基于AR技術(shù)的彈射救生模擬訓(xùn)練系統(tǒng)

魏 東， 李 偉， 劉書(shū)巖

(海軍航空大學(xué),山東 煙臺(tái) 264000)

彈射救生裝置是殲擊機(jī)的重要組成部分，當(dāng)發(fā)生危及飛行員生命安全的特情時(shí)，該裝置利用彈射動(dòng)力將飛行員和彈射座椅一起彈射離機(jī)以保證飛行員生命安全[1]。長(zhǎng)期以來(lái)，由于彈射座椅工作的特殊性，在教學(xué)訓(xùn)練過(guò)程中缺乏相應(yīng)的實(shí)踐教學(xué)設(shè)備，教學(xué)內(nèi)容只能以理論講授的方式進(jìn)行，不能對(duì)學(xué)員進(jìn)行針對(duì)性的模擬訓(xùn)練，因此學(xué)員在使用彈射設(shè)備的過(guò)程中，存在一定的問(wèn)題，因肢體撲打和彈射動(dòng)作不正確造成的損傷較多。

為改變這種狀況，張曉梅等[2]針對(duì)飛行人員在彈射跳傘中的損傷進(jìn)行了研究，對(duì)飛機(jī)類型、跳傘原因、飛行員年齡、飛行速度、飛行高度對(duì)跳傘損傷的影響和損傷類型進(jìn)行了分析，對(duì)提高彈射救生成功率、減少損傷具有一定的幫助，但是并沒(méi)有從訓(xùn)練角度提出解決方法；張玉剛等[3]分別針對(duì)彈射救生過(guò)程中人-椅運(yùn)動(dòng)、人-椅分離、傘降著陸階段的特點(diǎn)進(jìn)行了研究，并建立了一系列的數(shù)學(xué)模型，為模擬彈射救生過(guò)程提供了理論基礎(chǔ)；王揚(yáng)[4]利用仿真支撐軟件PROSIMS對(duì)彈射離機(jī)、救生傘張開(kāi)、傘降著陸階段進(jìn)行了仿真，為設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)彈射救生模擬訓(xùn)練裝置提供了具有參考意義的思路；李慧等[5]以第三代彈射座椅為研究對(duì)象，對(duì)航空彈射救生過(guò)程的視景仿真技術(shù)進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)了基于3Ds max、Unity3D引擎和C#為平臺(tái)的人-椅-傘仿真系統(tǒng)，并以此開(kāi)發(fā)了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的彈射救生可視化桌面軟件，將彈射救生過(guò)程可視化。該軟件首次實(shí)現(xiàn)了彈射座椅工作過(guò)程的可視化演示，對(duì)航理教學(xué)具有一定的幫助，但是該軟件只能單純地演示彈射救生過(guò)程，不能和飛行員進(jìn)行有效交互，本質(zhì)上仍屬于彈射救生裝置理論教學(xué)手段的補(bǔ)充。

本文在上述研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合彈射救生裝置使用訓(xùn)練需求，利用AR技術(shù)，構(gòu)建了彈射救生模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，以滿足彈射救生模擬訓(xùn)練需求，鍛煉飛行員的彈射救生技能，同時(shí)提升彈射救生裝置教學(xué)的實(shí)際效果。

1 彈射救生裝置的工作過(guò)程

不同型號(hào)的彈射救生裝置在彈射性能上存在一定的差異性，但工作過(guò)程基本相同。彈射救生裝置工作過(guò)程如圖1所示。

圖1 彈射救生裝置的工作過(guò)程

① 彈射準(zhǔn)備和啟動(dòng)階段。

飛行員保持好飛機(jī)姿態(tài)，做好彈射準(zhǔn)備，拉動(dòng)彈射手柄后，擊發(fā)燃爆機(jī)構(gòu)，產(chǎn)生的高溫燃?xì)鈧鞯郊s束系統(tǒng)，約束飛行員上肢，并通過(guò)肩帶拉緊機(jī)構(gòu)將飛行員強(qiáng)制拉到彈射姿態(tài)[6-7]；穩(wěn)定傘射傘槍射出穩(wěn)定傘，并激發(fā)彈射筒打火工作，產(chǎn)生燃?xì)馔苿?dòng)座椅開(kāi)始向上運(yùn)動(dòng)，并清理彈射通道。

