王毅琳

第三軍醫(yī)大學(xué)西南醫(yī)院 信息科，重慶 400038

直升機模擬訓(xùn)練平臺的構(gòu)建與應(yīng)用

王毅琳

第三軍醫(yī)大學(xué)西南醫(yī)院 信息科，重慶 400038

本文通過對直升機轉(zhuǎn)運平臺與視景系統(tǒng)進行綜合集成，構(gòu)建了直升機模擬訓(xùn)練平臺。該平臺主要由轉(zhuǎn)運平臺（包括機械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)）以及視景系統(tǒng)構(gòu)成，可為軍事衛(wèi)勤保障訓(xùn)練提供可反復(fù)使用且高度逼真的訓(xùn)練環(huán)境，推動傳統(tǒng)衛(wèi)勤訓(xùn)練模式向?qū)崙?zhàn)化轉(zhuǎn)變。本文詳細闡述了該平臺的構(gòu)建及應(yīng)用過程，指出該平臺對于提高衛(wèi)勤訓(xùn)練效果，推動我軍部隊?wèi)?zhàn)救能力的躍升有著重要意義。

衛(wèi)勤保障；直升機模擬訓(xùn)練；轉(zhuǎn)運平臺；視景系統(tǒng)

0 前言

衛(wèi)勤訓(xùn)練是提高軍隊醫(yī)院野戰(zhàn)機動衛(wèi)勤保障戰(zhàn)斗力的重要途徑，可通過貫徹“訓(xùn)戰(zhàn)一致”的要求，增強訓(xùn)練適應(yīng)性，提高衛(wèi)勤保障能力，是遂行多樣化軍事任務(wù)的根本前提。但傳統(tǒng)衛(wèi)勤訓(xùn)練中存在諸多問題，如實際訓(xùn)練與戰(zhàn)救理論脫節(jié)、缺乏對急救能力檢驗評估的科學(xué)手段、與部隊信息化條件下的集成訓(xùn)練相分離等，由此模式訓(xùn)練出的戰(zhàn)救技能是否真正具備強大的實戰(zhàn)保障能力的問題日益凸顯。為適應(yīng)新時期軍事訓(xùn)練轉(zhuǎn)型要求，研究和探索衛(wèi)勤戰(zhàn)救訓(xùn)練新手段和新方法，已成為當(dāng)前軍事衛(wèi)勤訓(xùn)練關(guān)注的焦點。本研究在總結(jié)既往衛(wèi)勤訓(xùn)練經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，探索構(gòu)建直升機模擬訓(xùn)練平臺以科學(xué)組織衛(wèi)勤訓(xùn)練的方法，旨在開展模擬戰(zhàn)場和災(zāi)害現(xiàn)場轉(zhuǎn)運救治傷員訓(xùn)練，大幅提高軍隊醫(yī)院衛(wèi)勤訓(xùn)練效果。直升機模擬訓(xùn)練平臺主要由轉(zhuǎn)運平臺和視景系統(tǒng)兩部分組成，轉(zhuǎn)運平臺是衛(wèi)勤模擬訓(xùn)練的主要載體，視景系統(tǒng)負責(zé)為模擬直升機飛行訓(xùn)練提供各種逼真的場景。

1 轉(zhuǎn)運平臺運動機構(gòu)的選擇

轉(zhuǎn)運平臺運動機構(gòu)有并聯(lián)和串聯(lián)兩種形式，串聯(lián)機構(gòu)（Serial Mechanism，SM）的設(shè)計原理是基于對人上肢功能的模擬，早期工業(yè)機器人多數(shù)為串聯(lián)形式，結(jié)構(gòu)簡單、工作空間大。并聯(lián)機構(gòu)（Parallel Mechanism，PM）可以定義為動平臺和定平臺通過至少兩個獨立的運動鏈相連，具有兩個或兩個以上自由度，且以并聯(lián)方式驅(qū)動的一種閉環(huán)機構(gòu)。從機構(gòu)運動學(xué)來看，這兩種機構(gòu)存在對偶關(guān)系，串聯(lián)機構(gòu)正解簡單，反解復(fù)雜；并聯(lián)機構(gòu)正解復(fù)雜，反解簡單。串聯(lián)機構(gòu)的剛度和承載能力低，且串聯(lián)形式會導(dǎo)致操作臂的輸出誤差是各關(guān)節(jié)誤差的積累和放大；而并聯(lián)機構(gòu)具有剛度重量比高、慣性小、承載力大、高速、無累積誤差的特點，因此，轉(zhuǎn)運平臺運動機構(gòu)選擇并聯(lián)機構(gòu)。

