專題欄目:ARVRMR虛擬現實

六自由度平臺跳傘模擬訓練系統的設計及實現

六自由度平臺跳傘模擬訓練系統是以人傘系統動力學為基礎, 將訓練者懸掛于運動平臺下方,并結合人機交互技術,為訓練者提供逼真跳傘環境的一種模擬訓練裝置。由于其在降低訓練危險系數、增強訓練環境適應性和降低訓練成本等各方面的優勢,逐漸獲得各國青睞。

系統硬件主要由教員控制臺和模擬跳傘區兩部分組成,整體外觀如下圖所示。其中模擬跳傘區由模擬單元框架、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;

(4)背帶系統,所述背帶模塊部分連接在操縱控制平臺上,部分穿設在受訓者身上,用于一方面將受訓者懸吊在空中,另一方面利用背帶系統上的相應拉環,對受訓者進行不同傘型的操作訓練;

(5)操縱模塊,主要實現對操縱繩、操縱帶控制輸入的數據采集和傳輸,主要包括手持操縱部分、傳感器、電源以及數據采集系統等;

(6)頭盔模塊,所述頭盔模塊佩戴在受訓者的頭部,包括虛擬現實眼鏡和數據線,為受訓者提供連續動態的大視角三維傘降環境顯示;

(7)送風裝置,包括下方送風裝置和環繞送風裝置,所述下方送風裝置安裝在底座上,所述環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向風;

(8)教員控制臺,內含一系列控制軟件,為所述模擬跳傘管理平臺,用于為跳傘模擬單元設定訓練項目,接收模擬器的各項操縱數據,控制跳傘模擬單元模擬整個跳傘過程。

系統功能模塊

跳傘模擬訓練系統功能模塊由跳傘運動解算分系統、六自由度運動平臺分系統、操縱負荷分系統、視景分系統、體感營造分系統、教員控制臺、信號采控分系統以及電源和輔助分系統等部分組成。

跳傘模擬訓練系統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,操縱傘繩拉環或者操縱帶,為操縱負荷系統提供輸入信號,操控負荷系統采集控制信號輸入跳傘運動解算系統,其在六自由度人-傘系統動力學模型的基礎上進行數值解算,輸出人-傘系統運動狀態信息到視景系統、六自由度運動平臺系統和體感

營造系統。視覺顯示模塊接收到人-傘系統運動狀態信息后,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-傘系統運動狀態信息后,產生相應的動感模擬,驅動平臺并帶動受訓者運動,反饋給受訓者觸覺。體感營造系統接收到人-傘系統運動信息后,通過風幕機和音響產生相應的風效與音效,反饋給飛行員聽覺及觸覺。進而實現一個人在環路中的虛擬仿真系統。

模擬器運行過程中,教員控制臺通過內設一系列控制軟件完成任務管理、條件參數設置、數據記錄、仿真再現、數據輸出及評估等功能,教員可通過控制臺實時監測受訓者運動狀態,也可通過計算機對訓練過程進行干預。

訓練按如下步驟進行:

(1)初始狀態,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,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數據實時傳輸到體感模擬平臺,體感平臺做出相應的動作,讓跳傘人員能感受到側滑、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。

系統姿態角與氣流角變化明顯,這是由于受訓者為了到達指定區域,分別在這兩段時間進行了拉左側背帶與左拉環、拉后側背帶與左拉環的降落傘操縱, 當操縱動作發生后,人傘系統平衡攻角的方向首先改變,進而改變降落傘氣動力與力矩,隨后系統力與力矩快速達到平衡狀態,因此系統姿態角與氣流角呈現短時間內快速而少量變化的結果。訓練結果表明,本文設計的六自由度平臺跳傘模擬訓練系統符合實際人傘系統運動過程,通過訓練中可練習傘降操縱方法以應對不同情況,極大提高跳傘訓練質效。

來源:方元明科技

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