一、概述
      目前，國際航空業(yè)對新飛行員的培訓和老飛行的復(fù)訓主要是在飛行模擬器上面進行的，飛行模擬器實際上是根據(jù)真實飛機駕駛艙1：1規(guī)格進行設(shè)計的，具有模擬真實飛機的操縱感官系統(tǒng)，模擬機訓練可以模擬飛行過程中的各種故障，并針對某個問題進行多次的飛行和操作，從而提高飛行員在實際飛行的快速反應(yīng)能力和安全操作能力，因此用飛行模擬器對飛行員進行飛行訓練是飛行培訓中心普遍采用的一種方法，即安全又能降低成本。六自由度戰(zhàn)斗機模擬器根據(jù)真實飛機駕駛座艙1：1規(guī)格進行設(shè)計，真實還原飛機駕駛的操縱系統(tǒng)，配合六自由度體感仿真平臺以及飛行視鏡系統(tǒng)，對飛機的空中飛行狀態(tài)進行復(fù)現(xiàn)。

圖2殲20戰(zhàn)斗機模擬器效果圖

二、研制依據(jù)
2.1研制依據(jù)
依據(jù)某某招標文件或某某技術(shù)要求。
2.2參考文件
GJB 1849-1993 《飛行模擬器術(shù)語》；
GJB 2099A-2009 《飛行模擬器分級》；
CCAR-60    《飛行模擬設(shè)備的鑒定和使用規(guī)則》；
GJB 2021-94    《飛行模擬器六自由度運動系統(tǒng)》；
GB/T 9385-2008 《計算機軟件需求規(guī)格說明規(guī)范》；
GB/T 9386-2008 《計算機軟件測試文檔編制規(guī)范》；
GJB 3872-1999  《裝備綜合保障通用要求》；
GJB 145A-1993  《防護包裝規(guī)范》；
三、系統(tǒng)組成、主要功能
3.1系統(tǒng)組成
戰(zhàn)斗機模擬器的組成部分主要分為兩個部分：
（1）硬件部分包括：模擬座艙、運動系統(tǒng)、視景系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)。計算機系統(tǒng)作為整個模擬器的核心，擔當著核心運算的功能，將各個模塊結(jié)合起來，才形成了飛行模擬器。
（2）軟件部分包括儀表系統(tǒng)、音響系統(tǒng)、飛行動力學模型、氣動模型、發(fā)動機模型、視景系統(tǒng)、飛行導航控制系統(tǒng)以及綜合自然環(huán)境的模擬。
3.2 系統(tǒng)主要功能
戰(zhàn)斗機模擬器的整個系統(tǒng)仿真，涵蓋了空氣動力學、大氣模型、機械系統(tǒng)、戰(zhàn)斗系統(tǒng)仿真等，對飛機駕駛艙各個部位進行了充分的飛行模擬，利用三維視景生成逼真、準確的虛擬環(huán)境，可以多角度的模擬真實飛行中的種種情況。
四、主要技術(shù)指標
1、整體外觀尺寸
外形尺寸：3100*1900*2200 MM（長寬高）
2、總體設(shè)計方案
戰(zhàn)斗機模擬器是一臺包括機械、電氣、數(shù)字處理系統(tǒng)的大型訓練設(shè)備，模擬器由主仿真系統(tǒng)、模擬座艙、操縱負荷系統(tǒng)、六自由度體感仿真平臺、飛行作戰(zhàn)系統(tǒng)、視鏡系統(tǒng)、音響系統(tǒng)七個部分組成。
3、六自由度平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計方案
    六自由度運動平臺采用的是Stewart并聯(lián)結(jié)構(gòu)，由六條電動缸通過虎克鉸鏈或球鉸將上、下兩個平臺連接而成，下平臺固定在基座上，借助六條電動缸的伸縮運動，完成上平臺在三維空間六個自由度（X, Y, Z,α，β，γ）的運動以及這些自由度的復(fù)合運動，從而可以模擬出各種空間運動姿態(tài)。Stewart平臺是六自由度并聯(lián)機構(gòu)的基礎(chǔ)平臺，具有剛度大、負荷自重比高、載荷分布均勻、運動平穩(wěn)的特點,在高精度、大載荷且對工作空間要求相對較小的場合得到了很廣泛的應(yīng)用。該平臺采用的驅(qū)動方式是電機驅(qū)動滾珠絲杠驅(qū)動方式。
（1）上動平臺：為滿足設(shè)備的外觀需求，將上平臺制作成一個長2.0米、寬1.6米的平臺，平臺采用優(yōu)質(zhì)的鋼材焊接而成，中間斜拉加強筋，配合Q235矩形管和防滑板進行制作，上平臺可承載1-2噸重的物體不變形。
（2）下靜平臺：下平臺約長2米、寬約1.6米的平臺，如圖7所示。采用優(yōu)質(zhì)的鋼材焊接而成，中間斜拉加強筋，配合Q235矩形管進行制作。機箱圍板用冷軋板，固定電缸的受力位置采用45#鋼，前后預(yù)留兩個機箱，后機箱用于放置伺服控制系統(tǒng)，前機箱用于放置電腦主機。下平臺的固定方式可根據(jù)用戶的場地情況進行設(shè)計，在需要固定的場合可以選擇預(yù)埋地籠或直接在地上打膨脹螺絲，在需要移動的場合可以選擇配套萬向輪和腳墊。
（3）虎克鉸連：采用虎克鉸鏈將電動缸與上下平臺進行連接，萬向節(jié)鉸鏈傳動效率高，允許兩軸間的角位移大，適用于有大角位移和兩軸之間的連接，一般兩軸的軸間角最大可達35°-45°，噪音小，對潤滑要求不高，傳遞轉(zhuǎn)矩大，而且使用可靠，因此得到廣泛的應(yīng)用。
（4）電動缸：電動缸的技術(shù)參數(shù)如下表所示：

