一、概述
      目前，國際航空業對新飛行員的培訓和老飛行的復訓主要是在飛行模擬器上面進行的，飛行模擬器實際上是根據真實飛機駕駛艙1：1規格進行設計的，具有模擬真實飛機的操縱感官系統，模擬機訓練可以模擬飛行過程中的各種故障，并針對某個問題進行多次的飛行和操作，從而提高飛行員在實際飛行的快速反應能力和安全操作能力，因此用飛行模擬器對飛行員進行飛行訓練是飛行培訓中心普遍采用的一種方法，即安全又能降低成本。六自由度戰斗機模擬器根據真實飛機駕駛座艙1：1規格進行設計，真實還原飛機駕駛的操縱系統，配合六自由度體感仿真平臺以及飛行視鏡系統，對飛機的空中飛行狀態進行復現。

圖2殲20戰斗機模擬器效果圖

二、研制依據
2.1研制依據
依據某某招標文件或某某技術要求。
2.2參考文件
GJB 1849-1993 《飛行模擬器術語》；
GJB 2099A-2009 《飛行模擬器分級》；
CCAR-60    《飛行模擬設備的鑒定和使用規則》；
GJB 2021-94    《飛行模擬器六自由度運動系統》；
GB/T 9385-2008 《計算機軟件需求規格說明規范》；
GB/T 9386-2008 《計算機軟件測試文檔編制規范》；
GJB 3872-1999  《裝備綜合保障通用要求》；
GJB 145A-1993  《防護包裝規范》；
三、系統組成、主要功能
3.1系統組成
戰斗機模擬器的組成部分主要分為兩個部分：
（1）硬件部分包括：模擬座艙、運動系統、視景系統、計算機系統。計算機系統作為整個模擬器的核心，擔當著核心運算的功能，將各個模塊結合起來，才形成了飛行模擬器。
（2）軟件部分包括儀表系統、音響系統、飛行動力學模型、氣動模型、發動機模型、視景系統、飛行導航控制系統以及綜合自然環境的模擬。
3.2 系統主要功能
戰斗機模擬器的整個系統仿真，涵蓋了空氣動力學、大氣模型、機械系統、戰斗系統仿真等，對飛機駕駛艙各個部位進行了充分的飛行模擬，利用三維視景生成逼真、準確的虛擬環境，可以多角度的模擬真實飛行中的種種情況。
四、主要技術指標
1、整體外觀尺寸
外形尺寸：3100*1900*2200 MM（長寬高）
2、總體設計方案
戰斗機模擬器是一臺包括機械、電氣、數字處理系統的大型訓練設備，模擬器由主仿真系統、模擬座艙、操縱負荷系統、六自由度體感仿真平臺、飛行作戰系統、視鏡系統、音響系統七個部分組成。
3、六自由度平臺結構設計方案
    六自由度運動平臺采用的是Stewart并聯結構，由六條電動缸通過虎克鉸鏈或球鉸將上、下兩個平臺連接而成，下平臺固定在基座上，借助六條電動缸的伸縮運動，完成上平臺在三維空間六個自由度（X, Y, Z,α，β，γ）的運動以及這些自由度的復合運動，從而可以模擬出各種空間運動姿態。Stewart平臺是六自由度并聯機構的基礎平臺，具有剛度大、負荷自重比高、載荷分布均勻、運動平穩的特點,在高精度、大載荷且對工作空間要求相對較小的場合得到了很廣泛的應用。該平臺采用的驅動方式是電機驅動滾珠絲杠驅動方式。
（1）上動平臺：為滿足設備的外觀需求，將上平臺制作成一個長2.0米、寬1.6米的平臺，平臺采用優質的鋼材焊接而成，中間斜拉加強筋，配合Q235矩形管和防滑板進行制作，上平臺可承載1-2噸重的物體不變形。
（2）下靜平臺：下平臺約長2米、寬約1.6米的平臺，如圖7所示。采用優質的鋼材焊接而成，中間斜拉加強筋，配合Q235矩形管進行制作。機箱圍板用冷軋板，固定電缸的受力位置采用45#鋼，前后預留兩個機箱，后機箱用于放置伺服控制系統，前機箱用于放置電腦主機。下平臺的固定方式可根據用戶的場地情況進行設計，在需要固定的場合可以選擇預埋地籠或直接在地上打膨脹螺絲，在需要移動的場合可以選擇配套萬向輪和腳墊。
（3）虎克鉸連：采用虎克鉸鏈將電動缸與上下平臺進行連接，萬向節鉸鏈傳動效率高，允許兩軸間的角位移大，適用于有大角位移和兩軸之間的連接，一般兩軸的軸間角最大可達35°-45°，噪音小，對潤滑要求不高，傳遞轉矩大，而且使用可靠，因此得到廣泛的應用。
（4）電動缸：電動缸的技術參數如下表所示：

