摘要：针对当前的跳伞模拟平台无法全方位还原跳伞各阶段六自由度运动过程的问题，设计并实现了六自由度跳伞模拟训练系统。设计了模拟器的体系结构，并说明了跳伞运动解算、六自由度运动平台、操纵负荷、虚拟现实视景、体感营造、教员控制台等分系统的实现。与同类型跳伞模拟器相比，该系统通过引入六自由度电动平台，带动受训者模拟跳伞各种姿态，可帮助受训人员掌握跳伞操纵动作，增强姿态保持能力。同时，利用虚拟现实技术，还原三维跳伞场景，训练临场感强、效果逼真，对提高跳伞训练质效、促进部队战斗力建设具有重要意义。

　　关键词：跳伞模拟器;六自由度;虚拟现实;模拟训练

　　0 引言

　　当前我军军事训练进入大发展大跨越阶段，实战化标准不断提高，跳伞作为飞行员与伞兵基本训练科目，具有训练强度大、训练难度高的特点，而现有训练手段主要以高台试跳与实地伞降为主，不仅组织保障困难，且存在极大的危险性，急需扩展训练手段，提升训练效益。 跳伞模拟训练系统是以人伞系统动力学为基础，将训练者悬挂于运动平台下方，并结合人机交互技术，为训练者提供逼真跳伞环境的一种模拟训练装置。由于其在降低训练危险系数、增强训练环境适应性和降低训练成本等各方面的优势，逐渐获得各国青睐。欧美国家在跳伞模拟器研制方面起步较早，基于虚拟现实技术的跳伞模拟机已在军事训练中得到普及，例如英国国防部购置的VRPT2 跳伞模拟训练系统及美国空军引入的ParaSim5 跳伞模拟训练系统。而随着近两年 VR 虚拟仿真技术的发展，国内也开展了有益的尝试，包括空降兵学院、上海埃飞电子、北京华如科技等军内外单位纷纷推出各类型号的跳伞模拟训练系统，并相继部署部队，取得了不错的训练效果。然而，分析国内外技术方案，现有跳伞模拟训练系统普遍采用气缸驱动平台，通过气缸的上下运动控制训练者的姿态，进而模拟跳伞过程。一方面，由于气缸体积庞大，运动迟缓，其所模拟的伞降运动往往与运动结算结果不匹配。另一方面，现有平台只能实现前后、上下与左右三个方向运动的控制，无法全方位还原跳伞各阶段六自由度的实际运动过程，跳伞姿态控制训练严重缺失。因此，如何改进跳伞模拟器载人运动平台，并解决新平台的控制问题，通过实时采集受训者对降落伞的操纵，动感地模拟训练中人员全自由度运动过程，已成为现有跳伞模拟训练系统亟需解决的技术问题。

　　1 跳伞模拟器系统构建

　　某型跳伞模拟器主要以满足飞行员跳伞训练为需求，因此跳伞模拟训练系统需尽可能贴近训练实际，并针对飞行员跳伞训练的要求，能够进行不同课目、不同伞型的伞降模拟训练;可以满足受训人员舱内准备、离机、降落伞操纵、特情处置、着陆全过程的模拟训练;可以按训练要求生成训练方案，能对训练情况进行记录、重演和评估训练成绩。具体功能包括：训练方案选择、训练过程监视、录取和回放、舱内准备模拟、伞具操控模拟、训练效果评估、三维头盔场景仿真、机舱半实物仿真、各种气象条件对伞具操控的影响模拟等。具体如下：

　　(1)特定伞型。根据某跳伞训练特定伞型建立降落伞模型，伞型模块预留扩展接口，可为后续添加新伞型提供支持。

　　(2)提供与降落伞相一致的操纵感受和位移变化。为跳伞人员提供实物的操纵背带系统，实现“人-伞”结合，跳伞员通过操纵棒控制降落伞，改变降落伞气动力，控制运动过程，同时训练者也将有操纵力感。在跳伞模拟训练过程中，伞降动力学系统根据码盘所检测的伞兵对操纵棒的控制状态(操纵棒的位移量、位移速度)，计算操纵棒的操纵力，再由加载驱动程序控制力矩电机产生与操纵力相符合的操纵棒负荷力，使训练者感受到对操纵棒的操纵手感。

　　(3)提供与操纵相一致或同步的视觉变化图像。跳伞员通过头盔显示器观察伞降过程中视景的相对运动。由运动跟踪接收器得到头盔传感器相对于基准位置发射器的位置、姿态，双目同步控制系统根据降落伞动力学系统计算的空降兵位置，确定立体图像视点，根据头盔的位置、姿态，确定对立体图像的视角，并控制双目图像同步。

　　(4)模拟跳伞的视景环境，通过创设多种地形，实时输入气象数据、姿态参数，通过改变条件让跳伞员感受与特殊情况处置相一致的变化，掌握不同特殊情况的处理。

　　(5)对操纵方式及对错进行实时评估，并给出正确的操纵方法。

　　(6)对跳伞员的操纵过程按步骤和情况进行最终评估，具有对练习全过程进行回放评估及动作考核功能，判断操纵是否正确及带来的影响。

　　(7)多视角的视图效果。除训练者视角外，用跳伞伴随视角(空中)和指挥员视角(地面)两个视角展示跳伞整个过程。

　　(8)系统设计具有可扩展性，能对平台进行二次开发，并预留接口以期将来实现模拟编队跳伞训练。

　　2 跳伞模拟训练系统构建

　　系统硬件主要由教员控制台和模拟跳伞区两部分组成，整体外观如图 1 所示。其中模拟跳伞区由模拟单元框架、六自由度动感平台、背带模块、操纵模块、VR 虚拟眼镜、送风装置等组成。