（5）伺服電機及驅(qū)動器：
①伺服電機

②伺服放大器

4、平臺參數(shù)及技術(shù)指標
表1：電氣參數(shù)表

表2：平臺技術(shù)指標表

表3：平臺參數(shù)表

5、平臺結(jié)構(gòu)仿真

（1）俯仰角度為20°，符合設(shè)計要求。
（2）翻滾角度為±18°，符合設(shè)計要求。
（3）偏航角度為±22°，符合設(shè)計要求。
（4）垂直位移為220mm，符合設(shè)計要求。
（5）縱向向位移為±250mm，符合設(shè)計要求。
（6）橫向位移為±210mm，符合設(shè)計要求。
6、系統(tǒng)分為五個部分：
（1）上位機控制軟件：包括飛行模擬器軟件和平臺控制軟件，飛行模擬軟件主要負責模擬飛行駕駛，通過對軟件中飛機的姿態(tài)數(shù)據(jù)進行獲取，經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成平臺控制信號，通過網(wǎng)絡(luò)端口發(fā)送到平臺控制系統(tǒng)，平臺控制軟件主要完成對平臺的手動控制、自動控制、振動測試等功能，并通過網(wǎng)絡(luò)端口獲取平臺的狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，顯示在軟件的UI界面；
（2）網(wǎng)絡(luò)通信接口：通過指定的數(shù)據(jù)格式完成控制信號和狀態(tài)信號的傳輸；
（3）下位機控制系統(tǒng)：完成對上位機數(shù)據(jù)的解算，轉(zhuǎn)換成伺服控制信號，驅(qū)動電機帶動電動缸完成制定的動作；
（4）運動平臺：帶動負載完成指定的姿態(tài)動作；
（5）傳感器模塊：完成平臺狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集，包括姿態(tài)、振動頻率等，并將數(shù)據(jù)反饋回平臺控制系統(tǒng)。
5.4.2平臺的基本功能模塊
（1）HMI（人機界面）控制軟件：它是平臺控制系統(tǒng)的操作平臺，功能主要包括：平臺運動軌跡監(jiān)視、數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定、運行模式設(shè)定以及各缸當前運行狀態(tài)顯示等，用戶可以使用該軟件對平臺進行多自由度的測試、振動測試，還可以完成平臺狀態(tài)的檢測、振動頻譜、故障處理等。
（2）伺服控制系統(tǒng)：利用STM32系列芯片內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)模塊進行外部PHY擴展，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信硬件電路。在μC/OS-Ⅲ操作系統(tǒng)上進行相關(guān)程序開發(fā)，內(nèi)置公司自主研發(fā)的“六自由度平臺洗出算法”，可以根據(jù)不同模擬軟件進行數(shù)據(jù)處理，結(jié)合Stewart反解算法實現(xiàn)對平臺的精準控制。也能完成平臺的自檢、預(yù)位、復(fù)位，以低速自動運行至零位或中位的功能。
（3）伺服驅(qū)動模塊：伺服驅(qū)動模塊主要包含伺服驅(qū)動器與伺服電機，它是控制系統(tǒng)中直接與機械部分相連的模塊，控制系統(tǒng)通過伺服驅(qū)動模塊執(zhí)行相應(yīng)的動作，驅(qū)動機械結(jié)構(gòu)完成規(guī)定空間運動軌跡。
