CN111899598A - 一种2dof飞行模拟器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种2DOF飞行模拟器及其控制方法，飞行模拟器包括支架、模拟器驾驶舱，第一承载元件，其能够围绕第一旋转轴线相对于支架旋转地设置；第二承载元件，其能够围绕第二旋转轴线相对于第一承载元件旋转地设置，所述第一旋转轴线与第二旋转轴线彼此大致正交地布置；第三承载元件，其能够围绕第三旋转轴线相对于第二承载元件旋转地设置，其中，所述第三旋转轴线与第二旋转轴线彼此大致正交地布置，所述第三承载元件包括模拟器驾驶舱；所述模拟器驾驶舱在初始位置时：所述第三旋转轴线与第一旋转轴线重合，且所述第一旋转轴线、第二旋转轴线、虚拟的垂直方向轴线三者彼此正交地布置。本申请，可以实现对飞行模拟器飞行姿态控制的精确模拟。

Description

一种2DOF飞行模拟器及其控制方法

技术领域

本发明涉及飞行模拟器技术领域，特别涉及一种2DOF飞行模拟器及其控制方法。

背景技术

现有的飞行模拟器的结构，如已知的CN201210297245.6所披露：多轴飞行模拟器，包括嵌套连接的外环、中心环、内环，外环固定设置在底座，外环、中心环、内环分别通过独立的伺服电机驱动，中心环向内连接模拟器驾驶舱。通过采用三组旋转轴正交嵌套的连接方式实现三维旋转，该结构与陀螺仪结构类似，结构原理图如图1所示。

现有的飞行模拟器存在如下问题：对最内层驾驶舱的被控物而言，其旋转轴为绝对静止坐标系，而不是被控物自身的坐标系，由其结构复杂度和原理决定了其无法使用内藏坐标系。这就导致三个轴向的旋转并不完全独立，当旋转顺序不同时，会得到不同的旋转效果，而这结果往往并不符合实际需求。

以图1为例，当环2绕轴2旋转时，飞行器完成俯仰动作，此时环1绕轴1旋转，飞行器完成左右（以机身为轴）转向操作，该运动情况符合实际运动状态；若顺序颠倒时，即当环1绕轴1旋转一定角度后，再控制环2绕轴2旋转，此时飞行器将无法实现俯仰操作（此时机身旋转轨迹为一个锥形）。举个极端例子，当环1旋转90度使轴1和轴2平行时，此时转动轴2将控制飞行器完成侧翻操作而不是俯仰。此时飞行器的旋转控制逻辑与原设计将大有出入，因此该结构使用时有很大的限制。内舱转过一定角度后，坐标系之间就有了偏差，不复位则达不到想要的控制效果。每一个维度的旋转完成后需要复位才能实现另一个维度的旋转，否则其得到的结果将是错误的。这是现有飞行模拟器的结构设计本身导致的缺陷。

因此，现有技术并不能实现对飞行模拟器飞行姿态控制的精确模拟。

发明内容

为了解决以上问题，本发明提供了一种飞行模拟器2DOF驾驶舱，

包括支架、模拟器驾驶舱，以及，

第一承载元件，其能够围绕第一旋转轴线相对于支架旋转地设置；

第二承载元件，其能够围绕第二旋转轴线相对于第一承载元件旋转地设置，其中，所述第一旋转轴线与第二旋转轴线彼此大致正交地布置；

其特征在于，还包括第三承载元件，其能够围绕第三旋转轴线相对于第二承载元件旋转地设置，其中，所述第三旋转轴线与第二旋转轴线彼此大致正交地布置，所述第三承载元件包括模拟器驾驶舱；

