一种飞行准备演练仪
阅读说明：本技术 一种飞行准备演练仪 (Flight preparation drilling instrument ) 是由 潜继成 杜晓凯 刘国华 张文良 郭霞 郝虎昌 于 2021-06-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种飞行准备演练仪,演练仪包括平板电脑、电脑支架以及控制手柄；平板电脑固定设于电脑支架上；控制手柄与平板电脑电性连接；演练仪包括设置与控制模块、仿真子模块、视景子模块、仪表子模块以及辅助子模块；设置与控制模块包括系统控制模块、训练设置模块以及训练评估模块；仿真子模块包括控制接口模块、实体模型计算模块、记录与回放模块；视景子模块包括多通道视景模块以及单通道视景模块；仪表子模块包括虚拟仪表模块以及仪表参数实时更新模块；辅助子模块包括数据库模块、文件记录模块以及音响模块。本发明能够动态、实时的显示飞行过程中的各种参数和场景,提供一种信息化、数字化、可视化的地面演练平台。(The invention discloses a flight preparation drilling instrument, which comprises a tablet personal computer, a computer bracket and a control handle, wherein the tablet personal computer is connected with the computer bracket through a cable; the tablet personal computer is fixedly arranged on the computer bracket; the control handle is electrically connected with the tablet computer; the drilling instrument comprises a setting and control module, a simulation sub-module, a view sub-module, an instrument sub-module and an auxiliary sub-module; the setting and control module comprises a system control module, a training setting module and a training evaluation module; the simulation submodule comprises a control interface module, an entity model calculation module and a recording and playback module; the view sub-module comprises a multi-channel view module and a single-channel view module; the instrument sub-module comprises a virtual instrument module and an instrument parameter real-time updating module; the auxiliary sub-module comprises a database module, a file recording module and a sound module. The invention can dynamically and real-timely display various parameters and scenes in the flight process, and provides an informationized, digitalized and visualized ground drilling platform.)
技术领域
本发明涉及仿真模拟训练技术领域，具体是指一种飞行准备演练仪。
背景技术
快节奏的实装飞行训练对飞行实施程序熟练程度和技术、动作的准确性提出更高要求。传统飞行准备过程中地面演练主要使用简易仪表板进行简单的地面程序演练，不能动态、实时显示飞行过程中的各种参数和场景。目前飞行院校、部队在飞行准备过程中，飞行课目演练缺少信息化、数字化和可视化的地面演练平台，不同程度上制约了飞行地面准备质量。
传统的师傅带徒弟、一对一、手把手飞行教学模式和个体差异，决定了飞行教学过程中对同一个课目的程序、飞行动作、飞行数据的理解、操纵存在差异，带来飞行教学中飞行程序不完全统一、动作不规范等问题。“飞行准备演练仪”运用模拟仿真技术动态计算生成飞机飞行过程中的各种参数，通过虚拟仪表、三维场景、语音提示实现飞行过程的实时仿真，在平板电脑上运行演练系统，为飞行教学统一飞行程序、飞行数据、动作要领提供标准化、可视化、数字化、信息化的演练平台。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服上述技术的缺陷，提供：
一种飞行准备演练仪，所述演练仪包括平板电脑、电脑支架以及控制手柄；所述平板电脑固定设于所述所述电脑支架上；所述控制手柄与平板电脑电性连接；
所述演练仪包括设置与控制模块、仿真子模块、视景子模块、仪表子模块以及辅助子模块；