② 彈射上升階段。

在彈射筒推力的作用下，座椅沿導(dǎo)軌向上運(yùn)動(dòng)，限腿帶將飛行員雙腿收回并固定在椅盆前沿[6]，同時(shí)啟動(dòng)自動(dòng)開(kāi)鎖器，使其進(jìn)入工作狀態(tài)，開(kāi)始計(jì)時(shí)。

③ 彈射離機(jī)階段。

遠(yuǎn)距點(diǎn)火機(jī)構(gòu)工作，在火箭包的推力作用下，推動(dòng)座椅繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)，離開(kāi)座艙。

在座椅離機(jī)后，穩(wěn)定減速傘張滿，飛行員和彈射座椅在穩(wěn)定減速傘的作用下，穩(wěn)定下降，一直到人-椅分離階段[6-7]。

對(duì)于雙座飛機(jī)，該階段由發(fā)散火箭使前后艙飛行員的彈射軌跡分別向左右發(fā)散，防止彈射軌跡出現(xiàn)交叉，本系統(tǒng)只針對(duì)單座飛機(jī)進(jìn)行彈射模擬訓(xùn)練。

④ 人-椅分離階段。

當(dāng)滿足人-椅分離條件后，自動(dòng)開(kāi)傘器激發(fā)人-椅分離系統(tǒng)的點(diǎn)火機(jī)構(gòu)，產(chǎn)生高溫燃?xì)?，釋放約束系統(tǒng)和穩(wěn)定傘，救生傘射傘槍射出救生傘，救生傘張滿，人、椅迅速分離，飛行員乘救生傘穩(wěn)定下降[6-7]。

⑤ 傘降和著陸階段。

人、椅分離后，飛行員乘救生傘穩(wěn)定下降并著陸[6-7]。

2 彈射救生模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的功能需求

彈射救生模擬訓(xùn)練系統(tǒng)利用AR技術(shù)對(duì)彈射救生座椅的工作過(guò)程進(jìn)行模擬，以完成過(guò)載適用性訓(xùn)練、彈射時(shí)機(jī)決斷能力訓(xùn)練、彈射救生模擬訓(xùn)練，同時(shí)還應(yīng)具有自動(dòng)評(píng)估和視頻監(jiān)控、回放功能。

2.1 過(guò)載適應(yīng)性訓(xùn)練

在彈射救生過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生14～15g的過(guò)載，在個(gè)別情況下，過(guò)載會(huì)達(dá)到20g，該加速度主要由脊柱和頸椎承受，是飛行員彈射時(shí)受傷的主要原因之一。

過(guò)載適應(yīng)性訓(xùn)練通過(guò)逐漸增加彈射載荷的方式，使飛行員體會(huì)彈射載荷對(duì)身體的影響；并通過(guò)模擬訓(xùn)練掌握正確的彈射操縱動(dòng)作、保持正確彈射姿勢(shì)以增強(qiáng)高過(guò)載適應(yīng)性，避免因彈射姿勢(shì)不正確而造成身體損傷；同時(shí)減少在彈射過(guò)程中飛行員上肢甩打的現(xiàn)象，防止造成意外的肢體傷害。

2.2 彈射時(shí)機(jī)決斷能力訓(xùn)練

在飛行過(guò)程中，當(dāng)出現(xiàn)必須彈射救生的特情時(shí)，留給飛行員的反應(yīng)時(shí)間非常短，稍有猶豫就會(huì)錯(cuò)過(guò)最佳彈射時(shí)機(jī)。當(dāng)飛機(jī)處于復(fù)雜飛行狀態(tài)或者不滿足彈射救生條件時(shí)，彈射成功概率會(huì)大幅降低。

彈射救生模擬訓(xùn)練系統(tǒng)通過(guò)設(shè)置影響飛行安全的特情進(jìn)行彈射時(shí)機(jī)決斷能力訓(xùn)練，訓(xùn)練飛行員準(zhǔn)確判斷是否需要進(jìn)行彈射，并及時(shí)定下彈射決心，生成把握最佳彈射時(shí)機(jī)的能力[1]，將影響彈射救生效果的要素，如飛行速度、飛行高度、坡度、迎角、滾轉(zhuǎn)角速度等控制在彈射救生裝置的救生包線范圍之內(nèi)[8-9]，提高彈射救生成功概率。

2.3 彈射救生模擬訓(xùn)練

由于彈射救生裝置的工作特性，長(zhǎng)期以來(lái)，相關(guān)教學(xué)內(nèi)容只能進(jìn)行理論講授，缺乏模擬訓(xùn)練教學(xué)環(huán)節(jié)，教學(xué)效果不理想。

