复杂自然环境下的模拟训练仿真系统

技术领域

本发明涉及仿真模拟训练技术领域，具体是一种复杂自然环境下的模拟训练仿真系统，适用于飞行模拟训练领域。

背景技术

飞行模拟训练一般用于针对于飞行员的地面针对性训练系统，目的在于强化和补充飞行员在空中的实操训练，在通常情况下，飞行模拟机常常由仿真计算机、模拟模块、运动模块和仿真总控台等组成，其中最常见的模拟模块包括模拟座舱、音响系统和视景系统。

在现有技术中，视景系统的硬件部分常常仅使用外显示屏进行模拟训练，此方式虽然对普通环境的模拟仿真足够逼真，但对于较为复杂的自然环境仿真依然与实际状况有所出入，导致驾驶员容易陷入训练和实操不匹配、难以适应的境况中。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复杂自然环境下的模拟训练仿真系统，旨在采用真实的环境模拟来进行训练，从而进一步的消除现实和虚拟环境之间的差别，提高训练的效果与质量。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种复杂自然环境下的模拟训练仿真系统，所述模拟训练仿真系统包括控制系统、运动模块、模拟模块，所述控制系统分别与运动模块、模拟模块电性连接并控制运动模块、模拟模块的运行，其中：

所述运动模块，包括座舱以及设置在座舱下方的运动平台，构成飞行模拟训练的训练平台，供飞行员在所述座舱内操作产生运动信号，所述运动平台通过传感器识别改变所述座舱的当前姿态；

所述控制系统，用于接收运动控制信号，并处理生成对应由运动模块执行的运动指令、由模拟模块执行的声音指令、画面指令以及环境指令，其中，所述运动指令反馈给所述运动模块使所述运动平台做出相应的运动；

所述模拟模块，包括声音组件和视景组件，所述视景组件包括显示屏和辅拟部件：

-所述显示屏，设置在座舱前方，用来接收所述画面指令并输出画面；

-所述辅拟部件，用来接收所述环境指令，并完成与输出画面具有同步性的气象模拟；

并且，所述声音组件接收所述声音指令，并完成与气象模拟具有同步性的声音输出。

进一步，所述运动平台和座舱设置在底台端面上，所述底台固定连接在地面上，所述座舱顶部设置有与底台闭合的封闭罩，所述封闭罩采用不透光材料，所述座舱上端覆盖有舱盖。由此，飞行训练人员进入座舱后，可通过透明的舱盖目视显示屏，例如拼接式LED显示屏，由于封闭罩和底台闭合形成封闭的环境，因此除透气外无法进入过多光线，且采用不透光材料的封闭罩，有利于模拟夜间环境。

进一步，所述控制系统包括：

计算机系统，用于实时采集各模块信息数据和信息交互；

用于控制各设备运行的第一继电器组、第二继电器组、第三继电器组，所述第一继电器组、第二继电器组、第三继电器组与计算机系统连接，并由所述计算机系统控制，继电器组用来控制模拟所需硬件的启停运行状态。

进一步，所述辅拟部件包括喷口和喷嘴；

所述喷口设置在显示屏的上方，与第一继电器组电连接；

所述喷嘴设置在舱盖前方，与底台固定连接，所述喷嘴与第二继电器组电连接。

所述喷口和喷嘴通常情况下是关闭状态，即保持常闭状态，例如通过电磁阀或者其他封闭机构。

所述辅拟部件响应于环境指令，根据指令内容由所述第一继电器组和第二继电器组的通断来控制喷口和喷嘴的开启，喷射液滴，作用于显示屏前方区域，用于液态环境模拟。

应当理解，在本发明的实施例中使用的模拟液可采用去离子水，以减少对仿真系统硬件的影响。

进一步，所述底台内开设有腔室，所述腔室内设置有模拟液，即去离子水；

所述腔室与喷口之间连通设置有管道组、设置在管道组和腔室之间的第二抽吸泵和设置在管道组管道内的抽吸叶轮和分隔套；

其中所述第二抽吸泵将模拟液从腔室输送至喷口，所述第一继电器组与第二抽吸泵和抽吸叶轮电连接，用于控制其运行。

进一步，所述分隔套中部设有缺口，所述缺口处设有网格。

尤其在优选的实施例中，所述分隔套和网格均为弹性材质，所述网格孔的大小与模拟液通过的速度大小呈正相关，从而进一步影响了输出模拟液的形态和/速率，所述分隔套固定在管道组管道内壁。

