六自由度平臺(tái)跳傘模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)
時(shí)間：2021/5/7 10:20:16 瀏覽：
六自由度平臺(tái)跳傘模擬訓(xùn)練系統(tǒng)是以人傘系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)， 將訓(xùn)練者懸掛于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)下方，并結(jié)合人機(jī)交互技術(shù)，為訓(xùn)練者提供逼真跳傘環(huán)境的一種模擬訓(xùn)練裝置。由于其在降低訓(xùn)練危險(xiǎn)系數(shù)、增強(qiáng)訓(xùn)練環(huán)境適應(yīng)性和降低訓(xùn)練成本等各方面的優(yōu)勢(shì)，逐漸獲得各國(guó)青睞。
系統(tǒng)硬件主要由教員控制臺(tái)和模擬跳傘區(qū)兩部分組成，整體外觀如下圖所示。其中模擬跳傘區(qū)由模擬單元框架、六自由度動(dòng)感平臺(tái)、背帶模塊、操縱模塊、 VR 虛擬眼鏡、送風(fēng)裝置等組成。
硬件組成部分
（1）模擬單元框架，包括位于下部的底座、位于上部的頂蓋，以及位于底座和頂蓋之間的兩個(gè)立柱，模擬單元框架構(gòu)成跳傘模擬單元的支撐主體，并安裝有跳傘模擬單元的其它部件；
（2）六自由度動(dòng)態(tài)平臺(tái)，其倒立懸掛于單元框架之上，為跳傘員提供跳傘過程中的動(dòng)感模擬。運(yùn)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)平面上留有系留接口，用于安裝拉力傳感器和傘繩等設(shè)備；
（3）傘繩及操縱帶，通過拉力傳感器安裝于六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)之上，下系背帶系統(tǒng)；
（4）背帶系統(tǒng)，所述背帶模塊部分連接在操縱控制平臺(tái)上，部分穿設(shè)在受訓(xùn)者身上，用于一方面將受訓(xùn)者懸吊在空中，另一方面利用背帶系統(tǒng)上的相應(yīng)拉環(huán)，對(duì)受訓(xùn)者進(jìn)行不同傘型的操作訓(xùn)練；
（5）操縱模塊，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)操縱繩、操縱帶控制輸入的數(shù)據(jù)采集和傳輸，主要包括手持操縱部分、傳感器、電源以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等；
（6）頭盔模塊，所述頭盔模塊佩戴在受訓(xùn)者的頭部，包括虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡和數(shù)據(jù)線，為受訓(xùn)者提供連續(xù)動(dòng)態(tài)的大視角三維傘降環(huán)境顯示；
（7）送風(fēng)裝置，包括下方送風(fēng)裝置和環(huán)繞送風(fēng)裝置，所述下方送風(fēng)裝置安裝在底座上，所述環(huán)繞送風(fēng)裝置安裝在頂蓋上，所述送風(fēng)裝置用于模擬傘降過程中的豎直方向風(fēng)和側(cè)向風(fēng)；
（8）教員控制臺(tái)，內(nèi)含一系列控制軟件，為所述模擬跳傘管理平臺(tái)，用于為跳傘模擬單元設(shè)定訓(xùn)練項(xiàng)目，接收模擬器的各項(xiàng)操縱數(shù)據(jù)，控制跳傘模擬單元模擬整個(gè)跳傘過程。
系統(tǒng)功能模塊
跳傘模擬訓(xùn)練系統(tǒng)功能模塊由跳傘運(yùn)動(dòng)解算分系統(tǒng)、六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)分系統(tǒng)、操縱負(fù)荷分系統(tǒng)、視景分系統(tǒng)、體感營(yíng)造分系統(tǒng)、教員控制臺(tái)、信號(hào)采控分系統(tǒng)以及電源和輔助分系統(tǒng)等部分組成。
跳傘模擬訓(xùn)練系統(tǒng)功能原理如上圖所示。受訓(xùn)者通過傘繩和操縱帶懸掛于六自由度動(dòng)感平臺(tái)之下，操縱傘繩拉環(huán)或者操縱帶，為操縱負(fù)荷系統(tǒng)提供輸入信號(hào)，操控負(fù)荷系統(tǒng)采集控制信號(hào)輸入跳傘運(yùn)動(dòng)解算系統(tǒng)，其在六自由度人-傘系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)值解算，輸出人-傘系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息到視景系統(tǒng)、六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)和體感