通過(guò)彈射救生模擬訓(xùn)練，能夠幫助學(xué)員將理論知識(shí)和實(shí)踐應(yīng)用相結(jié)合，建立彈射救生工作過(guò)程的初步印象，從使用角度理解彈射救生裝置的工作原理、使用方法和注意事項(xiàng)[7]；積累彈射救生設(shè)備的實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，并在心理上樹(shù)立彈射救生的信心，減少對(duì)彈射救生不熟悉的恐懼心理。

2.4 自動(dòng)評(píng)估和視頻監(jiān)控、回放功能

自動(dòng)評(píng)估功能依據(jù)學(xué)員的操縱動(dòng)作和采集的相關(guān)信號(hào)，對(duì)彈射結(jié)果和在實(shí)際彈射救生中可能造成的損傷進(jìn)行自動(dòng)評(píng)估，作為彈射救生設(shè)備使用能力和訓(xùn)練考核成績(jī)的參考依據(jù)。

視頻監(jiān)控用于及時(shí)糾正飛行學(xué)員在訓(xùn)練過(guò)程中的不當(dāng)操作，防止學(xué)員在訓(xùn)練時(shí)受傷；回放功能將過(guò)載適用性訓(xùn)練、彈射時(shí)機(jī)決斷能力訓(xùn)練和彈射救生模擬訓(xùn)練情形在第三方顯示屏實(shí)時(shí)顯示并進(jìn)行記錄，供其他學(xué)員進(jìn)行觀摩。

3 彈射救生模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)

彈射救生模擬訓(xùn)練系統(tǒng)由軟件和硬件平臺(tái)組成，利用AR技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)彈射救生的模擬訓(xùn)練。彈射救生模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖2所示。

在進(jìn)行模擬訓(xùn)練時(shí)，學(xué)員依據(jù)VR眼鏡、仿真座艙、仿真座椅和彈射支架等硬件輸出的信息，作出相應(yīng)的操縱動(dòng)作，操縱動(dòng)作由位置跟蹤器和VR手套反饋給控制軟件，驅(qū)動(dòng)彈射座椅運(yùn)動(dòng)控制軟件和視景仿真軟件進(jìn)行信息更新，并傳輸給學(xué)員，從而達(dá)到彈射救生模擬訓(xùn)練的目的。

視景仿真軟件輸出的信息同步輸送到觀摩平臺(tái)供其他學(xué)員進(jìn)行觀摩。

教員端控制軟件將設(shè)置的訓(xùn)練課目和特情信息傳輸給主控軟件，同時(shí)接收座椅運(yùn)動(dòng)和視景信息，進(jìn)行安全監(jiān)控。

圖2 彈射救生模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

3.2 硬件設(shè)計(jì)

硬件平臺(tái)由彈射運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、沉浸式硬件設(shè)備和觀摩平臺(tái)組成。

(1) 彈射運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。

彈射運(yùn)動(dòng)平臺(tái)包括仿真座艙、仿真座椅和彈射支架。

仿真座艙是彈射系統(tǒng)的基礎(chǔ)構(gòu)件，用于安裝仿真座椅和彈射支架。

座艙內(nèi)還安裝有駕駛桿、腳蹬、油門(mén)和攝像頭，座艙后部安裝有冷氣存儲(chǔ)裝置，作為模擬彈射動(dòng)力源。

腳蹬、駕駛桿采用彈簧式操縱負(fù)荷系統(tǒng)，學(xué)員進(jìn)行操縱時(shí)，能夠產(chǎn)生和實(shí)際操縱力大小相當(dāng)?shù)鸟{駛桿力和腳蹬力。油門(mén)桿采用齒輪傳動(dòng)，模擬程度較高，如圖3所示。

圖3 駕駛桿、油門(mén)桿和腳蹬

駕駛桿、腳蹬和油門(mén)桿的操縱量采用高精度電位器進(jìn)行信號(hào)采集，信號(hào)經(jīng)高頻計(jì)算機(jī)處理后，解算成飛行參數(shù)，由視景仿真軟件更新仿真環(huán)境，并通過(guò)VR眼鏡呈現(xiàn)給受訓(xùn)學(xué)員。