进一步，所述腔室与喷嘴间设置有喷管，所述喷管与腔室之间设置有第一抽吸泵，第一抽吸泵可以将模拟液从腔室输送至喷嘴，所述第一抽吸泵与第二继电器组电连接。

进一步，所述辅拟部件还包括设置在喷管上的超声波雾化器，所述第三继电器组与超声波雾化器电连接，所述超声波雾化器响应于环境指令，由第三继电器组控制启停，通过超声波雾化液体，作用于显示屏的前方区域，用于舱盖上方的雾状环境模拟。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

相对于传统的纯显示屏模拟的方式，本发明使用了显示屏和辅拟部件，可模拟夜间多种复杂低空气象条件，不同等级的雨、雨雾、遮挡物等多种液态和雾态相结合的复杂自然环境用于训练，从而解决了训练驾驶人员改训练和实操不匹配、难以适应的境况的问题，通过更为真实的复杂环境模拟来进行训练，从而进一步的消除现实和虚拟环境之间的差别，提高了训练的效果和质量。

附图说明

图1为本发明示例性实施例的复杂自然环境下的模拟训练仿真系统的组成示意图。

图2为本发明实施例的复杂自然环境下的模拟训练仿真系统的外部结构示意图。

图3是图2的底部结构示意图。

图4是图2的内部结构示意图。

图5是图2中喷嘴整体结构示意图。

图6是图2中显示屏的俯视透视图。

图7是图2中管道组的结构示意图。

图8是图2中底台的腔室的侧面透视图。

图9是图2中管道的透视图。

图10是图9中网格的结构示意图。

图11为本发明复杂自然环境下的模拟训练仿真系统的仿真控制系统控制逻辑图。

图中各个附图标记的含义如下：

1、底台；2、舱盖；3、显示屏；4、喷口；5、管道组；6、腔室；7、封闭罩；8、透明外壳；9、漏缝；10、漏孔；11、排水通道；12、开合门；13、喷嘴；14、喷管；15、第一抽吸泵；16风扇；17、超声波雾化器；18、导板；19、管道；20、汇集壳；21、第二抽吸泵；22、抽吸叶轮；23、分隔套；24、网格。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1～11所示实施例的复杂自然环境下的模拟训练仿真系统，适用于飞行驾驶仿真训练模拟，飞行训练人员进入座舱进行操作并生成运动信号，传输至计算机系统中处理生成运动指令、声音指令、画面指令、环境指令并输出，接收到运动指令的运动平台产生相对应的运动。其中，接收到画面指令的显示屏3输出计算机系统图像数据库中的图像，接收到环境指令的辅拟部件通过继电器组控制喷口4、喷嘴13、超声波雾化器17进行环境模拟，接收到声音指令的音响输出同步的画面音和环境音。

计算机系统根据运动信号的不同处理相对应运动指令、声音指令、画面指令、环境指令同步输出，提供模拟训练的稳定性真实性，辅拟部件的模式转换使其系统能够完成不同等级的雨、雨雾、遮挡物等多种液态和雾态相结合复杂自然环境的模拟。

结合图1所示，控制系统分别与运动模块、模拟模块电性连接并控制运动模块、模拟模块的运行。

运动模块，包括座舱以及设置在座舱下方的运动平台，构成飞行模拟训练的训练平台，供飞行员在所述座舱内操作产生运动信号，所述运动平台通过传感器识别改变所述座舱的当前姿态。

控制系统，用于接收运动控制信号，并处理生成对应由运动模块执行的运动指令、由模拟模块执行的声音指令、画面指令以及环境指令，其中，所述运动指令反馈给所述运动模块使所述运动平台做出相应的运动。

