运动***归位；该安全控制模块还与阻滞电阻模块相连接，用于吸收运动***归位时产生的多余电动势；所述接口板卡模块与阻滞电阻模块相连接，用于运动***初始化时的电路检测；所述逻辑电源模块分别与接口板卡、电动作动筒归位模块、安全控制模块和阻滞电阻模块相连接并为其供电。
2.根据权利要求1所述的一种带有运动***的IPT飞行模拟***，其特征在于：所述电动作动筒驱动电路包括控制模块和驱动电源模块，该控制模块输出端通过驱动电源模块与伺服电机相连接，用于控制驱动电源模块的输出电流和控制监测电动作动筒参数信息；该控制模块的输出端与减速器相连接，用于控制运动平台的运动幅度；该减速器的输出端与伺服电机相连接，用于根据控制模块的控制信息降低伺服电机转速；所述伺服电机的输出端通过编码器与控制模块相连接，用于向控制模块提供伺服电机的转速运动状态信息；所述限位器的输出端分别与控制模块和运动***机柜内的安全控制模块相连接，用于向控制模块提供活塞杆的初始位置信息，并将该活塞杆的初始位置信息输出至运动***机柜内的安全控制模块；所述运动***机柜内的安全控制模块与减速器相连接，用于在检测到电动作动筒处于不安全状态时控制电动作动筒在重力的作用下回收到初始位置；该运动***机柜内的逻辑电源模块的输出端分别与控制模块、编码器、限位器和减速器相连接并为其供电。
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