所述模拟器驾驶舱在初始位置时：所述第三旋转轴线与第一旋转轴线重合，且所述第一旋转轴线、第二旋转轴线、和一虚拟的垂直方向轴线三者彼此正交地布置。

进一步的，所述2DOF飞行模拟器还设置有用于驱动第一承载元件、第二承载元件、和第三承载元件围绕其相应的旋转轴线旋转的至少一个驱动器。

进一步的，所述2DOF飞行模拟器还包括至少一个控制单元，所述驱动器能够由控制单元控制；所述模拟器驾驶舱设置有用于对控制单元产生影响的至少一个输入单元。

进一步的，所述模拟器驾驶舱设置有用于至少一个人的保持装置；所述模拟器驾驶舱为中空的壳体，且具有用于所述人进出的开口。

进一步的，所述第一承载元件，在以模拟器驾驶舱为中心对称分布的两个部位处，能够围绕第一旋转轴线旋转地与所述支架相连接；

所述第二承载元件，在以模拟器驾驶舱为中心对称分布的两个部位处，能够围绕第二旋转轴线旋转地与所述第一承载元件相连接；

所述第三承载元件，在以模拟器驾驶舱为中心对称分布的两个部位处，能够围绕第三旋转轴线旋转地与所述第二承载元件相连接。

进一步的，所述第一旋转轴线、第二旋转轴线、和第三旋转轴线三者伸延相交于一点。

进一步的，所述第一旋转轴线为模拟器驾驶舱的第一俯仰轴线，所述第三旋转轴线为模拟器驾驶舱的第二俯仰轴线；所述第二旋转轴线为模拟器驾驶舱的侧翻轴线。

进一步的，所述第二旋转轴线为模拟器驾驶舱的俯仰轴线，所述第一旋转轴线为模拟器驾驶舱的第一侧翻轴线，所述第三旋转轴线为模拟器驾驶舱的第二侧翻轴线。

本发明还提供了一种2DOF飞行模拟器的控制方法，所述控制方法包括，

在模拟器驾驶舱需要先进行俯仰、再进行侧翻时：控制第一承载元件在第一时间段围绕第一旋转轴线旋转，使模拟器驾驶舱完成仰俯；再控制第二承载元件在第二时间段围绕第二旋转轴线旋转，使模拟器驾驶舱完成侧翻；

在模拟器驾驶舱需要先进行侧翻、再进行俯仰时：控制第二承载元件在第一时间段围绕第二旋转轴线旋转，使模拟器驾驶舱完成侧翻；再控制第三承载元件在第二时间段围绕第三旋转轴线旋转，使模拟器驾驶舱30完成仰俯。

本发明还提供了一种2DOF飞行模拟器的控制方法，所述控制方法包括，

当模拟器驾驶舱需要先进行俯仰、再进行侧翻时：控制第二承载元件在第一时间段围绕第二旋转轴线旋转，使模拟器驾驶舱完成俯仰；再控制第三承载元件在第二时间段围绕第三旋转轴线旋转，使模拟器驾驶舱完成侧翻；

当模拟器驾驶舱需要先进行侧翻、再进行俯仰时：控制第一承载元件在第一时间段围绕第一旋转轴线旋转完成侧翻，使模拟器驾驶舱完成侧翻；再控制第二承载元件在第二时间段围绕第二旋转轴线旋转，使模拟器驾驶舱完成仰俯。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本申请的一种2DOF飞行模拟器，可以对模拟器驾驶舱俯仰和侧翻的飞行姿态控制的精确模拟。模拟器驾驶舱的转动是以内舱坐标系为基准，而不是以绝对静止坐标系为基准，实现了二轴的自由转动。且硬件成本大大降低。

附图说明

图1为现有技术的一种飞行模拟器的结构原理图；

图2为本发明实施例一所述的一种2DOF飞行模拟器的第一立体示意图；

图3为本发明实施例一所述的一种2DOF飞行模拟器的第二立体示意图；

图4为本发明实施例一所述的一种2DOF飞行模拟器的前视图；

图5为本发明实施例一所述的一种2DOF飞行模拟器的第一承载元件在第一时间段围绕第一旋转轴线旋转一定角度的示意图；

图5为本发明实施例一所述的一种2DOF飞行模拟器的第一承载元件在第一时间段围绕第一旋转轴线旋转一定角度的示意图；

图6为本发明实施例一所述的一种2DOF飞行模拟器的第二承载元件在第一时间段围绕第二旋转轴线旋转一定角度的示意图；

图7为图6所示的一种2DOF飞行模拟器的另一角度示意图；

图8为为本发明实施例二所述的一种2DOF飞行模拟器的结构示意图。

附图标记

10-第一承载元件、20-第二承载元件、30-模拟器驾驶舱、21-第二圆环、22-第三圆环、31-机身头部、40-支架、51-第一旋转轴线、52-第二旋转轴线、53-第三旋转轴线、54-垂直方向轴线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的结构和作用原理作进一步说明：

实施例一：

如图2~7所示，本具体实施例提供了一种2DOF飞行模拟器，包括支架40、第一承载元件10、第二承载元件20、第三承载元件。

支架40，其作为2DOF飞行模拟器的支撑元件。

第一承载元件10，被支架40支撑；相对于支架40，其能够围绕着第一旋转轴线51进行旋转；第一旋转轴线51相对于支架40的位置固定。

第二承载元件20，被第一承载元件10支撑；相对于第一承载元件10，其能够围绕第二旋转轴线52进行旋转；第二旋转轴线52相对于第一承载元件10的位置固定。其中，所述第一旋转轴线51与第二旋转轴线52呈90度正交布置，或者彼此大致正交地布置。

