ＡＲＴＩＦＩＣＩＡＬ　ＩＮＴＥＬＬＩＧＥＮＣＥ　ＡＮＤ　ＩＤＥＮＴＩＦＩＣＡＴＩＯＮ　ＴＥＣＨＮＩＱＵＥＳ　人工智能及识别技术　

飞行训练模拟器设计　

谷树山　。柴守权　。王江南　（１．海军航空兵学院模拟中心，辽宁葫芦岛１２５００１；２．９２００１部队，山东青岛２６６０１１）　

摘要：介绍了飞行训练模拟器的基本组成和设计方法。采用ＣＡＮ总线技术实现了飞行模拟器座舱系统，利用Ｄｉ—　

ｒｅｃｔＳｏｕｎｄ技术实现了音响系统，选用ＶｅｇａＰｒｉｍｅ、ＣＴＳ和Ｃｒｅａｔｏｒ开发了视景系统。应用实践证明，该模拟器性能稳　定，操作、维护方便，能够适应部队模拟飞行训练的需要。　

关键词：飞行训练模拟器；ＣＡＮ总线；ＤｉｒｅｃｔＳｏｕｎｄ技术；Ｖｅｇａ　Ｐｒｉｍｅ平台　

Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｆｌｉｇｈｔ　Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ　

ＧＵ　Ｓｈｕ—ｓｈａｈ１，ＣＨＡＩ　Ｓｈｏｕ－ｑｕａｎ２，ＷＡＮＧ　Ｊｉａｎｇ－ｎａｎ　（１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ，Ｎａｖｙ　Ｆｌｙｉｎｇ　Ａｃａｄｅｍｙ，Ｌｉａｏｎｉｎｇ　Ｈｕｌｕｄａｏ　１２５００１，Ｃｈｉｎａ　２．Ａｒｍｙ　９２００１，Ｓｈａｎｇｄｏｎｇ　Ｑｉｎｇｄａｏ　２６６０１　１，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ａｎａｌｙｚｅｓ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｄｅｓｉｇｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　Ｆｌｉｇｈｔ　Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ．Ｔｈｅ　ｃａｂｉｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗａｓ　ａｃｈｉｅｖｅｄ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ＣＡＮ－ｂｕｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｕｄｉｏ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＤｉｒｅｃｔＳｏｕｎｄ　ｗａｓ　ｒｅａｌｉｚｅｄ．Ｔｈｅ　ｖｉｓｕａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｗａｓ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　Ｖｅ—　ｇａ　Ｐｒｉｍｅ，ＣＴＳ　ａｎｄ　Ｃｒｅａｔｏｒ．Ｔｈｅ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ印ｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｉｎｄｉｃａｔｅ　ｔｈａｔ　ｔｈｉｓ　ｆｌｉｇｈｔ　ｓｉｍｕｌａｔｏｒ　ｈａｓ　ｔｈｅ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｏｆ　ｓｔａｂｌｅ　ｐｅｒｆｏｒ—　ｍａｎｃｅ，ｅａｓｙ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ｓｉｍｐｌｙ　ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ　ａｎｄ　ｇｏｏｄ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｅｆｆｅｃｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｆｌｉｇｈｔ　Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ；ＣＡＮ—ｂｕｓ；ＤｉｒｅｃｔＳｏｕｎｄ　ｔｅｃｈａｏｌｏｇｙ；Ｖｅｇａ　Ｐｒｉｍｅ　ｔｅｒｒａｃｅ　