仿真座椅如圖4所示，主體采用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼制作，椅面、頭枕部分采用7075鋁合金材質(zhì)制作，靠背采用玻璃鋼材質(zhì)制作，保證座椅強(qiáng)度的同時(shí)減輕座椅重量。

圖4 仿真座椅

仿真座椅是彈射運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的關(guān)鍵部件，包括彈射拉環(huán)、背帶系統(tǒng)、肩帶拉緊系統(tǒng)、綁腿帶、椅盆高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、頭臀傳感器和光電傳感器。

彈射拉環(huán)為彈射座椅上的實(shí)裝設(shè)備，使飛行員能夠很好地掌握拉環(huán)使用方法，體會(huì)拉環(huán)啟動(dòng)時(shí)的手感和力度等，如圖5所示。

圖5 彈射座椅關(guān)鍵部件

肩帶系統(tǒng)和綁腿帶為座椅上的實(shí)裝設(shè)備，目的是保證進(jìn)行模擬訓(xùn)練時(shí)飛行員穿戴動(dòng)作和實(shí)際穿戴動(dòng)作一致。

肩帶拉緊系統(tǒng)利用力矩電機(jī)實(shí)現(xiàn)彈射啟動(dòng)瞬間的拉緊動(dòng)作，以模擬真實(shí)效果，如圖5所示。肩帶拉緊系統(tǒng)將肩帶的一端和力矩電機(jī)軸連接，在彈射拉環(huán)啟動(dòng)瞬間，力矩電機(jī)動(dòng)作，將肩帶拉緊(此動(dòng)作約耗時(shí)0.5 s)，隨后彈射氣缸，實(shí)現(xiàn)彈射。肩帶拉緊系統(tǒng)的另一端設(shè)計(jì)有發(fā)條彈簧，實(shí)現(xiàn)肩帶自動(dòng)向后收縮。

椅盆高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過(guò)按鈕控制電動(dòng)直線推桿實(shí)現(xiàn)，推桿的型號(hào)為HD24-B100-0100-ELX-3-M-M-S，如圖5所示。電機(jī)可承載動(dòng)載荷10000 N，靜載荷18000 N，并且電機(jī)內(nèi)部設(shè)置有電磁剎車(chē)系統(tǒng)，調(diào)節(jié)到位之后，自動(dòng)剎車(chē)。

頭臀傳感器設(shè)置為三組，椅背兩組、頭枕一組，用于糾正飛行員啟動(dòng)彈射時(shí)的坐姿。彈射啟動(dòng)前，三組傳感器必須都有信號(hào)才可以啟動(dòng)彈射。

光電傳感器共有兩組，安裝在腳蹬和駕駛桿之間，用于糾正飛行員啟動(dòng)彈射時(shí)的腿部動(dòng)作。彈射啟動(dòng)前，飛行員下肢應(yīng)離開(kāi)此區(qū)域，否則彈射不啟動(dòng)。

彈射支架分為基座、吊裝支架和斜撐桿?；殖汕昂髢刹糠?，每部分由2根工字鋼主梁組裝而成；吊裝支架由高強(qiáng)度鋼組成“Π”形吊架；為提高彈射架的側(cè)向穩(wěn)定性,后基座設(shè)置了向外張開(kāi)的斜撐桿。

(2) 沉浸式硬件設(shè)備和觀摩平臺(tái)。

沉浸式硬件設(shè)備包括VR頭盔和VR手套。VR頭盔選用HTC VIVE 2.0，雙眼分辨率為2800像素×1600像素，刷新率90 Hz，視角110°，內(nèi)置陀螺儀、定位傳感器，追蹤精度0.1°；數(shù)據(jù)手套選用HTC Notiom Hi5,姿態(tài)更新180 Hz,內(nèi)置7顆9軸慣性傳感器和激光定位傳感器。

觀摩系統(tǒng)由4個(gè)電視組成，視頻信號(hào)來(lái)自視景仿真軟件和仿真座艙內(nèi)的攝像頭，由教員控制端控制輸出畫(huà)面，可輸出受訓(xùn)學(xué)員第一視角畫(huà)面，也可輸出第三視角畫(huà)面。

3.3 軟件設(shè)計(jì)

彈射救生模擬訓(xùn)練軟件系統(tǒng)包括主控程序、視景仿真軟件、教員控制端和彈射座椅運(yùn)動(dòng)控制程序，利用VC++和OpenGL開(kāi)發(fā)相應(yīng)的控制程序和視景系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)的工作流程如圖6所示。