第三承载元件，包括模拟器驾驶舱30，或者，第三承载元件即模拟器驾驶舱30。模拟器驾驶舱30为被控部件。第三承载元件，被第二承载元件20支撑；其相对于第二承载元件20，其能够围绕第三旋转轴线53进行旋转。其中，所述第三旋转轴线53与第二旋转轴线52呈90度正交布置，或者彼此大致正交地布置。

其中，第三承载元件、第二承载元件20、和第一承载元件10从内到外依次嵌套设置的三个旋转层。

本实施例的模拟器驾驶舱30，设置有用于至少一个人的保持装置。

在本实施例中，第一旋转轴线51为模拟器驾驶舱30的第一俯仰轴线，第三旋转轴线53为模拟器驾驶舱30的第二俯仰轴线。所述第二旋转轴线52为模拟器驾驶舱30的侧翻轴线。当2DOF飞行模拟器在初始位置时，第三旋转轴线53与第一旋转轴线51重合。与现有技术不同的是，在本实施例中，不包括使模拟器驾驶舱30沿左右方向旋转的垂直方向轴线54。

如图3所示，假使垂直方向轴线54的为一虚拟的轴线。假设垂直方向轴线54沿Z轴方向设置，第一旋转轴线51和第三旋转轴线53沿Y轴方向设置，第二旋转轴线52沿X轴方向设置。第一旋转轴线51、第二旋转轴线52、和一虚拟的垂直方向轴线54三者彼此正交地布置。飞行模拟器的机身头-尾方向为X轴方向，上述人的面部朝向飞行模拟器的机身头部31方向。

当第一承载元件10沿第一旋转轴线51旋转时，带动第二承载元件20和模拟器驾驶舱30一同旋转，人可以实现俯视或者仰视。

当第二承载元件20沿第二旋转轴线52旋转时，带动模拟器驾驶舱30一同旋转，人可以实现侧翻。

当第三承载元件沿第三旋转轴线53旋转时，只有模拟器驾驶舱30旋转，人可以实现俯视或者仰视。

嵌套设置的承载元件，在连接位置处，可以仅在一个部位处进行连接。但优选的，第一承载元件10，在以模拟器驾驶舱30为中心对称分布的两个部位处，能够围绕第一旋转轴线51旋转地与所述支架40相连接，两个部位均作为第一承载元件10的支撑点。同样的，第二承载元件20，在以模拟器驾驶舱30为中心对称分布的两个部位处，能够围绕第二旋转轴线52旋转地与所述第一承载元件10相连接，两个部位均作为第二承载元件20的支撑点。第三承载元件，在以模拟器驾驶舱30为中心对称分布的两个部位处，能够围绕第三旋转轴线53旋转地与所述第二承载元件20相连接，两个部位均作为第三承载元件的支撑点。图中示意出了第一承载元件10、和第二承载元件20的一种结构，其中，第一承载元件10为第一圆环，第二承载元件20为正交且相连接设置的第二圆环21和第三圆环22；其中，通过第二圆环21与第一圆环连接，通过第三圆环22与模拟器驾驶舱30连接。但可以理解的，第一承载元件10和第二承载元件20还可以是其他形式的结构。

2DOF飞行模拟器还设置有用于驱动第一承载元件10、第二承载元件20、和第三承载元件分别围绕其相应的旋转轴线旋转的至少一个驱动器。

优选的，分别设置三个驱动器，以分别驱动第一承载元件10、第二承载元件20、和第三承载元件的旋转。驱动器有选为电气旋转驱动器，例如，电机。在第一承载元件10与支架40的连接位置处，可以设置轴承。第一承载元件10可以是单齿环、第一承载元件10可以是正交齿环、第三承载元件可以是球壳内层，驱动器可以通过齿轮结构或者直接驱动相应的承载元件进行旋转，在此不作赘述。

2DOF飞行模拟器还包括至少一个控制单元。驱动器的工作状态能够由控制单元所控制。在模拟器驾驶舱30处，设置有用于对控制单元产生影响的至少一个输入单元。输入单元，例如为操纵杆、控制杆、方向盘、开关、踏板等。人可以在模拟器驾驶舱30通过操纵杆等向控制单元传达相应的指令，进而通过控制单元来驱动对应的驱动器进行工作。

