飞行模拟器的结构设计与仿真研究

飞行模拟器的结构设计与仿真研究韩红伟;党淑雯;何法江【摘要】Flight simulator has the incomparable advantages over real flight training which its structural design is the cru-cial to the optimization of aircraft design and improvement of the flight performance, so modeling and simulation of the research on the aircraft design is the key point for aircraft's design. After compared with 6-DOF(Degree of Freedom) flight simulator driven by hydraulic cylinders, a kind of 3-DOF flight motion platform based on 3-RPS mechanism driven by electric cylinders under UG environment is established , and the simulation of kinematical characteristics is researched after building joints and motions for the virtual prototype under the ADAMS/View module. For given kinematics charac-teristic curves, the post-processing of the measurement results using ADAMS/Post Processor module is carried, to get kinematics curves of various flight attitudes. The simulation results show that the designed structure can achieve three directions of motion, such as lift, roll or pitch, and meet the requirements of the technical specifications of the civil avia-tion flight simulator. The processes of analysis provide effective research methods for the design of the flight simulator.%飞行模拟器具有真实飞行训练无法比拟的优势,其结构设计是优化飞机设计,改善飞行性能的关键问题,故飞行模拟器的建模与仿真研究工作是飞行器设计的难点.通过与液压缸驱动的六自由度飞行模拟器对比分析,以3-RPS机构为基础,以在UG环境下建立的电动缸驱动的三自由度飞行模拟器运动平台模型为研究对象,在ADAMS/View模块下,对其添加约束和驱动后,进行了运动学特性仿真.对于给定的运动学特性曲线,运用ADAMS/Post Processor模块,对测量结果进行后处理,得到各种飞行姿态下的运动学曲线.仿真实验结果验证了该设计可实现升降、横滚、俯仰三种姿态的运动,且符合民航飞行模拟器的技术指标要求.上述分析过程为飞行模拟器的设计提供了一套有效的研究方法.【期刊名称】《计算机工程与应用》【年(卷),期】2016(052)013【总页数】5页(P254-258)【关键词】三自由度运动平台;飞行模拟器;结构设计;运动学特性【作者】韩红伟;党淑雯;何法江【作者单位】上海工程技术大学机械工程学院,上海 201620;上海工程技术大学航空运输学院,上海 201620;上海工程技术大学航空运输学院,上海 201620【正文语种】中文【中图分类】TH12;TP39HAN Hongwei，DANG Shuwen，HE Fajiang.Computer Engineering and Applications，2016，52（13）：254-258.飞行模拟器作为一种安全、经济且有效的训练助手，引起了各国军方以及民航的高度关注，不断加大研制和采购费用的力度。

传统的飞行模拟器的驱动平台多为六自由度Stewart平台［1］。

因该类型的飞行模拟器多为全任务类型，且价格高，控制系统复杂，随着飞行任务和相应飞行训练的多样化，六自由飞行模拟器的应用受到了限制。

飞行训练器和地勤训练器等诸如此类的飞行模拟器应运而生。

少自由度并联机构在控制以及机构结构方面得到简化，能胜任这些飞行模拟器的训练要求，因此它的出现满足了这种发展的需求。

但随着少自由度并联机构在飞行模拟器中的应用，三自由度飞行模拟器便成为飞行模拟器的常见类型。

文献［2］中应用3-UPS/PU型飞行模拟器驱动平台为基础，通过压缩气体承载主要负载，来提高驱动平台的模拟能力。

文献［3］建立了一种飞行模拟器三自由度运动平台，在ADAMS上建立了虚拟样机并获得有关的运动学和动力学特性曲线。

对于三自由度飞行模拟器，目前的大多研究中，其运动平台的机构设计比较复杂，给设计和加工带来很多麻烦。

另外传统的飞行模拟器驱动系统多为液压缸，由于液压缸驱动难度大以及成本贵等缺点，应用范围受到一定的限制。

因此对于飞行模拟器，有必要设计机构简单的运动平台并选用不同于传统的驱动系统。

本文以一种机构简单的3-RPS并联机构和易于控制的电动缸驱动为基础，设计了一种三自由度电动缸驱动的飞行模拟器运动平台。

首先通过对三自由度和六自由度飞行模拟器、液压缸和电动缸驱动系统的优缺点对比分析，选择结构简单，电动缸驱动的3-RPS机构作为飞行模拟器的运动平台；进而为满足飞行模拟器高度逼真的模拟性能要求，对3-RPS机构进行改进、总体结构设计、自由度验证；参照某型飞行模拟器，确定了本文飞行模拟器的结构尺寸参数及技术指标；最后采用UG 和ADAMS联合仿真，验证了所设计的飞行模拟器的模拟性能。