（5）伺服電機及驅動器：
①伺服電機

②伺服放大器

4、平臺參數及技術指標
表1：電氣參數表

表2：平臺技術指標表

表3：平臺參數表

5、平臺結構仿真

（1）俯仰角度為20°，符合設計要求。
（2）翻滾角度為±18°，符合設計要求。
（3）偏航角度為±22°，符合設計要求。
（4）垂直位移為220mm，符合設計要求。
（5）縱向向位移為±250mm，符合設計要求。
（6）橫向位移為±210mm，符合設計要求。
6、系統分為五個部分：
（1）上位機控制軟件：包括飛行模擬器軟件和平臺控制軟件，飛行模擬軟件主要負責模擬飛行駕駛，通過對軟件中飛機的姿態數據進行獲取，經過數據轉換成平臺控制信號，通過網絡端口發送到平臺控制系統，平臺控制軟件主要完成對平臺的手動控制、自動控制、振動測試等功能，并通過網絡端口獲取平臺的狀態數據，通過數據轉換，顯示在軟件的UI界面；
（2）網絡通信接口：通過指定的數據格式完成控制信號和狀態信號的傳輸；
（3）下位機控制系統：完成對上位機數據的解算，轉換成伺服控制信號，驅動電機帶動電動缸完成制定的動作；
（4）運動平臺：帶動負載完成指定的姿態動作；
（5）傳感器模塊：完成平臺狀態的數據采集，包括姿態、振動頻率等，并將數據反饋回平臺控制系統。
5.4.2平臺的基本功能模塊
（1）HMI（人機界面）控制軟件：它是平臺控制系統的操作平臺，功能主要包括：平臺運動軌跡監視、數據管理、系統參數設定、運行模式設定以及各缸當前運行狀態顯示等，用戶可以使用該軟件對平臺進行多自由度的測試、振動測試，還可以完成平臺狀態的檢測、振動頻譜、故障處理等。
（2）伺服控制系統：利用STM32系列芯片內部網絡模塊進行外部PHY擴展，實現網絡通信硬件電路。在μC/OS-Ⅲ操作系統上進行相關程序開發，內置公司自主研發的“六自由度平臺洗出算法”，可以根據不同模擬軟件進行數據處理，結合Stewart反解算法實現對平臺的精準控制。也能完成平臺的自檢、預位、復位，以低速自動運行至零位或中位的功能。
（3）伺服驅動模塊：伺服驅動模塊主要包含伺服驅動器與伺服電機，它是控制系統中直接與機械部分相連的模塊，控制系統通過伺服驅動模塊執行相應的動作，驅動機械結構完成規定空間運動軌跡。
（4）安全檢測模塊：為了規范平臺的使用以及保障人員安全，平臺增加一個安全檢測模塊，即當使用流程規范沒有達到安全指標時，平臺不能運行，例如使用人員未佩戴安全帶、平臺電缸超過限位點、平臺未到達啟動點等一系列安全規范。
（5）緊急制動模塊：當平臺出現緊急故障狀態時，可以通過緊急制動模塊快速停止平臺的運動，從而達到保護人員和平臺的目的。
（6）故障檢測模塊：當平臺運行時，控制系統通過Modbus RTU協議與伺服控制器及其他控制部件進行數據的對聯，實時監控平臺的運行狀態，能及時對出現的故障做出響應，同時停止平臺的運動，保障人員與平臺的安全。
（7）狀態檢測模塊：通過在平臺安裝姿態傳感器和振動傳感器，實時獲取平臺的運行狀態，獲取的數據經過控制系統的數據洗出，解算出平臺的姿態與振動數據，通過網絡通信方式將數據發送到HMI模塊進行平臺狀態的顯示與對比。
7、平臺運動功能模式
運動平臺可以完成包括：單自由度運動、任意自由度組合復合運動、單缸測試、振動測試等多種運行模式：
（1）平臺參數調整：
（2）單自由度運動：可以完成任意一個自由度的獨立運動，用戶可以通過控制軟件輸入指定角度，平臺就會運行到指定角度；
（3）復合運動：可以完成任意六個自由度的組合，用戶可以通過控制軟件輸入指定角度與平移量，平臺就會運行到指定位置；
（4）單缸測試：可以任意控制平臺的電缸進行伸縮運動，用戶可以通過控制軟件輸入指定的伸縮量，電缸會運行到指定的位置；
（5）振動測試：可以讓平臺以指定的頻率進行振動，用戶可以通過控制軟件輸入指定的振動頻率與自由度、運動范圍，平臺會根據設置的參數進行振動測試；
8、模擬座艙設計
    模擬座艙外罩：座艙罩用玻璃鋼材質制造，玻璃鋼材料是屬于一種玻璃纖維的復合材料,玻璃鋼在行業中也稱為FRP(玻璃纖維強化塑料)在工業中我們采用,環氧樹脂與飽和聚脂等為基體采用與玻璃纖維復合制作而成的增強型塑料這便是我們現在看到的玻璃鋼,這種玻璃鋼的強化復合材料在性能上具有很多優于塑料的優點,例如機械強度高、質輕而硬、不導電。
9、視景系統
    視景系統軟件是利用計算機圖像生成技術，產生逼真的窗外影像，如機場、跑道、田野、河流、道路等地形地貌，云、霧、雨、雪以及白天、黃昏、夜間等天氣氣象，燈光、建筑物等模型，汽車、輪船、飛機等活動目標，為駕駛員、參試者、工程設計人員和觀察者提供體現飛機性能表現及飛機飛行時的真實世界的窗外景象。
（1）硬件結構：1、視景系統硬件由視景支架、3臺32寸顯示器等組成。
 視景支架由基座、電視架連接板、電視支撐板、電視架支撐板、電視架支撐骨架組成；整體噴漆(亞光黑色)；
視景顯示器采用:  1、32英寸全高清顯示器。 