无论初始状态或者工作状态，第一旋转轴线51、第二旋转轴线52、和第三旋转轴线53三者伸延相交于一点，相交点位于模拟器驾驶舱30，优选的，相交点位于模拟器驾驶舱30的中心位置。

模拟器驾驶舱30为中空的壳体，形状可以为图示的球形结构，还可以为椭圆形、方形等其他形状。模拟器驾驶舱30具有用于所述人进出的开口，开口处可以设置与开口相适配的盖子。

本实施例的2DOF飞行模拟器，控制方法包括，

当需要先进行俯仰、再进行侧翻时：控制第一承载元件10在第一时间段围绕第一旋转轴线51旋转，使模拟器驾驶舱30完成仰俯；再控制第二承载元件20在第二时间段围绕第二旋转轴线52旋转，使模拟器驾驶舱30完成侧翻；以上过程中，第三承载元件不动作。模拟器驾驶舱30的转动是以驾驶舱自身的坐标系为基准，该坐标系随模拟器驾驶舱30一起旋转，各旋转动作以机身坐标轴为准。在完成仰俯后，模拟器驾驶舱30状态如图5所示；此时再使第二承载元件20围绕第二旋转轴线52旋转，那么相对于模拟器驾驶舱30自身的坐标系，人在模拟器驾驶舱30的旋转为标准的侧翻动作，与预期一致、无偏差。

当需要先进行侧翻、再进行俯仰时：控制第二承载元件20在第一时间段围绕第二旋转轴线52旋转，使模拟器驾驶舱30完成侧翻；再控制第三承载元件在第二时间段围绕第三旋转轴线53旋转，使模拟器驾驶舱30完成仰俯；以上过程中，第一承载元件10不动作。在绕第二旋转轴线52侧翻完成侧翻后，模拟器驾驶舱30状态如图6、图7所示；此时再使第三承承载元件围绕第三旋转轴线53旋转，那么相对于模拟器驾驶舱30自身的坐标系，各旋转动作以驾驶舱自身坐标轴为准，人在模拟器驾驶舱30的旋转为标准的仰俯动作，与预期一致、无偏差。

在以上的控制方法中，均控制位于外层的旋转层先动作、内层（相对而言）的旋转层后动作。

本实施例的一种飞行模拟器，放弃了水平转向的动作（左右方向的旋转），但可以对模拟器驾驶舱30俯仰和侧翻的飞行姿态控制的精确模拟。且模拟器驾驶舱30的转动是以内舱坐标系为基准，而不是以绝对静止坐标系为基准，实现了二轴的自由转动。且硬件成本大大降低。

实施例二

与实施例一不同的是，在本实施例中，如图8所示，

第一旋转轴线51和第三旋转轴线53沿Y轴方向设置，飞行模拟器的机身头-尾方向为Y轴方向，上述人的面部朝向飞行模拟器的机身头部方向。第二旋转轴线52为模拟器驾驶舱30的俯仰轴线，第一旋转轴线51为模拟器驾驶舱30的第一侧翻轴线，第三旋转轴线53为模拟器驾驶舱30的第二侧翻轴线。

当第一承载元件10沿第一旋转轴线51旋转时，带动第二承载元件20和模拟器驾驶舱30一同旋转，人可以实现侧翻。

当第二承载元件20沿第二旋转轴线52旋转时，带动模拟器驾驶舱30一同旋转，人可以实现俯视或者仰视。

当第三承载元件沿第三旋转轴线53旋转时，只有模拟器驾驶舱30旋转，人可以实现侧翻。

本实施例的2DOF飞行模拟器，控制方法包括，

当需要先进行俯仰、再进行侧翻时：控制第二承载元件20在第一时间段围绕第二旋转轴线52旋转，使模拟器驾驶舱30完成俯仰；再控制第三承载元件在第二时间段围绕第三旋转轴线53旋转，使模拟器驾驶舱30完成侧翻；以上过程中，第一承载元件10不动作。

当需要先进行侧翻、再进行俯仰时：控制第一承载元件10在第一时间段围绕第一旋转轴线51旋转完成侧翻，使模拟器驾驶舱30完成侧翻；再控制第二承载元件20在第二时间段围绕第二旋转轴线52旋转，使模拟器驾驶舱30完成仰俯。以上过程中，第三承载元件不动作。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本申请的一种2DOF飞行模拟器，可以对模拟器驾驶舱俯仰和侧翻的飞行姿态控制的精确模拟。模拟器驾驶舱的转动是以内舱坐标系为基准，而不是以绝对静止坐标系为基准，实现了二轴的自由转动。且硬件成本大大降低。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解依然可以对本发明实施例的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种2DOF飞行模拟器，包括支架、模拟器驾驶舱，以及，