飞行模拟器的设计首先是对其运动平台以及驱动系统的类型进行选择；其次针对飞行模拟器模拟性能的逼真性这一问题，进行运动平台的结构改进，飞行模拟器的总体结构设计，自由度计算；最后结合某型飞行模拟器，给出了本文所设计的飞行模拟器运动平台的技术指标和结构尺寸参数。

2.1 运动平台的选择随着科学技术的发展以及飞行模拟器类型的增加，Stewart平台的缺点也慢慢暴露出来，因其是可以提供3个线位移和3个转角，6个自由度瞬时过载的传动机构，故在某些类型的飞行模拟器中该平台的功能得不到充分利用，因此造成了不必要的浪费。

另外非线性、强耦合性、变参数、成本高等缺点，也进一步限制Stewart平台在模拟仿真飞行器中的发展应用。

作为少自由度并联机构的典型，三自由度运动控制平台能逼真地模拟飞行［4］，同时也具备驱动元件少，运动副少，工作空间大，易解耦，结构紧凑，控制结构简单，性价比高，成本低等优势［5］。

三自由度运动平台控制精度高，工作平稳，监控功能完善，操作使用方便，运动效果和六自由度运动平台相当［6］。

对于用于地勤训练和飞行训练的飞行模拟器，三自由度运动平台系统即可满足训练的要求。

三自由度飞行模拟器要实现飞行过程中飞机的俯仰、横滚、升降基本动作，才能满足飞行训练模拟器的需要。

根据上述飞行模拟器的要求，所选用的运动平台要实现俯仰、横滚、升降3个动作，这3个动作也是平台运动的3个自由度，其中2个是角运动，1个是线运动。

文中选用了3-RPS并联机构作为三自由度飞行模拟器的运动平台。

原因如下：（1）该并联机构具有3个自由度，其中2个自由度是角位移，1个是线位移，且适当改进后在合适驱动下满足高度逼真的模拟。

（2）该并联机构具备少自由度并联机构的一系列优点。

（3）3-RPS并联机构是三自由度并联机构中比较常见的机构，与其他同自由度的并联机构相比，其结构更加简单，便于制造加工和设计改进。

2.2 驱动系统的选择三自由度运动系统的驱动方式很大程度上决定了运动系统的承载能力、运动精度、响应速度等性能指标［7］。

传统的飞行模拟器驱动方式多使用液压缸驱动，而液压缸结构复杂，占用空间大，驱动方式技术难度大，设计维护复杂，成本较高，并且系统的性能取决于价格昂贵的大流量电液伺服阀。

相比液压缸，电动缸的优点主要体现在：传动效率高，环境适应能力强，定位及控制精度高，机构简单可靠，性能高，同步性好等［8-9］。

基于电动缸的以上优点，随着电动缸控制的智能化、网络化和数字化［10］，高负载和驱动系统的不断完善，电动缸已经开始应到动感模拟器平台。

综合上述因素，本文选用电动缸作为所设计飞行模拟器运动平台的驱动系统。

2.3 运动平台的结构设计和自由度2.3.1 总体结构设计典型的3-RPS包括动平台、静平台、3条支链，其中R、P、S分别表示转动副、移动副和球铰。

3条RPS支链均通过球铰和动平台相连，通过转动副与静平台相连［11］。

由于飞行模拟座舱前舱窄、后舱宽，后部横侧转动惯量大，故运动平台的3条支链的布置情况为：前端布置1条和后端对称布置2条。

另外为了满足上述飞行模拟的要求，文中对于典型的3-RPS结构进行了改进，改进后的结构为：连接前端转动副的支链前后转动，连接后端两个转动副的支链左右转动，上、下运动平台大小一致并且都为非等边三角形，其他部位保持不变。

电动缸和驱动支链一体化，座舱安放在动平台上，静平台与地面固连。

参照某型飞行模拟器［12］，确定本文所设计的运动平台结构尺寸参数如表1所示。

2.3.2 自由度计算为了论证所设计的运动平台是否满足飞行模拟运动要求，需要进一步对其自由度进行推理验证。

平台的机构简图如图1所示，根据 Kutzbach-Grübler公式［13］，该机构动平台的自由度为：其中，M为机构的自由度数目；n为单个物体数目，n=8；g为运动副的数目，g=9；fi为第i个运动副的相对自由度数目，移动副和转动副的自由度均为1，球副的自由度为3；ν为平台上附加的冗余约束；η为消极自由度数目；ξ为平台的局部自由度数目。

三自由度运动平台的3种姿态的实现方式如下：俯仰运动的实现主要由前端驱动支链伸缩，后端的两个驱动支链同步运动并且和前端驱动支链差动；而翻滚运动的实现是在前端驱动支链在中位不动的情况下，后端的两个驱动支链作差动；最后，升降运动是指3个驱动支链在中位附近同时伸缩。