模拟模块，包括声音组件和视景组件，所述视景组件包括显示屏和辅拟部件：

-所述显示屏，设置在座舱前方，用来接收所述画面指令并输出画面；

-所述辅拟部件，用来接收所述环境指令，并完成与输出画面具有同步性的气象模拟。

所述声音组件接收所述声音指令，并完成与气象模拟具有同步性的声音输出。

结合图示2-3、图11所示，运动平台和座舱设置在底台1端面上，底台1固定连接在地面上。

座舱顶部设置有与底台1闭合的封闭罩7，座舱上端覆盖有舱盖2，封闭罩7采用不透光材料。

控制系统包括计算机系统，用于实时采集各模块信息数据和信息交互，还包括用于控制各设备运行的第一继电器组、第二继电器组、第三继电器组，第一继电器组、第二继电器组、第三继电器组与计算机系统连接。其中，在座舱内安装有各种的模拟设备，用于模拟飞行的要素和操作，仅仅提供数据、硬件模拟，不涉及动作变换等。

在可行的实施例中，运动平台和座舱设置在底台1端面上，底台1固定连接在地面上，座舱顶部设置有与底台1闭合的封闭罩7，座舱上端覆盖有舱盖2，封闭罩7采用不透光材料。

结合图1-4所示的示例，底台1用于容纳模拟部件，在安装时与地面固定连接使其能够更好地维持整体稳定，其安装的固定方式通常采用地基工程进行固定。

底台1靠近座舱的一端开设有直通座舱的开口，开口内安装有开合门12，开合门12内有通道可通过直达座舱，开合门12方便了操作人员进入至座舱的内部，其中舱盖2是不可开启的密封状态。

进一步的实施例中，底台1设置成阶梯状，座舱设置于底台1阶梯状的上层用于进行飞行模拟。

在底台1的端面上设有多个漏缝9和漏孔10用于对喷出的液体进行回收，以便于进行循环的重复利用，且方便清理。

漏缝9与腔室6连通设置，使回收的液体可直接回流到腔室6的内部。漏缝9和漏孔10间隙处设有多个排水通道11，多个漏孔10与多个排水通道11连通设置，多个漏孔10与多个排水通道11连通设置，用于汇集上层的液体，以免其过度堆积或者通过底台1的阶梯状行成雨瀑，从而使得此系统更加高效。

应当理解的是，在本发明的实施例中，上述通过将底台1设置成阶梯状来实现模拟液循环使用并不唯一，也可以将底台1顶端面设置成锥状，且在其端面最低处上开设连通至腔室6的开口来实现，只要通过高度差来实现模拟液循环使用的方法皆可。

如图6所示的示例，显示屏3设置成弯曲弧形形状，尤其是采用拼接式的LED屏。显示屏3的外部密封设置有一套透明外壳8，显示屏3的横向具有弯曲弧形，其弯曲方向朝向舱盖2，使其画面更符合真实场景，使得模拟训练达到更好的现实状态。

通过透明外壳8的使用，可以对其进行较好的遮挡，防止液体进入而损坏显示屏3。

在可行的实施例中，控制系统包括：计算机系统，用于实时采集各模块信息数据和信息交互；以及，用于控制各设备运行的第一继电器组、第二继电器组、第三继电器组。第一继电器组、第二继电器组、第三继电器组与计算机系统连接，计算机系统通过对数据采集、分析和输出，来确保模拟模块与运动模块的一致性。

计算机系统主要由图像处理计算机、图像数据库、图像生成设备等组成，可采用现有的仿真模拟系统中的配置和实现方式。当飞行训练人员进入到座舱内进行操作时，其操作信号经计算处理，向图像处理计算机发送有关飞行位置、姿态等信息，待图像处理计算机将这些信息进行处理后，从图像数据库取出有关的图像信息，经图像生成设备，发送至显示屏3形成实时变化的图像，使飞行训练人员从屏幕上观察到飞行中的景象，计算机则实时采集飞行员的各种操纵信息和教员的各种控制指令信息，例如，按飞机、发动机、各种机载系统变化规律计算各种参数，再发送至仪表盘、视景、运动、音响……等各个位置和模组，使飞行员从视觉、听觉、触觉等多方面感受到“飞机”飞行的情况。

在可选的实施例中，控制系统还包括控制总台系统，与计算机系统产生数据交互，对训练过程进行监控，不但能及时显示飞机飞行的各种参数高度、速度、航向、姿态等,飞机飞行的轨迹,而且还能设置各种飞行条件，下达飞行指令。