以并聯(lián)方式驅(qū)動的轉(zhuǎn)運平臺具有如下特點：① 與串聯(lián)機構(gòu)的懸臂梁相比，由于并聯(lián)機構(gòu)平臺由6個缸同時支撐，因此其剛度大且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，具有比串聯(lián)機構(gòu)更高的承載能力；且并聯(lián)機構(gòu)平臺采用對稱式結(jié)構(gòu)，各向同性也要比串聯(lián)機構(gòu)好；② 串聯(lián)機構(gòu)精度低、誤差大，末端件上的誤差是各關(guān)節(jié)誤差的積累和放大，而并聯(lián)機構(gòu)平臺沒有誤差積累和放大，精度更高；③ 在位置求解方面，與串聯(lián)機構(gòu)相比，采用并聯(lián)機構(gòu)的6自由度平臺求正解困難，求反解卻非常容易。由于在線實時計算時是求反解，因此，采用并聯(lián)機構(gòu)更容易實現(xiàn)。

2 轉(zhuǎn)運平臺的設(shè)計

轉(zhuǎn)運平臺主要由機械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)3部分構(gòu)成。

2.1 機械系統(tǒng)

轉(zhuǎn)運平臺機械系統(tǒng)包括伺服電動缸，伺服電動機，耳軸，上、下萬向鉸鏈和上、下兩個平臺等部件，采用6根帶驅(qū)動器的可伸縮桿通過球鉸和固定平臺相連，通過胡克鉸與運動平臺相連形成并聯(lián)機構(gòu)。胡克鉸位于上平臺與6個支鏈連接處，對保證平臺的正常運行和整個結(jié)構(gòu)的剛度起著關(guān)鍵作用，運動平臺和固定平臺上的鉸鏈呈6邊形分布。轉(zhuǎn)運平臺機械系統(tǒng)示意圖，見圖1。

平臺主體和運動部件均采用優(yōu)質(zhì)鋼質(zhì)材料，其中電動缸活塞桿為鋼質(zhì)鍍珞處理，活塞桿頭部為不銹鋼材質(zhì)，活塞桿與缸體接觸部位采用密封防塵部件。6個交流伺服電動機通過絲桿控制活塞桿作直線伸縮運動，活塞桿通過耳軸與上鉸鏈座活動連接，上鉸鏈座固定在上平臺上?？赏ㄟ^控制6個交流伺服電動機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，完成平臺在空間6個自由度（x、y、z、α、β、γ）上的運動，使平臺完成要求的橫搖、縱搖和伸降等工作，從而模擬出救援直升機的各種空間運動姿態(tài)[1]。伺服電動缸可通過絲桿副的機械運動將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為推桿的直線運動，利用伺服電機的閉環(huán)控制特性，實現(xiàn)對推力、速度和位置的精密控制。伺服電動缸示意圖，見圖2。

圖1 轉(zhuǎn)運平臺機械系統(tǒng)示意圖

圖2 伺服電動缸示意圖

2.2 控制系統(tǒng)