 （2）場景模擬：采用了大量渲染貼圖材質，無論是戰斗機、坦克還是地面建筑都進行了細致認真的三維建模，萬里無云的天空、呼嘯而過的戰機等，在細膩的紋理襯托下，顯得極其真實、生動。使用虛構的世界和國家，許多細節和現實中的戰爭非常相似。一些戰斗機的現實特征在游戲中表現出來，也包括一些虛構的飛機，尤其是空中堡壘。
10、軟件仿真系統
（1）戰斗機模擬器仿真系統由飛行性能仿真系統和設備系統仿真系統兩部分組成。飛行性能仿真包括飛行動力學與飛行運動學計算、動力裝置模擬及特情處置模擬等部分組成，主要模擬戰斗機的飛行性能和操穩特性，并且提供每個時刻的飛行狀態數據；設備系統仿真包括操縱、電氣、發動機、燃油、告警、剎車、儀表等機載設備系統仿真軟件模塊，主要完成機載設備系統的操作與操作響應模擬。
（2）模擬器是人在回路中的仿真系統，由接口軟件實時檢測飛行人員對操縱系統及座艙設備系統的操縱變化，仿真計算機通過飛行器性能仿真和設備仿真軟件及軟件模塊，解算出飛行器運動及姿態等性能數據及飛行人員對座艙設備的操作響應數據，各分系統仿真軟件及仿真模塊利用上述數據解算出此刻的系統響應狀態數據，再經過接口轉換及驅動系統驅動，通過顯示器顯示、儀表指示、信號燈指示、視景圖像、動感平臺、音響聲音等，將飛行人員的操作響應實時反饋給飛行人員，從而模擬出實裝駕駛的整個過程。
（2）其具體工作過程如下：飛行人員在模擬座艙內操縱側桿、加油及其他座艙設備，由各類操縱傳感器感知駕駛員的操縱動作并發出工作信號，接口系統將這些信息輸給仿真計算機，仿真計算機通過飛行性能仿真和設備仿真等軟件系統對飛行動力學模塊、設備系統工作模塊、環境仿真模塊和外部仿真模塊等進行解算，解算結果經網絡分系統輸送給各仿真物理效應分系統；儀表及航空電子模擬分系統實時指示或顯示各種飛行參數和系統工作參數；視景分系統按駕駛員視點關系及設定的能見度和氣象條件生成此刻座艙外的各種景象，包括跑道、燈光、建筑物、田野、河流、海浪、地形地貌、活動目標（空中、地面、海面）等；聲音模擬分系統給飛行人員提供音響效果，如發動機聲響、氣流噪聲、設備工作聲音等。各仿真物理分系統給飛行人員提供多維感知信息，根據上述信息飛行人員可以在地面完成各種條件下的模擬飛行訓練。
五、配置參數表