（4）安全檢測模塊：為了規(guī)范平臺的使用以及保障人員安全，平臺增加一個安全檢測模塊，即當使用流程規(guī)范沒有達到安全指標時，平臺不能運行，例如使用人員未佩戴安全帶、平臺電缸超過限位點、平臺未到達啟動點等一系列安全規(guī)范。
（5）緊急制動模塊：當平臺出現(xiàn)緊急故障狀態(tài)時，可以通過緊急制動模塊快速停止平臺的運動，從而達到保護人員和平臺的目的。
（6）故障檢測模塊：當平臺運行時，控制系統(tǒng)通過Modbus RTU協(xié)議與伺服控制器及其他控制部件進行數(shù)據(jù)的對聯(lián)，實時監(jiān)控平臺的運行狀態(tài)，能及時對出現(xiàn)的故障做出響應(yīng)，同時停止平臺的運動，保障人員與平臺的安全。
（7）狀態(tài)檢測模塊：通過在平臺安裝姿態(tài)傳感器和振動傳感器，實時獲取平臺的運行狀態(tài)，獲取的數(shù)據(jù)經(jīng)過控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)洗出，解算出平臺的姿態(tài)與振動數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)通信方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到HMI模塊進行平臺狀態(tài)的顯示與對比。
7、平臺運動功能模式
運動平臺可以完成包括：單自由度運動、任意自由度組合復(fù)合運動、單缸測試、振動測試等多種運行模式：
（1）平臺參數(shù)調(diào)整：
（2）單自由度運動：可以完成任意一個自由度的獨立運動，用戶可以通過控制軟件輸入指定角度，平臺就會運行到指定角度；
（3）復(fù)合運動：可以完成任意六個自由度的組合，用戶可以通過控制軟件輸入指定角度與平移量，平臺就會運行到指定位置；
（4）單缸測試：可以任意控制平臺的電缸進行伸縮運動，用戶可以通過控制軟件輸入指定的伸縮量，電缸會運行到指定的位置；
（5）振動測試：可以讓平臺以指定的頻率進行振動，用戶可以通過控制軟件輸入指定的振動頻率與自由度、運動范圍，平臺會根據(jù)設(shè)置的參數(shù)進行振動測試；
8、模擬座艙設(shè)計
    模擬座艙外罩：座艙罩用玻璃鋼材質(zhì)制造，玻璃鋼材料是屬于一種玻璃纖維的復(fù)合材料,玻璃鋼在行業(yè)中也稱為FRP(玻璃纖維強化塑料)在工業(yè)中我們采用,環(huán)氧樹脂與飽和聚脂等為基體采用與玻璃纖維復(fù)合制作而成的增強型塑料這便是我們現(xiàn)在看到的玻璃鋼,這種玻璃鋼的強化復(fù)合材料在性能上具有很多優(yōu)于塑料的優(yōu)點,例如機械強度高、質(zhì)輕而硬、不導電。
9、視景系統(tǒng)
    視景系統(tǒng)軟件是利用計算機圖像生成技術(shù)，產(chǎn)生逼真的窗外影像，如機場、跑道、田野、河流、道路等地形地貌，云、霧、雨、雪以及白天、黃昏、夜間等天氣氣象，燈光、建筑物等模型，汽車、輪船、飛機等活動目標，為駕駛員、參試者、工程設(shè)計人員和觀察者提供體現(xiàn)飛機性能表現(xiàn)及飛機飛行時的真實世界的窗外景象。
（1）硬件結(jié)構(gòu)：1、視景系統(tǒng)硬件由視景支架、3臺32寸顯示器等組成。
 視景支架由基座、電視架連接板、電視支撐板、電視架支撐板、電視架支撐骨架組成；整體噴漆(亞光黑色)；
視景顯示器采用:  1、32英寸全高清顯示器。 