在可行实施例中，结合图2-5所示，辅拟部件包括喷口4和喷嘴13。喷口4设置在显示屏3的上方，与第一继电器组电连接。喷嘴13设置在舱盖2前方，且与底台1固定连接，喷嘴13与第二继电器组电连接。

喷口4和喷嘴13通常情况下是关闭状态，辅拟部件响应于环境指令，根据指令内容由第一继电器组和第二继电器组控制喷口4和喷嘴13的开启，喷出液滴状液体，作用于整个显示屏3前方位置，实现液态相关环境模拟。

结合图示，底台1内开设有腔室6，腔室6内设置有模拟液，例如去离子水，腔室6与喷口4之间连通设置有管道组5、设置在管道组5和腔室6之间的第二抽吸泵21和设置在管道组5管道内的抽吸叶轮22和分隔套23。

由此，通过第二抽吸泵21的运行，能够将模拟液从腔室6输送至喷口4。

第一继电器组与第二抽吸泵21和抽吸叶轮22电连接，用于控制抽吸叶轮22的运行。

管道组5设置有一根以上的管道19，且在管道19底端连通连接有汇集壳20，汇集壳20与腔室6连通连接，且第二抽吸泵21设置在汇集壳20与腔室6之间，使得模拟液可以被抽取到汇集壳20内再分散至各个管道19内最后由喷口4喷出。

结合图2-11所示的示例，在本发明的实施例中，设置有4根管道19，汇集壳20设置于底台1内部，喷口4呈长条状且中间安装有导板18，导板18倾斜朝向舱盖2设置，导板18来形成分散的雨滴，使其模拟更加逼真，而倾斜朝向舱盖2设置的针对性更强，使其更好地服务于对飞行员的训练。

作为可选的实施例，喷嘴13顶端设置有朝向舱盖2的弧度，其宽度设置与舱盖相仿，使其针对性更强，能够直接作用于舱盖2上，从而扰乱座舱内飞行员的视野。

如果与喷口4的模拟效果叠加，可完成暴雨环境模拟，第一继电器组与第二抽吸泵21和抽吸叶轮22电连接，在可行实施例中通过第一继电器组控制第二抽吸泵21和抽吸叶轮22的启停，由控制系统下达的模拟天气信号，例如想要模拟雨天，就由计算机系统给出对应的控制信号输出，使COM端口与NO1连接，即打开第二抽吸泵21和抽吸叶轮22，继电器控制硬件启停的具体实现方式属于现有技术不过多赘述。

由此，打开第二抽吸泵21和抽吸叶轮22后，模拟液从腔室6至喷口4喷出，在封闭罩7内形成下雨环境，其中抽吸叶轮22通过自身运行状态的不同来控制喷口4出液速度，进而形成不同形态的液态环境。

在可选的实施例中，抽吸叶轮22自身结构及其配套的抽吸结构，可采用现有商用叶轮机实现，不再赘述表达，而在第二抽吸泵21未启动，仅开启抽吸叶轮22时会形成风从喷口4吹出，其中其风的等级设定与抽吸叶轮22速率呈正相关，配合喷嘴13喷出的模拟液会在舱盖上会呈现于风雨环境模拟。

在可选的实施例中，计算机系统可被设置成以普通模式控制模拟下雨环境；

控制开启第二抽吸泵21和吸叶轮22，第二抽吸泵21从腔室6吸取模拟液运输至汇集壳20和管道19内，再由抽吸叶轮22形成对应气流将部分模拟液带至喷口4喷出，最后通过设置的导板18引流形成分散的雨滴，完成下雨环境模拟，此处还可进行吸叶轮22速度大小设置，实现对喷洒速度和/或形态(大小)的变化，使其模拟小雨、中雨、大雨环境。

在可行实施例中，分隔套23中部设有缺口，缺口处设有网格24，分隔套23和网格24均为弹性材质，网格24孔的大小与模拟液通过的速度大小呈正相关，从而进一步控制和调节输出模拟液的形态大小和/或速率。

结合图9、10所示的示例，每根管道19内固定设置有多个分隔套23，分隔套23的直径大小从底部朝向顶部递减呈半球状，且网格24和分割套23的弹性系数相仿，抽吸叶轮22的转速越大形成的抽吸力越大，从网格24孔中输出的模拟液滴体积越大，从而模拟出不同等级的雨天，创造出不同难度的模拟驾驶环境。