所述设置与控制模块包括系统控制模块、训练设置模块以及训练评估模块；
所述仿真子模块包括控制接口模块、实体模型计算模块、记录与回放模块；
所述视景子模块包括多通道视景模块以及单通道视景模块；
所述仪表子模块包括虚拟仪表模块以及仪表参数实时更新模块；
所述辅助子模块包括数据库模块、文件记录模块以及音响模块。
作为改进，所述数据库模块包括虚拟仪表数据库、地景和三维模型数据库以及航线数据库；所述虚拟仪表数据库内存储的数据主要是虚拟仪表生成的专用格式数据，可编译成C++的源程序，直接编译集成到系统中；所述地景和三维模型数据库内存储的数据为利用建模工具生成标准格式数据，所述标准格式数据为OpenFlight格式，供显示驱动；所述航线数据库是自开发数据管理工具生成的自定义数据。
作为改进，设有数据录入层，所述数据录入层包括虚拟仪表、地景和三维模型录入、标准航线数据录入；所述虚拟仪表采用GL Studio和自开发工具实现飞机虚拟仪表，满足仪表显示和驱动；所述地景和三维模型录入采用MultiGen Creator对场景和飞机实体进行建模；所述标准航线数据录入采用自主开发的数据管理工具录入各种航线基础数据。
作为改进，设有系统驱动引擎，所述系统驱动引擎包括虚拟仪表驱动引擎、视景驱动引擎、特情引擎、考核引擎以及演练引擎；所述虚拟仪表驱动引擎利用GL Studio平台；所述视景驱动引擎采用Vega Prime平台；将虚拟仪表集成到Vega Prime中采用Vega PrimeGL Studio PlugIn Module插件，实现虚拟仪表和视景的无缝结合；所述演练引擎完成航线数据的加载、解释和展现，包括航线数据管理、数据计算、视景变化。
作为改进，设有应用层，用于完成系统集成，完成人机交互、数据管理以及模拟训练的界面操作。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明提供一种飞行准备演练仪，能够动态、实时的显示飞行过程中的各种参数和场景，提供一种信息化、数字化、可视化的地面演练平台，提高飞行地面准备质量。
附图说明
图1是本发明一种飞行准备演练仪的结构示意图。
图2是本发明一种飞行准备演练仪的系统结构图。
图3是本发明一种飞行准备演练仪中参数可视化输入界面。
图4是本发明一种飞行准备演练仪中飞机位置计算示意图。
图5是本发明一种飞行准备演练仪中航向插值示意图。
图6是本发明一种飞行准备演练仪中航线数据编辑示意图。
图7是本发明一种飞行准备演练仪中第一视角示意图。
图8是本发明一种飞行准备演练仪中第三视角示意图。
图9是本发明一种飞行准备演练仪的模块框图。
具体实施方式
下面结合附图对一种飞行准备演练仪做进一步的详细说明。
结合附图，图1～9，一种飞行准备演练仪，演练仪包括平板电脑、电脑支架以及控制手柄；平板电脑固定设于电脑支架上；控制手柄与平板电脑电性连接；
演练仪包括设置与控制模块、仿真子模块、视景子模块、仪表子模块以及辅助子模块；
设置与控制模块包括系统控制模块、训练设置模块以及训练评估模块；
仿真子模块包括控制接口模块、实体模型计算模块、记录与回放模块；
视景子模块包括多通道视景模块以及单通道视景模块；
仪表子模块包括虚拟仪表模块以及仪表参数实时更新模块；
辅助子模块包括数据库模块、文件记录模块以及音响模块。
本实施例中,数据库模块包括虚拟仪表数据库、地景和三维模型数据库以及航线数据库；虚拟仪表数据库内存储的数据主要是虚拟仪表生成的专用格式数据，可编译成C++的源程序，直接编译集成到系统中；地景和三维模型数据库内存储的数据为利用建模工具生成标准格式数据，标准格式数据为OpenFlight格式，供显示驱动；航线数据库是自开发数据管理工具生成的自定义数据。
本实施例中,设有数据录入层，数据录入层包括虚拟仪表、地景和三维模型录入、标准航线数据录入；虚拟仪表采用GL Studio和自开发工具实现飞机虚拟仪表，满足仪表显示和驱动；地景和三维模型录入采用MultiGen Creator对场景和飞机实体进行建模；标准航线数据录入采用自主开发的数据管理工具录入各种航线基础数据。
本实施例中,设有系统驱动引擎，系统驱动引擎包括虚拟仪表驱动引擎、视景驱动引擎、特情引擎、考核引擎以及演练引擎；虚拟仪表驱动引擎利用GL Studio平台；视景驱动引擎采用Vega Prime平台；将虚拟仪表集成到Vega Prime中采用Vega Prime GL StudioPlugIn Module插件，实现虚拟仪表和视景的无缝结合；演练引擎完成航线数据的加载、解释和展现，包括航线数据管理、数据计算、视景变化。
本实施例中,设有应用层，用于完成系统集成，完成人机交互、数据管理以及模拟训练的界面操作。
飞行航线建模与仿真
(1)飞行动作描述与参数变化规则
a.飞行动作描述
飞行动作是指用一种连续的、使用相对独立的飞行技能实现的一段连续飞行过程，如垂直起飞。飞行动作可以用飞机状态(主要包括空速、升降速度、功率、侧滑、发动机功率等)、姿态(航向、俯仰、坡度)参数描述，某种飞行动作描述就是描述飞行动作外观和内部状态参数的变化。空速(AirVelocity)、升降速度(Vy)、发动机功率(N)、姿态(H、P、R)等参数是按时间序列变化的函数，这个函数可以是常量，也可以是均速、均加速等更加复杂的变化规律，飞行动作可用空速、升降速度、发动机功率、姿态的6元方程组独立地描述这些参数随时间的变化规律，从而实现参数仿真计算结果与实际数据效果相一致。