轉(zhuǎn)運平臺控制系統(tǒng)工作流程如下：首先按照飛行任務(wù)要求設(shè)定位姿、運動路徑和軌跡，根據(jù)所確定的軌跡，將上平臺中心點的軌跡進行參數(shù)化；再將實際測得的各液壓缸運動軌跡進行位置正解分析，對上平臺的實際控制精度進行分析比較，生成動平臺每個自由度在運動過程中每一時刻的位置、速度和加速度實時值[2]；然后將平臺的空間狀態(tài)和運動軌跡數(shù)據(jù)輸入到控制主機，通過將上平臺中心點的軌跡進行位置反解求解各缸的伸長量，得到驅(qū)動桿的位移和速度作為各液壓缸的控制信號；最后將控制指令（縱搖角、橫搖角）按固定頻率發(fā)送到多軸控制卡上，再經(jīng)伺服驅(qū)動器送給伺服電動機，伺服電動機帶動伺服電動缸推動平臺運動，完成上平臺的空間運動[3]。轉(zhuǎn)運平臺控制系統(tǒng)原理框圖，見圖3。

圖3 轉(zhuǎn)運平臺控制系統(tǒng)原理框圖

2.3 電氣系統(tǒng)

轉(zhuǎn)運平臺電氣系統(tǒng)采用220 V三相交流電，在額定頻率和功率容量下運行；具有自主穩(wěn)壓保護功能，可保障當(dāng)電源波動較大或突然斷電時轉(zhuǎn)運平臺不受損壞，恢復(fù)供電重啟后平臺可正常工作。

3 視景系統(tǒng)的設(shè)計

視景系統(tǒng)用于為直升機轉(zhuǎn)運傷病員的衛(wèi)勤訓(xùn)練過程顯示被模擬直升機白天、黃昏、黑夜、平原、山地、大海等艙外景象，以及模擬直升機起飛、上升、飛行、下降、著陸等飛行過程的全部動作，使衛(wèi)勤隊員在訓(xùn)練過程中可得到豐富逼真的視覺體驗。視景系統(tǒng)由視景數(shù)據(jù)庫、視景成像系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)組成[4]。其中，視景數(shù)據(jù)庫中包含著衛(wèi)勤訓(xùn)練任務(wù)所必需的數(shù)據(jù)信息；視景成像系統(tǒng)用于處理和顯示視景數(shù)據(jù)；視景顯示系統(tǒng)用于為衛(wèi)勤飛行訓(xùn)練任務(wù)提供足夠的視場角、逼真的圖像和準確的地理空間位置，具有模擬不同大氣環(huán)境效應(yīng)的能力，可通過提供紋理等特殊效果為衛(wèi)勤訓(xùn)練提供高沉浸感、高真實感的視景環(huán)境。

3.1 視景數(shù)據(jù)庫

視景數(shù)據(jù)庫的作用是存儲視景仿真模型的幾何信息、坐標變換、繪制狀態(tài)（如材質(zhì)屬性）、紋理映射關(guān)系、組織結(jié)構(gòu)、LOD（Level of Detail）層次等模型屬性或系統(tǒng)場景缺省的參數(shù)設(shè)置，供實時仿真使用[5]。視景數(shù)據(jù)庫包括模型數(shù)據(jù)庫、地形數(shù)據(jù)庫、航線數(shù)據(jù)庫、特殊人物數(shù)據(jù)庫、紋理數(shù)據(jù)庫等，以滿足視景系統(tǒng)的需要。

考慮到直升機飛行模擬的需要，視景系統(tǒng)的模擬覆蓋范圍包括機場、平原、山地、草原、大海等近千公里的大地形場景。由于救援直升機起飛和降落點范圍內(nèi)的視點距離模型較近，因此這部分模型應(yīng)當(dāng)進行詳細設(shè)計。機場模型的內(nèi)容包括跑道、滑行道、停機坪、登機橋以及候機樓、塔臺等標志性建筑。地形數(shù)據(jù)庫包括整個仿真范圍內(nèi)的地形地貌模型。紋理數(shù)據(jù)庫用于保存模型數(shù)據(jù)庫和地形數(shù)據(jù)庫所用到的所有紋理資源[6]。

3.2 視景成像系統(tǒng)

該系統(tǒng)采用三維衛(wèi)星數(shù)據(jù)和高程數(shù)據(jù)開發(fā)各類救援飛行場景的三維視景庫。視景系統(tǒng)實時解算視景數(shù)據(jù)庫多邊形，視景工作站分別輸出多通道視景。為滿足投影距離近的現(xiàn)場實際情況需求，可采用高反射率的反射鏡，將投影器圖像反射到背投幕，縮短影片投影距離，提高幕內(nèi)使用空間。

