六自由度平臺跳傘模擬系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn)
時間：2021/5/7 10:20:16 瀏覽：
六自由度平臺跳傘模擬訓練系統(tǒng)是以人傘系統(tǒng)動力學為基礎(chǔ)， 將訓練者懸掛于運動平臺下方，并結(jié)合人機交互技術(shù)，為訓練者提供逼真跳傘環(huán)境的一種模擬訓練裝置。由于其在降低訓練危險系數(shù)、增強訓練環(huán)境適應(yīng)性和降低訓練成本等各方面的優(yōu)勢，逐漸獲得各國青睞。
系統(tǒng)硬件主要由教員控制臺和模擬跳傘區(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、六自由度動感平臺、背帶模塊、操縱模塊、 VR 虛擬眼鏡、送風裝置等組成。
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）六自由度動態(tài)平臺，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感模擬。運動平臺運動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動平臺之上，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上，部分穿設(shè)在受訓者身上，用于一方面將受訓者懸吊在空中，另一方面利用背帶系統(tǒng)上的相應(yīng)拉環(huán)，對受訓者進行不同傘型的操作訓練；
（5）操縱模塊，主要實現(xiàn)對操縱繩、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者的頭部，包括虛擬現(xiàn)實眼鏡和數(shù)據(jù)線，為受訓者提供連續(xù)動態(tài)的大視角三維傘降環(huán)境顯示；
（7）送風裝置，包括下方送風裝置和環(huán)繞送風裝置，所述下方送風裝置安裝在底座上，所述環(huán)繞送風裝置安裝在頂蓋上，所述送風裝置用于模擬傘降過程中的豎直方向風和側(cè)向風；
（8）教員控制臺，內(nèi)含一系列控制軟件，為所述模擬跳傘管理平臺，用于為跳傘模擬單元設(shè)定訓練項目，接收模擬器的各項操縱數(shù)據(jù)，控制跳傘模擬單元模擬整個跳傘過程。
系統(tǒng)功能模塊
跳傘模擬訓練系統(tǒng)功能模塊由跳傘運動解算分系統(tǒng)、六自由度運動平臺分系統(tǒng)、操縱負荷分系統(tǒng)、視景分系統(tǒng)、體感營造分系統(tǒng)、教員控制臺、信號采控分系統(tǒng)以及電源和輔助分系統(tǒng)等部分組成。
跳傘模擬訓練系統(tǒng)功能原理如上圖所示。受訓者通過傘繩和操縱帶懸掛于六自由度動感平臺之下，操縱傘繩拉環(huán)或者操縱帶，為操縱負荷系統(tǒng)提供輸入信號，操控負荷系統(tǒng)采集控制信號輸入跳傘運動解算系統(tǒng)，其在六自由度人-傘系統(tǒng)動力學模型的基礎(chǔ)上進行數(shù)值解算，輸出人-傘系統(tǒng)運動狀態(tài)信息到視景系統(tǒng)、六自由度運動平臺系統(tǒng)和體感
營造系統(tǒng)。視覺顯示模塊接收到人-傘系統(tǒng)運動狀態(tài)信息后，更新視景信息，反饋為受訓者視覺。六自由度運動平臺接收到人-傘系統(tǒng)運動狀態(tài)信息后，產(chǎn)生相應(yīng)的動感模擬，驅(qū)動平臺并帶動受訓者運動，反饋給受訓者觸覺。體感營造系統(tǒng)接收到人-傘系統(tǒng)運動信息后，通過風幕機和音響產(chǎn)生相應(yīng)的風效與音效，反饋給飛行員聽覺及觸覺。進而實現(xiàn)一個人在環(huán)路中的虛擬仿真系統(tǒng)。
模擬器運行過程中，教員控制臺通過內(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)輸出及評估等功能，教員可通過控制臺實時監(jiān)測受訓者運動狀態(tài)，也可通過計算機對訓練過程進行干預(yù)。
訓練按如下步驟進行：
（1）初始狀態(tài)，體感平臺帶動跳傘服降到最低點，跳傘人員通過松緊跳傘服進行穿戴，保證站立時跳傘服為收緊狀態(tài)，同時佩戴好 VR 眼鏡；
（2）軟件啟動，教員控制臺通過訓練軟件設(shè)置好模擬訓練場景，跳傘人員通過開始按鈕啟動跳傘，并做出跳躍動作，在跳傘人員跳起瞬間，體感平臺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 眼鏡查看整個模擬訓練所處的場景，并通過固鎖牽引器來控制降落方向與地點，同時模擬軟件會將姿態(tài)數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)襟w感模擬平臺，體感平臺做出相應(yīng)的動作，讓跳傘人員能感受到側(cè)滑、重力加速以及開傘
時的拉扯感；
（4）降落時，平臺會通過軟件反饋回來的高度信號做出相應(yīng)下降動作，當軟件中著陸時，跳傘人員的腳剛好著地；
（5）訓練管理考評模塊通過模擬訓練軟件自動給出訓練成績。
系統(tǒng)姿態(tài)角與氣流角變化明顯，這是由于受訓者為了到達指定區(qū)域，分別在這兩段時間進行了拉左側(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， 當操縱動作發(fā)生后，人傘系統(tǒng)平衡攻角的方向首先改變，進而改變降落傘氣動力與力矩，隨后系統(tǒng)力與力矩快速達到平衡狀態(tài)，因此系統(tǒng)姿態(tài)角與氣流角呈現(xiàn)短時間內(nèi)快速而少量變化的結(jié)果。訓練結(jié)果表明，本文設(shè)計的六自由度平臺跳傘模擬訓練系統(tǒng)符合實際人傘系統(tǒng)運動過程，通過訓練中可練習傘降操縱方法以應(yīng)對不同情況，極大提高跳傘訓練質(zhì)效。