　　图1.整体外观

　　(1)模拟单元框架，包括位于下部的底座、位于上部的顶盖，以及位于底座和顶盖之间的两个立柱，模拟单元框架构成跳伞模拟单元的支撑主体，并安装有跳伞模拟单元的其它部件;

　　(2)六自由度动态平台，其倒立悬挂于单元框架之上，为跳伞员提供跳伞过程中的动感模拟。运动平台运动平面上留有系留接口，用于安装拉力传感器和伞绳等设备;

　　(3)伞绳及操纵带，通过拉力传感器安装于六自由度运动平台之上，下系背带系统;

　　(4)背带系统，所述背带模块部分连接在操纵控制平台上，部分穿设在受训者身上，用于一方面将受训者悬吊在空中，另一方面利用背带系统上的相应拉环，对受训者进行不同伞型的操作训练;

　　(5)操纵模块，主要实现对操纵绳、操纵带控制输入的数据采集和传输，主要包括手持操纵部分、传感器、电源以及数据采集系统等;

　　(6)头盔模块，所述头盔模块佩戴在受训者的头部，包括虚拟现实眼镜和数据线，为受训者提供连续动态的大视角三维伞降环境显示;

　　(7)送风装置，包括下方送风装置和环绕送风装置，所述下方送风装置安装在底座上，所述环绕送风装置安装在顶盖上，所述送风装置用于模拟伞降过程中的竖直方向风和侧向风;

　　(8)教员控制台，内含一系列控制软件，为所述模拟跳伞管理平台，用于为跳伞模拟单元设定训练项目，接收模拟器的各项操纵数据，控制跳伞模拟单元模拟整个跳伞过程。

　　3 系统功能模块

　　跳伞模拟训练系统功能模块由跳伞运动解算分系统、六自由度运动平台分系统、操纵负荷分系统、视景分系统、体感营造分系统、教员控制台、信号采控分系统以及电源和辅助分系统等部分组成。

　　图2 系统功能框图

　　跳伞模拟训练系统功能原理如图 2 所示。受训者通过伞绳和操纵带悬挂于六自由度动感平台之下，操纵伞绳拉环或者操纵带，为操纵负荷系统提供输入信号，操控负荷系统采集控制信号输入跳伞运动解算系统，其在六自由度人-伞系统动力学模型的基础上进行数值解算，输出人-伞系统运动状态信息到视景系统、六自由度运动平台系统和体感营造系统。视觉显示模块接收到人-伞系统运动状态信息后，更新视景信息，反馈为受训者视觉。六自由度运动平台接收到人-伞系统运动状态信息后，产生相应的动感模拟，驱动平台并带动受训者运动，反馈给受训者触觉。体感营造系统接收到人-伞系统运动信息后，通过风幕机和音响产生相应的风效与音效，反馈给飞行员听觉及触觉。进而实现一个人在环路中的虚拟仿真系统。 模拟器运行过程中，教员控制台通过内设一系列控制软件完成任务管理、条件参数设置、数据记录、仿真再现、数据输出及评估等功能，教员可通过控制台实时监测受训者运动状态，也可通过计算机对训练过程进行干预。

　　4 跳伞模拟器训练分析

　　训练按如下步骤进行：

　　(1)初始状态，体感平台带动跳伞服降到最低点，跳伞人员通过松紧跳伞服进行穿戴，保证站立时跳伞服为收紧状态，同时佩戴好 VR 眼镜;

　　(2)软件启动，教员控制台通过训练软件设置好模拟训练场景，跳伞人员通过开始按钮启动跳伞，并做出跳跃动作，在跳伞人员跳起瞬间，体感平台马上将跳伞人员拉离地面 10cm(脚尖离地距离);

　　(3)模拟跳伞，跳伞人员通过 VR 眼镜查看整个模拟训练所处的场景，并通过固锁牵引器来控制降落方向与地点，同时模拟软件会将姿态数据实时传输到体感模拟平台，体感平台做出相应的动作，让跳伞人员能感受到侧滑、重力加速以及开伞时的拉扯感;

　　(4)降落时，平台会通过软件反馈回来的高度信号做出相应下降动作，当软件中着陆时，跳伞人员的脚刚好着地;

　　(5)训练管理考评模块通过模拟训练软件自动给出训练成绩。实际训练场景如图 7 所示：

　　5 结论

　　本文从整体系统构建、分系统实现、训练流程设计等方面，描述了某型六自由度模拟跳伞训练系统的设计需求、软硬件配置与功能特点，该系统通过引入六自由度电动平台，实现了跳伞过程全姿态模拟，并通过体感模拟、操纵反馈、姿态控制、虚拟视景使受训人员完全沉浸在模拟的训练环境中，可帮助受训人员掌握跳伞中的基本动作，增强姿态保持能力，大大弥补了传统跳伞训练手段的不足，提高了跳伞训练质量

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