過(guò)載適應(yīng)性訓(xùn)練工作流程:

① 系統(tǒng)啟動(dòng)，教員控制端設(shè)置訓(xùn)練課目為過(guò)載性適應(yīng)性訓(xùn)練；

② 檢測(cè)彈射啟動(dòng)信號(hào)、頭臀和光電傳感器信號(hào)；

③ 依據(jù)頭臀和光電傳感器信號(hào)判斷彈射姿勢(shì)是否規(guī)范，如果姿勢(shì)規(guī)范則轉(zhuǎn)④，否則不啟動(dòng)彈射，轉(zhuǎn)②；

④ 啟動(dòng)彈射，在冷氣驅(qū)動(dòng)下完成彈射上升運(yùn)動(dòng)；

⑤ 依據(jù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)完成訓(xùn)練結(jié)果評(píng)估；

⑥ 訓(xùn)練結(jié)束。

彈射救生模擬訓(xùn)練工作流程:

① 系統(tǒng)啟動(dòng)后，教員控制端設(shè)置訓(xùn)練課目為彈射救生模擬訓(xùn)練；

② 視景輸出,根據(jù)學(xué)員駕駛桿、腳蹬、油門(mén)桿操縱信號(hào)進(jìn)行視景更新；

③ 檢測(cè)特情信號(hào)，如果有特情信號(hào)，則轉(zhuǎn)④，否則轉(zhuǎn)②;

④ 依據(jù)特情現(xiàn)象和學(xué)員處置動(dòng)作進(jìn)行視景更新；

⑤ 檢測(cè)彈射啟動(dòng)信號(hào)、頭臀和光電傳感器信號(hào)；

⑥ 依據(jù)信號(hào)判斷彈射姿勢(shì)規(guī)范，如果姿勢(shì)規(guī)范則轉(zhuǎn)⑦，否則不啟動(dòng)彈射，轉(zhuǎn)⑧；

⑦ 啟動(dòng)彈射，完成彈射啟動(dòng)、彈射上升、彈射離機(jī)、人-椅分離、傘降著陸5個(gè)彈射階段過(guò)程；

圖6 模擬彈射救生軟件工作流程

⑧ 姿勢(shì)不規(guī)范，彈射不啟動(dòng),依據(jù)飛行狀態(tài)判斷飛機(jī)是否墜毀，如果是轉(zhuǎn)⑨，否則轉(zhuǎn)⑤；

⑨ 依據(jù)數(shù)據(jù)，對(duì)訓(xùn)練結(jié)果進(jìn)行評(píng)估；

⑩ 訓(xùn)練結(jié)束。

4 關(guān)鍵技術(shù)

彈射救生模擬系統(tǒng)的真實(shí)沉浸感主要取決于兩個(gè)關(guān)鍵因素，一是虛擬場(chǎng)景中通過(guò)視景切換形成的彈射軌跡，二是在彈射啟動(dòng)過(guò)程和救生傘打開(kāi)瞬間形成的動(dòng)載荷。

4.1 彈射過(guò)程中視景驅(qū)動(dòng)數(shù)學(xué)模型

由于彈射救生模擬裝置高度和場(chǎng)地大小有限，限制了彈射運(yùn)動(dòng)軌跡的真實(shí)實(shí)現(xiàn)。利用彈射座椅運(yùn)動(dòng)軌跡方程驅(qū)動(dòng)視景切換，能夠利用很小的運(yùn)動(dòng)幅度和空間實(shí)現(xiàn)飛行員對(duì)彈射軌跡的感知，而且在實(shí)際彈射救生過(guò)程中，飛行員也是通過(guò)視景變化來(lái)獲得對(duì)彈射軌跡的感知。

4.1.1 坐標(biāo)系確定和基本假設(shè)

在彈射救生過(guò)程中，在人-椅分離前，可將飛行員和座椅視為一個(gè)系統(tǒng)，因此，以彈射啟動(dòng)時(shí)的人-椅重心為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系[13]，如圖7所示。Y軸垂直于地面，向上為正方向，X軸垂直于Y軸，向前為正方向，Z軸垂直于平面XOY，向右為正方向[9]，圖中ωx、ωy、ωz表示人-椅系統(tǒng)繞X、Y、Z軸的角速度。

圖7 彈射座椅運(yùn)動(dòng)軌跡坐標(biāo)系

彈射救生的運(yùn)動(dòng)過(guò)程非常復(fù)雜，而且受到的干擾因素很多，為簡(jiǎn)化視景驅(qū)動(dòng)模型，做出如下假設(shè)。