第一承载元件，其能够围绕第一旋转轴线相对于支架旋转地设置；

第二承载元件，其能够围绕第二旋转轴线相对于第一承载元件旋转地设置，其中，所述第一旋转轴线与第二旋转轴线彼此大致正交地布置；

其特征在于，还包括第三承载元件，其能够围绕第三旋转轴线相对于第二承载元件旋转地设置，其中，所述第三旋转轴线与第二旋转轴线彼此大致正交地布置，所述第三承载元件包括模拟器驾驶舱；

所述模拟器驾驶舱在初始位置时：所述第三旋转轴线与第一旋转轴线重合，且所述第一旋转轴线、第二旋转轴线、和一虚拟的垂直方向轴线三者彼此正交地布置。

2.如权利要求1所述的2DOF飞行模拟器，其特征在于，所述2DOF飞行模拟器还设置有用于驱动第一承载元件、第二承载元件、和第三承载元件围绕其相应的旋转轴线旋转的至少一个驱动器。

3.如权利要求4所述的2DOF飞行模拟器，其特征在于，所述2DOF飞行模拟器还包括至少一个控制单元，所述驱动器能够由控制单元控制；所述模拟器驾驶舱设置有用于对控制单元产生影响的至少一个输入单元。

4.如权利要求1所述的2DOF飞行模拟器，其特征在于，所述模拟器驾驶舱设置有用于至少一个人的保持装置；所述模拟器驾驶舱为中空的壳体，且具有用于所述人进出的开口。

5.如权利要求1所述的2DOF飞行模拟器，其特征在于，

所述第一承载元件，在以模拟器驾驶舱为中心对称分布的两个部位处，能够围绕第一旋转轴线旋转地与所述支架相连接；

所述第二承载元件，在以模拟器驾驶舱为中心对称分布的两个部位处，能够围绕第二旋转轴线旋转地与所述第一承载元件相连接；

所述第三承载元件，在以模拟器驾驶舱为中心对称分布的两个部位处，能够围绕第三旋转轴线旋转地与所述第二承载元件相连接。

6.如权利要求1所述的2DOF飞行模拟器，其特征在于，所述第一旋转轴线、第二旋转轴线、和第三旋转轴线三者伸延相交于一点。

7.如权利要求1~6任一项所述的2DOF飞行模拟器，其特征在于，所述第一旋转轴线为模拟器驾驶舱的第一俯仰轴线，所述第三旋转轴线为模拟器驾驶舱的第二俯仰轴线；所述第二旋转轴线为模拟器驾驶舱的侧翻轴线。

8.如权利要求1~6任一项所述的2DOF飞行模拟器，其特征在于，所述第二旋转轴线为模拟器驾驶舱的俯仰轴线，所述第一旋转轴线为模拟器驾驶舱的第一侧翻轴线，所述第三旋转轴线为模拟器驾驶舱的第二侧翻轴线。

9.一种2DOF飞行模拟器的控制方法，所述2DOF飞行模拟器如权利要求7所示，其特征在于，所述控制方法包括，

在模拟器驾驶舱需要先进行俯仰、再进行侧翻时：控制第一承载元件在第一时间段围绕第一旋转轴线旋转，使模拟器驾驶舱完成仰俯；再控制第二承载元件在第二时间段围绕第二旋转轴线旋转，使模拟器驾驶舱完成侧翻；

在模拟器驾驶舱需要先进行侧翻、再进行俯仰时：控制第二承载元件在第一时间段围绕第二旋转轴线旋转，使模拟器驾驶舱完成侧翻；再控制第三承载元件在第二时间段围绕第三旋转轴线旋转，使模拟器驾驶舱30完成仰俯。

10.一种2DOF飞行模拟器的控制方法，所述2DOF飞行模拟器如权利要求8所示，其特征在于，所述控制方法包括，

当模拟器驾驶舱需要先进行俯仰、再进行侧翻时：控制第二承载元件在第一时间段围绕第二旋转轴线旋转，使模拟器驾驶舱完成俯仰；再控制第三承载元件在第二时间段围绕第三旋转轴线旋转，使模拟器驾驶舱完成侧翻；

当模拟器驾驶舱需要先进行侧翻、再进行俯仰时：控制第一承载元件在第一时间段围绕第一旋转轴线旋转完成侧翻，使模拟器驾驶舱完成侧翻；再控制第二承载元件在第二时间段围绕第二旋转轴线旋转，使模拟器驾驶舱完成仰俯。

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