 （2）場景模擬：采用了大量渲染貼圖材質(zhì)，無論是戰(zhàn)斗機、坦克還是地面建筑都進行了細致認真的三維建模，萬里無云的天空、呼嘯而過的戰(zhàn)機等，在細膩的紋理襯托下，顯得極其真實、生動。使用虛構(gòu)的世界和國家，許多細節(jié)和現(xiàn)實中的戰(zhàn)爭非常相似。一些戰(zhàn)斗機的現(xiàn)實特征在游戲中表現(xiàn)出來，也包括一些虛構(gòu)的飛機，尤其是空中堡壘。
10、軟件仿真系統(tǒng)
（1）戰(zhàn)斗機模擬器仿真系統(tǒng)由飛行性能仿真系統(tǒng)和設(shè)備系統(tǒng)仿真系統(tǒng)兩部分組成。飛行性能仿真包括飛行動力學與飛行運動學計算、動力裝置模擬及特情處置模擬等部分組成，主要模擬戰(zhàn)斗機的飛行性能和操穩(wěn)特性，并且提供每個時刻的飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)；設(shè)備系統(tǒng)仿真包括操縱、電氣、發(fā)動機、燃油、告警、剎車、儀表等機載設(shè)備系統(tǒng)仿真軟件模塊，主要完成機載設(shè)備系統(tǒng)的操作與操作響應(yīng)模擬。
（2）模擬器是人在回路中的仿真系統(tǒng)，由接口軟件實時檢測飛行人員對操縱系統(tǒng)及座艙設(shè)備系統(tǒng)的操縱變化，仿真計算機通過飛行器性能仿真和設(shè)備仿真軟件及軟件模塊，解算出飛行器運動及姿態(tài)等性能數(shù)據(jù)及飛行人員對座艙設(shè)備的操作響應(yīng)數(shù)據(jù)，各分系統(tǒng)仿真軟件及仿真模塊利用上述數(shù)據(jù)解算出此刻的系統(tǒng)響應(yīng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，再經(jīng)過接口轉(zhuǎn)換及驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動，通過顯示器顯示、儀表指示、信號燈指示、視景圖像、動感平臺、音響聲音等，將飛行人員的操作響應(yīng)實時反饋給飛行人員，從而模擬出實裝駕駛的整個過程。
（2）其具體工作過程如下：飛行人員在模擬座艙內(nèi)操縱側(cè)桿、加油及其他座艙設(shè)備，由各類操縱傳感器感知駕駛員的操縱動作并發(fā)出工作信號，接口系統(tǒng)將這些信息輸給仿真計算機，仿真計算機通過飛行性能仿真和設(shè)備仿真等軟件系統(tǒng)對飛行動力學模塊、設(shè)備系統(tǒng)工作模塊、環(huán)境仿真模塊和外部仿真模塊等進行解算，解算結(jié)果經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分系統(tǒng)輸送給各仿真物理效應(yīng)分系統(tǒng)；儀表及航空電子模擬分系統(tǒng)實時指示或顯示各種飛行參數(shù)和系統(tǒng)工作參數(shù)；視景分系統(tǒng)按駕駛員視點關(guān)系及設(shè)定的能見度和氣象條件生成此刻座艙外的各種景象，包括跑道、燈光、建筑物、田野、河流、海浪、地形地貌、活動目標（空中、地面、海面）等；聲音模擬分系統(tǒng)給飛行人員提供音響效果，如發(fā)動機聲響、氣流噪聲、設(shè)備工作聲音等。各仿真物理分系統(tǒng)給飛行人員提供多維感知信息，根據(jù)上述信息飛行人員可以在地面完成各種條件下的模擬飛行訓練。
五、配置參數(shù)表