① 因彈射離機(jī)時(shí)間非常短，彈射救生啟動(dòng)后，飛機(jī)的飛行速度和飛行狀態(tài)不發(fā)生變化；

② 重力加速度為常量；

③ 忽略風(fēng)速對(duì)彈射軌跡的影響；

④ 人-椅質(zhì)量分布左右對(duì)稱。

⑤ 飛行員視點(diǎn)的位置和人-椅重心重合(兩者相差約為40～50 cm，和實(shí)際彈射高度相比可忽略不計(jì))。

4.1.2 彈射各階段的視景驅(qū)動(dòng)數(shù)學(xué)模型

在彈射準(zhǔn)備和啟動(dòng)階段，人-椅系統(tǒng)隨飛機(jī)一起運(yùn)動(dòng)；同時(shí)人-椅分離階段時(shí)間較短，傘降著陸階段在假設(shè)條件下近似于勻速下降，因此僅需要對(duì)彈射上升階段和彈射離機(jī)階段進(jìn)行研究并建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。

(1) 彈射上升階段的數(shù)學(xué)模型。

在彈射上升階段，人-椅系統(tǒng)被導(dǎo)軌約束，在彈射筒的推力作用下沿著導(dǎo)軌作直線加速運(yùn)動(dòng)[10]，由此可得：

Fω=[vxtdtvytdtvztdt]T
=[vxtdt(nt-cosφcos?)g0]T

(1)

式中,Fω為人-椅系統(tǒng)所受的重力、彈射筒推力的合力；vxt、vyt、vzt分別為彈射時(shí)彈射座椅沿著X、Y、Z坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)速度，其中vxt、vzt和彈射時(shí)飛行狀態(tài)相關(guān)；nt為彈射過(guò)載。

(2) 彈射離機(jī)階段的數(shù)學(xué)模型。

人-椅在火箭包的推力作用下，繼續(xù)上升，然后穩(wěn)定傘張滿，開(kāi)始減速下降。在該階段，人-椅系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)分為剛體運(yùn)動(dòng)和剛體轉(zhuǎn)動(dòng)[11-12]。

人-椅系統(tǒng)重心的動(dòng)力學(xué)方程為[11]

(2)

前文已假設(shè)人-椅系統(tǒng)對(duì)稱，則人-椅系統(tǒng)繞重心旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力學(xué)方程為[11]

(3)

人-椅系統(tǒng)受到的力主要有氣動(dòng)力、火箭包推力、重力和各種力所產(chǎn)的力矩，當(dāng)穩(wěn)定傘張滿后，還需要考慮穩(wěn)定傘所產(chǎn)生的力和力矩，則有[11]：

(4)

將式(2)～式(4)聯(lián)立求解，即可得出彈射離機(jī)階段的運(yùn)動(dòng)軌跡。式中，m為人-椅系統(tǒng)重量；ω為人-椅系統(tǒng)的角速度；F為人-椅系統(tǒng)所受的力；M為人-椅系統(tǒng)所受的力矩；I為人-椅系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；?、φ、φ分別為座椅的俯仰角、偏航角和滾轉(zhuǎn)角。

根據(jù)龍格-庫(kù)塔法計(jì)算公式對(duì)各數(shù)學(xué)模型求解，即可得到彈射過(guò)程中人-椅系統(tǒng)的姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)軌跡。

4.2 彈射動(dòng)載荷數(shù)學(xué)模型

為提高系統(tǒng)的沉浸感，彈射救生模擬訓(xùn)練系統(tǒng)依據(jù)動(dòng)載荷數(shù)學(xué)模型驅(qū)動(dòng)硬件裝置產(chǎn)生一定的載荷。動(dòng)載荷主要在彈射啟動(dòng)過(guò)程和救生傘打開(kāi)過(guò)程中產(chǎn)生。在彈射啟動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的動(dòng)載荷基本固定，所以僅需要對(duì)救生傘打開(kāi)過(guò)程的動(dòng)載荷進(jìn)行研究。

開(kāi)傘動(dòng)載荷取決于開(kāi)傘作用力和飛行員質(zhì)量[14-15]。

(5)

開(kāi)傘力取決于救生傘、飛行員、救生傘空氣附加質(zhì)量、飛行員-救生傘運(yùn)動(dòng)速度和飛行員-救生傘運(yùn)動(dòng)軌跡與水平面的夾角[6]。