營(yíng)造系統(tǒng)。視覺顯示模塊接收到人-傘系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息后，更新視景信息，反饋為受訓(xùn)者視覺。六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)接收到人-傘系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息后，產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)感模擬，驅(qū)動(dòng)平臺(tái)并帶動(dòng)受訓(xùn)者運(yùn)動(dòng)，反饋給受訓(xùn)者觸覺。體感營(yíng)造系統(tǒng)接收到人-傘系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)信息后，通過風(fēng)幕機(jī)和音響產(chǎn)生相應(yīng)的風(fēng)效與音效，反饋給飛行員聽覺及觸覺。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)一個(gè)人在環(huán)路中的虛擬仿真系統(tǒng)。
模擬器運(yùn)行過程中，教員控制臺(tái)通過內(nèi)設(shè)一系列控制軟件完成任務(wù)管理、條件參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)記錄、仿真再現(xiàn)、數(shù)據(jù)輸出及評(píng)估等功能，教員可通過控制臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)受訓(xùn)者運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，也可通過計(jì)算機(jī)對(duì)訓(xùn)練過程進(jìn)行干預(yù)。
訓(xùn)練按如下步驟進(jìn)行：
（1）初始狀態(tài)，體感平臺(tái)帶動(dòng)跳傘服降到最低點(diǎn)，跳傘人員通過松緊跳傘服進(jìn)行穿戴，保證站立時(shí)跳傘服為收緊狀態(tài)，同時(shí)佩戴好 VR 眼鏡；
（2）軟件啟動(dòng)，教員控制臺(tái)通過訓(xùn)練軟件設(shè)置好模擬訓(xùn)練場(chǎng)景，跳傘人員通過開始按鈕啟動(dòng)跳傘，并做出跳躍動(dòng)作，在跳傘人員跳起瞬間，體感平臺(tái)馬上將跳傘人員拉離地面 10cm(腳尖離地距離)；
（3）模擬跳傘，跳傘人員通過 VR 眼鏡查看整個(gè)模擬訓(xùn)練所處的場(chǎng)景，并通過固鎖牽引器來控制降落方向與地點(diǎn)，同時(shí)模擬軟件會(huì)將姿態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)襟w感模擬平臺(tái)，體感平臺(tái)做出相應(yīng)的動(dòng)作，讓跳傘人員能感受到側(cè)滑、重力加速以及開傘
時(shí)的拉扯感；
（4）降落時(shí)，平臺(tái)會(huì)通過軟件反饋回來的高度信號(hào)做出相應(yīng)下降動(dòng)作，當(dāng)軟件中著陸時(shí)，跳傘人員的腳剛好著地；
（5）訓(xùn)練管理考評(píng)模塊通過模擬訓(xùn)練軟件自動(dòng)給出訓(xùn)練成績(jī)。
系統(tǒng)姿態(tài)角與氣流角變化明顯，這是由于受訓(xùn)者為了到達(dá)指定區(qū)域，分別在這兩段時(shí)間進(jìn)行了拉左側(cè)背帶與左拉環(huán)、拉后側(cè)背帶與左拉環(huán)的降落傘操縱， 當(dāng)操縱動(dòng)作發(fā)生后，人傘系統(tǒng)平衡攻角的方向首先改變，進(jìn)而改變降落傘氣動(dòng)力與力矩，隨后系統(tǒng)力與力矩快速達(dá)到平衡狀態(tài)，因此系統(tǒng)姿態(tài)角與氣流角呈現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)快速而少量變化的結(jié)果。訓(xùn)練結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的六自由度平臺(tái)跳傘模擬訓(xùn)練系統(tǒng)符合實(shí)際人傘系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過程，通過訓(xùn)練中可練習(xí)傘降操縱方法以應(yīng)對(duì)不同情況，極大提高跳傘訓(xùn)練質(zhì)效。