3.3 視景顯示系統(tǒng)

該系統(tǒng)采用球形幕實像顯示系統(tǒng)以滿足訓(xùn)練人員在模擬機艙內(nèi)的沉浸感和真實感。機艙周圍使用涂有光學(xué)涂料的大直徑球形屏幕作投影屏，可以有效實現(xiàn)場景顯示的立體感和縱深感效果，而且球形屏幕直徑越大，顯示圖像的立體感和縱深感就越強[7-8]。在視景系統(tǒng)中，利用多通道拼接技術(shù)或頭位跟蹤技術(shù)來形成大視場，視場角水平可達360°，垂直可達180°，可實現(xiàn)逼真的場景效果。球形幕實像顯示系統(tǒng)選用畸變調(diào)整功能強的投影器作為投影設(shè)備，以解決因投影屏幕為曲面造成的圖像畸變大等問題。

4 直升機模擬訓(xùn)練平臺的應(yīng)用及效果

作為醫(yī)院衛(wèi)勤保障中堅力量，衛(wèi)勤分隊在抗震救災(zāi)、抗洪搶險、軍事演練等各類重大行動中承擔(dān)著大量任務(wù)如傷病員搜尋、搶救、轉(zhuǎn)運等。過去由于缺乏必要的訓(xùn)練平臺，訓(xùn)練內(nèi)容常與實戰(zhàn)環(huán)境脫離，導(dǎo)致訓(xùn)練過程的真實感不強、訓(xùn)練效果不佳的問題日益突出。直升機模擬訓(xùn)練平臺建成后的一年內(nèi)，醫(yī)院衛(wèi)勤力量針對信息化條件下我軍衛(wèi)勤保障的特點，根據(jù)任務(wù)需求靈活設(shè)定訓(xùn)練場景，通過平臺開展了不同場景下救援技能的訓(xùn)練，已累計培養(yǎng)衛(wèi)勤隊員20余人，訓(xùn)練對象包括衛(wèi)勤隊員、衛(wèi)勤指揮員以及其他衛(wèi)勤崗位干部等；培養(yǎng)了可熟練進行平臺操作和維護的技術(shù)人員5人，開展了衛(wèi)勤訓(xùn)練數(shù)十次，并得到了上級首長和同行專家的多次觀摩指導(dǎo)。直升機模擬訓(xùn)練平臺作為一種全新的模擬訓(xùn)練手段，不僅延伸了傳統(tǒng)訓(xùn)練方式，更強調(diào)了貼近實戰(zhàn)和訓(xùn)戰(zhàn)合一，得到了首長和同行專家的肯定。

4.1 創(chuàng)新訓(xùn)練模式

實戰(zhàn)化訓(xùn)練強調(diào)訓(xùn)練內(nèi)容、訓(xùn)練背景和訓(xùn)練指揮的實戰(zhàn)化，遵守“仗怎么打、兵怎么練”的原則。我院通過改變傳統(tǒng)衛(wèi)勤訓(xùn)練方式，按照“訓(xùn)用一致”的要求，大膽創(chuàng)新訓(xùn)練裝備，將直升機模擬訓(xùn)練平臺融入軍事后勤訓(xùn)練之中，提升了衛(wèi)勤訓(xùn)練層次，達到了邊訓(xùn)練邊保障的目的；通過組織經(jīng)常性的模擬演練，及時發(fā)現(xiàn)了可能存在的問題，并通過調(diào)整和優(yōu)化衛(wèi)勤保障流程，總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)，提升了衛(wèi)勤保障水平。

4.2 錘煉衛(wèi)勤隊員綜合素質(zhì)