(6)

式中,Fk為開(kāi)傘作用力；ms為救生傘的質(zhì)量；mq為飛行員的質(zhì)量；mq為救生傘空氣附加質(zhì)量；Qs為救生傘啟動(dòng)阻力；θ為人-傘運(yùn)動(dòng)軌跡和水平面的夾角。

5 系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)和使用評(píng)價(jià)

5.1 系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)

① 某型座椅在飛機(jī)平飛狀態(tài)，飛行高度500 m，飛行速度450 km/h時(shí)進(jìn)行模擬彈射訓(xùn)練，依據(jù)系統(tǒng)輸出的人-椅運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)文本數(shù)據(jù)繪制彈射軌跡曲線，和工廠試驗(yàn)曲線進(jìn)行比較，如圖8所示。

圖8 視景系統(tǒng)中彈射運(yùn)動(dòng)軌跡

由圖8可以看出，依據(jù)系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)繪制的曲線和試驗(yàn)曲線[6]相比，變化趨勢(shì)基本相同，但是相對(duì)向右、向上平移，即彈射后，人-椅系統(tǒng)在水平方向和垂直方向上的位移量偏大，主要是由為簡(jiǎn)化視景驅(qū)動(dòng)模型而設(shè)定的假設(shè)條件所致；并且在實(shí)際試驗(yàn)中，由于干擾因素隨時(shí)都會(huì)發(fā)生變化，每次座椅彈射試驗(yàn)獲得的彈射軌跡曲線本身也存在著一定的差異，所以系統(tǒng)通過(guò)視景驅(qū)動(dòng)獲得的彈射軌跡曲線能夠滿足彈射救生模擬訓(xùn)練需求。

② 在人-傘連接部件處安裝傳感器，測(cè)量飛機(jī)在平飛狀態(tài)，飛行高度500 m時(shí)，某型彈射座椅在不同速度下模擬彈射時(shí)所產(chǎn)生的開(kāi)傘動(dòng)載荷，并與工廠數(shù)值進(jìn)行比較，如表1所示。

表1 某型座椅部分開(kāi)傘動(dòng)載荷仿真數(shù)據(jù)

由表1可知，除在飛行速度為650 km/h時(shí)，系統(tǒng)的開(kāi)傘動(dòng)載荷大于實(shí)際試驗(yàn)值，其余情形都在實(shí)際實(shí)驗(yàn)值范圍內(nèi)。原因在于飛行速度為450～800 km/h時(shí)，彈射座椅救生傘開(kāi)傘延遲時(shí)間隨速度發(fā)生變化，無(wú)法準(zhǔn)確估算，為簡(jiǎn)化軟件，開(kāi)傘延遲時(shí)間按照斜率進(jìn)行估算，但是開(kāi)傘動(dòng)載荷誤差在10%以內(nèi)，能夠滿足系統(tǒng)使用需求。

5.2 使用評(píng)價(jià)

試用結(jié)果表明，該設(shè)備仿真度高，基本上還原了彈射救生裝置工作過(guò)程，具有良好的彈射載荷體驗(yàn)；通過(guò)訓(xùn)練，糾正了飛行員使用設(shè)備的錯(cuò)誤操縱動(dòng)作和認(rèn)知，提高了其對(duì)彈射救生時(shí)機(jī)的把握，實(shí)用性較高。

6 結(jié)束語(yǔ)

基于AR技術(shù)的彈射救生模擬系統(tǒng)能夠最大限度地還原彈射救生操作和彈射救生過(guò)程，在虛擬環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了交互式彈射救生模擬訓(xùn)練，能夠使飛行員把握準(zhǔn)確的彈射時(shí)機(jī)，掌握正確的彈射操作動(dòng)作，并在虛擬彈射救生場(chǎng)景中形成對(duì)彈射救生過(guò)程的運(yùn)動(dòng)感知，滿足了彈射救生裝置的教學(xué)訓(xùn)練需求。目前，系統(tǒng)雖然能夠較好地還原在平飛狀態(tài)下的彈射救生，但是還需要對(duì)救生傘張開(kāi)數(shù)學(xué)模型、開(kāi)傘延遲時(shí)間和復(fù)雜飛行狀態(tài)下的彈射救生模擬等問(wèn)題進(jìn)行研究，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的沉浸感和適用性。