在可行实施例中，腔室6与喷嘴13间设置有喷管14，喷管14与腔室6之间设置有第一抽吸泵15，第一抽吸泵15可以将模拟液从腔室6输送至喷嘴13，第一抽吸泵15与第二继电器组电连接，由控制系统下达模拟控制信号，例如暴雨，第二继电器组控制第一抽吸泵15从腔室6内吸取模拟液运输至喷管14内，通过喷嘴13喷出，该点状液体将直接喷洒至舱盖2前端配合喷口4喷出的雨滴，完成暴雨效果模拟。

结合2-11所示的示例，所述喷管14均嵌合于底台1内，喷嘴13内设置有风扇16，风扇16给模拟液提供风力使其拥有更快的速度通过喷嘴13喷出，更加还原暴雨时场景，风扇16与第二继电器组电连接，由第二继电器组控制其启停。

例如，计算机系统可被设置成以加强模式控制模式风雨环境：在上述普通模式的基础上，控制开启第一抽吸泵15和风扇16，第一抽吸泵15从腔室6内吸取模拟液运输至喷管14内，再由风扇16给液体提供风力使其通过喷嘴13喷出，该点状液体将直接喷洒至舱盖2前端配合喷口4喷出的雨滴，完成暴雨效果模拟，此处还可仅开启风扇16输出风力，配合普通模式模拟风雨环境。

在可行实施例中，辅拟部件还包括设置在喷管14上的超声波雾化器17，第三继电器组与超声波雾化器17电连接，超声波雾化器17响应于环境指令，由第三继电器组控制启停，进行作用于舱盖2上方的雾态相关环境模拟，由控制系统下达模拟信号，例如雨雾，具体雨雾模式实现方式：在上述加强模式的基础上，进一步控制开启超声波雾化器17，使其对抽吸至喷管14内的液体进行雾化，然后雾气再通过风扇16从喷嘴13排出进而在舱盖2上形成持续的雾气，完成雨云雾气效果模拟，此处还可以仅设置开启第一抽吸泵15、风扇16、超声波雾化器17完成雾天环境模拟，雾气浓郁程度取决于开启时间长短。

结合2-11所示的示例，超声波雾化器17设置在靠近喷嘴13处，用于将模拟液雾化进而形成不同形态的雾态环境，直接作用于舱盖2上，用于形成对飞行员驾驶视野的干扰。

应当理解，在本发明的前述实施例中，以列举方式表示了普通模式、增强模式以及雨雾模式的实现过程，利用本发明提出的复杂环境下的模拟训练仿真系统可以有不限于这三种模式的环境模拟，实际根据操作人员的需求进行模拟。

在可行实施例中，座舱内还设置有传感器组，用于检测封闭罩7内环境雨水密度和气体密度，以上三种模式开启一段时间后使得雨水密度和气体密度高于设定值，便由控制系统控制第一继电器组、第二继电器组、第三继电器组将第一抽吸泵、第二抽吸泵、抽吸叶轮、风扇、超声波雾化器等关闭，避免模拟环境过于恶劣导致训练无法继续的情况发生，如图11中红色线路表示上述普通模式，蓝色线路表示上述加强模式，黄色线路表示雨雾模式。

工作原理：飞行员通过底台1进入座舱，就位后座舱封闭开启模拟训练，教员在控制系统开启监控，对将要进行的模拟的环境进行参数设置，飞行员在座舱内进行操作产生运动信号，再由计算机系统处理生成运动指令、声音指令、画面指令、环境指令，并向各部分相关处理计算机输送指令，运动平台发生与操作匹配的运动来带动座舱运动，显示屏3成像，音响输出飞行和环境音效，对封闭罩7内的灯光进行操作来模拟白天和黑天，根据具体需要模拟的环境输送指令至第一继电器组、第二继电器组、第三继电器组来控制第一抽吸泵、第二抽吸泵、抽吸叶轮、风扇、超声波雾化器等设备的启停，与此同时传感器组开始监控直至训练结束，训练时各参数例如参数高度、速度、航向、姿态、飞行轨迹等数据通过计算机汇总输送至控制系统。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。

本发明前述各个实施例是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。