１　引言　

随着飞行仿真技术的发展，现代飞行模拟训练的独特功　

能和巨大效益使其成为逐渐实现质量、素质建军的一种重要　

手段和武器装备研制的重要内容『１１。国内外的飞行训练实践表　

明：基于飞行模拟器的模拟飞行训练不仅可以不受天气等自　

然条件的制约，并且降低了相关部门的保障难度，保证了飞　

行训练安全。在整个模拟飞行过程中，飞行模拟器不仅要为　

飞行员提供逼真的视觉（座舱外的视景和座舱内的仪表、指　

示灯指示）、力感和动感，还要有逼真的音响效果（听觉）。　

因此，在飞行模拟器的研制过程中，主要考虑以上４个因素　

的模拟仿真程度。　

２飞行模拟器组成　

飞行模拟器就是以飞行模拟座舱为基本设备实现的人在　

回路中的飞行仿真系统闭。本节以某型飞机飞行训练模拟器为　

例，对飞行模拟器的一般组成进行探讨。　

某型飞机飞行模拟器由主控系统、模拟座舱系统、视景　

系统、音响系统、计算机网络系统和管理系统组成。系统结　

构框图如图１所示。　

２．１模拟座舱系统　模拟座舱系统采用与飞机实际座舱尺寸１：１的比例进行仿　

真，其设计内容主要包括以下几个方面：操纵系统、操纵负　

荷系统、指示系统、仪表系统和座舱抖振系统。　

（１）操纵系统　

根据所采集信号的类别，操纵系统又可分为开关量操纵　

系统和模拟量操纵系统。开关量操纵系统主要是指自锁式按　

钮、非自锁式按钮、互锁式按钮、两态或三态电门、自动复　

位式电门和波段开关６种开关量操纵设备；模拟量操纵系统　

主要是包括驾驶杆、方向舵、油门以及各种旋钮等模拟量操　

纵设备。飞行员通过操纵系统可实现对飞机的操纵控制。　操纵系统　；　————１广———］：　簇　操纵设备ｒ一１采集模块　

．　．，　一Ｌ．　．．．．．　．　．．　－．ｊ‘　————］ｒ——］：　蒺　操纵设备ｒ１采集模块ｆ『Ｔ　

操纵负荷系统　

指示系统　亟　

篓　｝＝　Ｃ　Ａ　Ｎ　总　线　计　算　机　网　络　

图１飞行模拟器系统结构框图　

（２）仪表系统　

仪表系统为飞行员提供飞机的高度、空速、升降速度、　

航向、姿态及发动机的工作状态等信息。　

（３）操纵负荷系统　

操纵负荷系统为飞行员提供逼真的操纵感觉。所研究的　

操纵负荷系统主要是指杆力模拟系统，为飞行员提供驾驶杆　

纵向和横向的操纵感觉。　

作者简介：谷树山（１９７２一），男，工程师，学士，研究方向：　

飞行器仿真；柴守权（１９７０一），男，工程师，硕士，研究方　

向：机载设备检测与控制；王江南（１９８２一），男，工程师，　

硕士，研究方向：飞行动力学仿真与研究。　

收稿日期：２０１３—０１—１６　

奠　，

　电脑编程技巧与维护　

（４）指示系统　

指示系统是由座舱仪表板上的一些指示灯、警告信号灯、　

数码管等设备组成，这部分设备的控制信号经上位机逻辑解　

算后得出，然后由单片机控制，其中数码管显示采用静态显　

示，指示灯和警告信号灯控制根据电压及电流特性进行驱动。　

（５）座舱抖振系统　

座舱抖振系统主要用于模拟飞机在飞行时的高频振动，　

给飞行员更逼真的运动感觉，有抖振装置和振动装置两部分　

组成。振动装置用以模拟发动机状态变化引起的抖振和失速　

等特情时引起的抖振；抖动装置用以模拟飞机起飞、着陆和　

收放起落架等引起的座舱振动。　２．２主控系统　

主控系统主要完成对操纵系统的信号采集，并经飞行动　

力学方程解算，得出各种控制信号，控制仪表系统、视景系　

统、指示系统、操纵负荷系统和音响系统的工作。　

２．３视景系统　

视景系统包括图形计算机、显示球幕、图像拼接单元、　

投影仪和地形数据库等；能够产生较丰富驾驶舱外的视景，　包括白天、黄昏、晴天、下雨、起雾等气候条件，在模拟飞　

行训练中能够为飞行员提供逼真的目视飞行环境。　

２．４音响系统　

在模拟训练时，音响系统一方面为实时视景伴音，对视　

觉效果进行增强与渲染，另一方面又独立地提供重要信息，　

使飞行员感到身临其境，帮助飞行员通过听觉正确判断飞机　

的飞行状态。　

２．５管理系统　

管理系统包括实时飞行仿真管理软件和控制中心，飞行　

管理软件的主要作用是协调所有系统共同工作。控制中心可　