b.参数变化规则
状态和姿态参数变化是按飞行规则确定的。根据飞行过程中的参数变化规律，主要使用常量规则和递增递减规则两种。
(a)常量规则
常量规则描述是参数这样一种变化情况：在一段时间内，某参数保持不变，如平飞，空速不变；另外一种情况是：在某个阶段，参数变化很快，在很短时间(瞬间)内达到指定值，不需要描述其变化过程，可认为参数在指定时间段内为常量，如转弯角速度，可认为在整个转弯过程中没有递增和递减过程，实际情况是：在开始转弯时，转弯角速度是逐渐增加到指定角速度值，在转弯完毕之前，转弯角速度逐渐减少到零，由于增加、减少时间很短，飞行员对这种变化是感知不到的，所以不需要仿真这个递增、递减过程，直接使用常量值即可。
(b)递增递减规则
参数在指定时间内，数值由一个值均匀变化(递增或递减)到另一个值，如增速、消速过程中的空速变化，形成坡度、坡度归零的坡度变化等，需要描述参数的变化过程。
以起落航线“一边增速上升”为例，说明飞机飞行动作参数变化的分析方法如下表所示。
表1飞行动作描述与参数变化示例
飞行动作分析之后，参数通过可视化界面输入到系统中，如图3。
(2)航线描述
所谓航线是指飞机按一定飞行规则在空中飞行的三维轨迹，飞行规则是根据航空器飞行特性和航空管制、机场或其它规定而制定的规则，飞行航线不仅仅是一条简单的轨迹，而是满足一定约束条件的三维曲线，在飞行航线上某时刻，飞机的状态和姿态是确定的，航线描述就是要描述飞机的状态和姿态。飞机的状态和姿态在整个航线上是变化的，整个飞行航线中按飞机的状态和姿态进行分段描述，每段飞机的状态和姿态按一定规律变化，这个飞行航线上的分段可定义为飞行动作，整个飞行航线可用多个飞行动作连续飞行来描述。
a.飞机位置计算
飞机在飞行过程中，位置和高度随时间在不断变化。水平位置的变化与航向和空速(水平方向的速度)有关，如图4所示，高度与爬升率有关。
根据这些参数实时计算飞机各种参数和位置(X、Y、H)，实现飞行动作的仿真。在时间Δt内，飞机飞行距离ΔSi＝Δt×Vi(ti)，根据当前航向，投影到X、Y轴上距离分别为：Δxi＝Vi(ti)×Δt×sin(θH(ti))、Δyi＝Vi(ti)×Δt×cos(θH(ti))。这些参数是随时间变化，通过对速度进行积分，就可以得到位置坐标。采用同样的方法，可得到高度。
b.参数计算方法
飞机状态与姿态参数计算方法如下表所示。
表2参数计算方法
c.航线描述
航线可以用一系列飞行动作连续飞行组成，如：起落航线由垂直起飞、悬停、一边速上升、一转弯直至最后降落等一系列飞行动作连续飞行构成。
(3)数据离散化与飞行
按上述方法，由一系列飞行动作可组成飞行航线。这种描述方法是按时间序列描述参数的变化过程，实际上还不能直接组成飞行航线，需要按一定的时间步长，将飞行动作按时间，计算飞机的状态和飞行参数，即进行离散化处理。
a.数据离散化
数据离散化是指飞行动作序列按一定的时间步长，根据模型计算每个时间点的状态和姿态参数，形成飞行参数的一系列离散数据，形成如下表所示离散数据，表中数据为起落航线从一边增速到二转弯部分离散数据。
表3部分离散数据
b.航线飞行平滑处理
航线离散数据是按一定的时间间隔(如0.05秒)进行数据离散化处理，在飞行时，为了使飞行平滑，需要对数据进行平滑处理。
(a)参数平滑
参数平滑方法是对关于时间序列的各种参数x(1)，x(2)，……，x(ti)，……，x(m)按时间t使用平滑算法进行插值，插值算法可采用拉格朗日(Lagrange)、多项式、样条插值等算法。
(b)航向平滑
按上述插值方法对航向进行插值处理时，在三维场景中会出现飞机快速“打转”现象，经分析，产生这种“打转”现象的原因是由于插值的两个角度α1、α2跨过了0°(360°)，在时刻t1从航向α1变化到时刻t2航向α2的过程中，可分别从顺时针方向和逆时针方向进行变化，一般情况下，在较短时间内(如1秒)，飞机不可能从航向α1逆时针方向机动到航向α2，而是从航向α1顺时针方向机动到航向α2。
这种循环数据称之具有环绕(Wrapped)属性，如果采用普通的插值算法，会出异常情况。这种周期性数据，如图5所示，航向α∈[0°,360°)的插值如果采用普通的插值方法进行插值时，α的值会在绿色虚线范围内(α1、α2逆时针方向的范围)，而实际α的插值应在黑色实线范围内(α1、α2顺时针方向的范围)，这种航向插值方法称为邻近插值算法，根据两个航向之间的差值范围，采用最小的间隔(可能是顺时针，也可能是逆时针)，利用线性变化的方法进行插值，公式为(第一种情况是两个航向值没有跨过0°的普通情况；第二种情况与图5对应；第三种情况与图4中α1、α2位置相反的情况)：
实施例一
飞行准备演练仪标准航线数据管理主要通过动态增加可编辑的飞行动作所有参数(名称、航向、俯仰、滚转、侧滑、空速、升降速度、发动机功率)，每个参数可添加变化规则及其数值，编辑结果实时三维可视化。
实施例二
通过加载标准航线数据进行演练，可通过第一视角(飞行员视角)观察舱外场景，模拟飞行员空中飞行场景，通过飞行仪表查看飞机状态，如图6所示。
实施例三
通过加载标准航线数据进行演练，可通过第三视角观察整个场景，通过飞参数据表、仪表、三维可视化航线(如不同颜色的航线垂面等)、三维模型进行全面查看，如图7所示。
以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
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