直升機模擬訓(xùn)練平臺的應(yīng)用一方面提升了衛(wèi)勤指揮能力，提高了各類復(fù)雜環(huán)境下傷員救治轉(zhuǎn)運的衛(wèi)勤指揮技巧；另一方面使衛(wèi)勤隊員的綜合素質(zhì)在實戰(zhàn)化訓(xùn)練中得到了鍛煉和提高，使參與訓(xùn)練的救援醫(yī)師在訓(xùn)練中能夠迅速掌握現(xiàn)代戰(zhàn)爭和自然災(zāi)害中的傷情傷勢特點以及危重傷員的搶救要點，強化了傷員救治能力的培養(yǎng)，提高了衛(wèi)勤隊員對戰(zhàn)場和災(zāi)害現(xiàn)場心理疾患的調(diào)理與疏導(dǎo)能力，促進其掌握災(zāi)害防護方法、急救措施等，從而提高整體救護能力。

5 結(jié)論

本研究通過轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)衛(wèi)勤保障訓(xùn)練方式，探索了利用直升機模擬訓(xùn)練平臺科學(xué)組織衛(wèi)勤訓(xùn)練的方法。構(gòu)建的直升機模擬訓(xùn)練平臺可通過模擬戰(zhàn)場和救災(zāi)環(huán)境下利用直升機平臺轉(zhuǎn)運傷病員的場景，為軍事衛(wèi)勤保障訓(xùn)練提供可反復(fù)使用且高度逼真的訓(xùn)練環(huán)境，其轉(zhuǎn)運平臺可以模擬救援直升機從起飛到降落全過程中的各種空間運動姿態(tài)，視景系統(tǒng)可為受訓(xùn)者提供高度逼真的沉浸感環(huán)境，使得衛(wèi)勤隊員在模擬訓(xùn)練環(huán)境中可獲得與真實轉(zhuǎn)運環(huán)境幾乎完全一樣的救援場景體驗，大大提高了衛(wèi)勤訓(xùn)練效果，提升了部隊衛(wèi)勤保障能力。

[1] 王輝,陳學(xué)森．飛行模擬器六自由度運動平臺的仿真研究[J]．機械科學(xué)與技術(shù),2012,31(5):778-782．

[2] 晁智強,寧初明,李欣澤,等．六自由度平臺控制系統(tǒng)分析[J]．機床與液壓,2014,42(9):44-48．

[3] 施昕昕,常思勤．一種新型6自由度運動平臺的控制研究[J]．機械工程學(xué)報,2014,50(3):56-62．

[4] 高煊,鄭康平,郭俊麗,等．飛行模擬系統(tǒng)中分布交互式視景的設(shè)計與實現(xiàn)[J]．指揮控制與仿真,2013,35(5):84-87．

[5] 郭立普,魏瑞軒,侯海平,等．無人機編隊飛行視景仿真關(guān)鍵技術(shù)研究[J]．計算機工程,2012,38(10):230-233．

[6] 邱岳恒,盧京潮,劉秉．直升機視景仿真及座艙儀表顯示系統(tǒng)實現(xiàn)[J]．測控技術(shù),2010,29(7):13-15．

[7] 張燕燕,黃其濤,韓俊偉,等．飛行模擬器視景系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J]．系統(tǒng)仿真學(xué)報,2009,(12):3662-3667．

[8] 黃炳,陳俊麗,萬旺根,等．飛行視景仿真系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[J]．計算機仿真,2009,(11):235-238．

Construction and Application of a Helicopter Simulation Training Platform

WANG Yi-lin
Department of Information, Southwest Hospital, Third Military Medical University, Chongqing 400038, China.

With integration of the helicopter transport platform and the visual system, a helicopter simulation training platform was designed. The platform mainly consisted of the transport platform (the mechanical system, control system and electrical system included) and the visual system, which was intended to provide a highly-realistic and repeatedly-usedtraining environment for military health service training so as to promote the transformation of the conventional training pattern into realistic training. This paper expounded the establishment and application of the system, pointing out the signi fi cance of the system in improving the training e ff ectiveness and promoting the rescue ability for the army.

health service; helicopter simulation training platform; transport platform; visual system

R82

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.03.006

1674-1633(2015)03-0024-03

2014-11-11

2015-01-09

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）項目資助（2012AA02A616）。

作者郵箱：wanylin@163．com