完成飞行科目设置、故障设置、飞行环境设置、实时监控、　

显示、记录训练过程和结果，使模拟飞行训练方便、快捷、　

有序地进行。　

２．６计算机网络系统　

视景系统、音响系统的控制信号来自飞行模拟器的主控　

计算机，管理系统与主控系统之间也需要大量的数据交换，　

因此系统需要在不同计算机之间进行参数传输，网络通信是　

必不可少的条件。本系统采用的是客户碉艮务器结构的应用程　

序，这种结构非常适用于分布式处理的计算机网络环境。由　

于系统是面向ＰＣ机平台的应用，因此采用基于ＴＣＰ￣Ｐ协议　

的Ｗｉｎｓｏｃｋ接口实现网络间的数据传输。　

３相关技术实现　

３．１飞行动力学方程建模　

飞行动力学方程解算主要是根据所采集到的驾驶杆、方　

向舵、油门、操纵开关和电门等操纵数据，实时解算出飞机　

的各种飞行参数，并将飞机的运动位置及姿态等有关参数传　

送到各个模块；接收管理系统对课目等的设置并作出相应的　

处理，尤其要描述特情的现象并对飞行员处置情况作出相应　

的判断，设置飞机新的状态。该系统的主要数学模型有：　

（１）质心动力学、质心运动学模型　

器　作为全量的动力学模型解算，质心动力学方程和质心转　

动动力学方程应该是联立求解的。为叙述方便这里分别进行　

说明，质心动力学方程和质心转动力学方程分别如式（１）和　

式（２）所示：　

一　Ｖ　）＝　

—ｍ　１，　）＝　

ｍ（　ｄ￣＂ｚｒ＋　Ｖ　－－－－　，　）＝　

’　ｖ．ｃｏｓ，ｇｃｏｓ￣＋，；ｔ　一。。ｓｙ　嘴　｝　ｎ　ｓ．ｎ　十　ｆｓ＿ｎ　ｓｉｌ１　∞ｓ　ｃｏｓ７ｓｉｎ￣）　；　ｓｉｎＴｓｉｎ，ｇｓｉｎｙＪ＋ｃｏｓｙｃｏｓｉｐ－）（２）　、　二　。。ＳＩ９ｓ．ｍ　＋、　（ｃｏｓ，，血ｌ１９ｓｉｎ　＋ｓ．ｍ　。０ｓ　＋　（一　｝　、厶　

上两式中，　，　，　分别为飞行速度在３个机体轴的分　

量；　，　，，　分别为飞机旋转角速度在３个机体轴的分量；　

，　．，　分别为作用在飞机上的力在３个机体轴的分量；　．　

为飞机的迎角和侧滑角；７，　，　为飞机的３个姿态角：坡度、　

俯仰角和偏航角。对式（２）进行积分就得到了飞机相对于地面　

坐标系的位置（Ｘｄ　Ｙ　，ｚｄ）。　

（２）飞机绕质心转动动力学和转动运动学模型　

机体轴系的质心转动动力学方程，如式（３）：　

Ｉ　－－　∞　一　＝　：　

等　）等）＝∑Ｍ　ｒ　产　（　一　）　（　一　）　∑Ｍ　

』　＋（Ｉ　，－１　』　国　）＝∑　

式中，』　，』ｌＪ，　：分别为飞机相对于３个机体轴的转动惯　

量；』　为飞机相对于ｘ、ｖ轴的惯性积。由于飞机基本具有纵　

对称面，所以其相对于ｚ、Ｘ轴和Ｙ、ｚ轴的惯性积　

Ｉ　：，　＝０。　，２　，　分别为作用在飞机上的力矩矢量　

在机体轴上的分量。对式（３）积分就可得到飞机旋转角速度在　

机体坐标系的分量。得到了飞机旋转角速度在机体坐标系的　

分量后，应用四元数法来求得飞机姿态角，如式（４）。　

＝ａｒｃｓｉｎ【２（ｑ。ｑ　一ｑｏｑ　）ｌ　ｌ　ａｒｃｃ。ｓ　一９　＋ｇ　一　）／ｃｏｓ．９】　ｓｇｎｆ—ｑ：吼一ｑｏｑ　】｝　＝ａｒｃｃｏｓ［（ｑ：＋ｑ　一ｑ　一ｑ　），ＣＯＳ　］・ｓｇｎ［一ｇ　ｇ　一ｇ。口２】｝　

３．２利用ＣＡＮ总线技术实现座舱系统　

座舱系统各部分的功能分别集中于一个ＣＡＮ总线的控制　

节点上来实现。ＣＡＮ总线是德国ＢＯＳＣＨ公司从８０年代初为　

解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开　

发的一种串行数据通信协议，它是一种多主总线，通信介质　

可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。通信速率可达　

１．２５Ｍｂｐｓ，波特率低于５Ｋｂｐｓ时通信距离可长达１０Ｋｍ。它的　

出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通　

信提供了强有力的技术支持日。仅以驾驶杆操纵负荷模拟系统　

为例，介绍座舱系统的实现方法。　

驾驶杆操纵负荷模拟系统为飞行员提供驾驶杆纵向／横向　

操纵操纵感觉。杆力模拟系统采用力矩电机输出，通过控制　＋　

＋