一种伞降模拟训练器的制作方法

1.本实用新型涉及虚拟计算领域，具体涉及一种伞降模拟训练器。


背景技术：

2.军事跳伞实地训练具有受伤率高、耗费时间多、成本投入大、组织保障困难等特点，目前在我军的常规空降训练中，大多采用绳拉一级或二级开伞，在上述方式中，从跳伞员离开飞机到伞开正常只有短暂的几秒钟，这几秒里跳伞员近似处于抛体自由下落状态，姿态的可控性不大；而从跳伞员感受到开伞冲击力(伞开正常)开始一直到安全着陆，则有几分钟之久，这几分钟是除特情处置之外操纵的重点，如果对这段时间尽可能全面的模拟，能够大幅度的提高模拟训练的效果。
3.现有的跳伞模拟训练器，进行伞包的升降运动模拟时，大多都是刚性的垂直上下运动，而在实际跳伞过程中的伞包是柔性的，可以随着风向自由运动。基于上述原因，目前的跳伞模拟训练器无法提供逼真的空降场景，大大降低了训练效果。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中升降运动无法较为准确模拟实际跳伞过程中的技术问题。
5.本实用新型提供了一种伞降模拟训练器，包括至少一个跳伞模拟单元和模拟跳伞管理平台，其中所述跳伞模拟单元包括框架和操纵控制平台，所述框架包括位于上部的支架、位于底部的底座、安装于支架和底座之间的多根立柱，所述模拟跳伞管理平台，用于为所述跳伞模拟单元设定训练项目，接收模拟器的各项操纵数据，控制跳伞模拟单元模拟整个跳伞过程，所述支架上设有导轨，所述操纵控制平台包括升降机构、直行运动机构和旋转运动机构，所述直行运动机构与导轨滚动连接，所述框架构成所述跳伞模拟单元的支撑主体，并安装有跳伞模拟单元的其它部件；包括离机平台、腰部拉绳、操纵模块、头盔模块、送风装置和着陆模拟传送带；
6.所述升降机构包括多个驱动轮和多根缆绳，多个驱动轮与多根缆绳一一对应，多个驱动轮通过转动轴同步运动，且与直行运动机构转动连接，多根缆绳的一端均匀的固定在旋转运动机构的边缘处，另一端分别通过定滑轮与对应的驱动轮缠绕连接，且多根缆绳与多个驱动轮的缠绕方向一致，所述旋转运动机构上安装有背带模块。
7.进一步的，所述直行运动机构包括滑伞平台、驱动装置、连接轴、主动轮和从动轮，所述主动轮与连接轴两端固定连接，所述连接轴通过驱动装置与滑伞平台转动连接，所述从动轮转动设置在滑伞平台两侧。
8.进一步的，所述旋转运动机构包括旋转电机、传动装置、固定平台和旋转平台，所述旋转电机设置在固定平台上，所述传动装置一端与旋转电机的传动轴连接，另一端与旋转平台连接，多根缆绳的一端均匀的固定在固定平台的边缘处，所述背带模块安装在旋转平台上。
9.进一步的，所述导轨靠近两端端部设置有限位块。
10.进一步的，所述离机平台设置在所述底座上，能够进行上升和下降的运动；所述腰部拉绳系在受训者腰部后方；所述操纵模块用于受训者在伞降模拟器中实现对降落伞的各种操纵动作；所述头盔模块佩戴在受训者的头部，包括虚拟现实眼镜，为受训者提供连续动态的大视角三维伞降环境显示；所述送风装置包括下方送风装置和环绕送风装置，所述下方送风装置安装在底座上，所述环绕送风装置安装在支架上；所述着陆模拟传送带设置在底座上。
11.进一步的，所述模拟跳伞管理平台包括训练控制模块，用于设置训练的初始条件，跳伞特情，监控各跳伞模拟单元训练过程和实时状态，还能够对各模拟训练单元进行语音指挥；运动过程模拟模块，用于根据空气动力学模型，依据环境因素，所述环境因素包括大气、地形和/或地貌，结合跳伞训练员操纵数据，在三维空间中计算和模拟跳伞的全过程运动情况；跳伞场地景生成模块，用于生成跳伞场地中着陆场的各种要素；视觉显示计算模块，用于根据运动过程模拟模块和跳伞场地景生成模块的计算结果，计算跳伞场地视觉显示效果，以及受训者视觉显示效果，并推送给头盔模块和显示屏进行显示；体感营造生成模块，用于根据运动过程模拟模块生成体感营造参数，以控制跳伞模拟单元中的体感设备的运行，所述体感设备包括操纵控制平台、着陆模拟传送带、送风装置和音效设备。
12.有益效果：
13.1、在本实用新型中，通过多个驱动轮和多根缆绳的升降机构设置，能够实现操纵控制平台的升降模拟环境，同时由于操纵控制平台作为模拟的伞包与支架之间是柔性连接，能够较为准确的使训练者体验到在空中随风运动的真实感受，提高训练效果。
14.2、在本实用新型中，通过直行运动机构和旋转运动机构的设置，能够实现操纵控制平台的水平移动和转动，进一步提高训练效果。
15.3、在本实用新型中，通过导轨与滑轮配合设置，能够减小滑动的摩擦力，使操纵控制平台移动更加顺畅；另外结合模拟跳伞管理平台的各种模块设置，能够实现多种伞型、多种开伞方式、多种机型、多种气象条件、多种着陆区域、多种训练编组的伞降全流程模拟，为受训者提供伞降过程中视觉、听觉、体感等多方位的逼真感官刺激，为组训者提供伞降训练组织、考核评估、记录分析等多种辅助手段，为伞降模拟训练提供一站式解决方案。
附图说明
16.图1为本实用新型整体结构示意图。
17.图2为本实用新型升降机构、直行运动机构和旋转运动机构安装结构示意图。
18.图3为本实用新型旋转运动机构安装结构示意图。
19.图4为背带模块安装结构示意图。
20.附图标记：1、框架；11、导轨；111、限位块；2、升降机构；21、驱动轮；22、缆绳； 3、直行运动机构；31、滑伞平台；32、驱动装置；33、连接轴；34、主动轮；35、从动轮； 4、旋转运动机构；41、旋转电机；42、传动装置；43、固定平台；44、旋转平台；5、背带模块。
具体实施方式
21.下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实
施例。基于本实用新型中的实施例，本领域的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，都属于本实用新型的保护范围。
22.本实用新型提供一种伞降模拟训练器，具体技术方案：如图1、图2所示，包括至少一个跳伞模拟单元和模拟跳伞管理平台，其中所述跳伞模拟单元包括框架1，所述框架1包括位于上部的支架、位于底部的底座、安装于支架和底座之间的多根立柱，多根立柱安装于底座的边角处，所述支架上设有导轨11，所述操纵控制平台包括升降机构2、直行运动机构3 和旋转运动机构4，所述直行运动机构3与导轨11滚动连接，所述框架1构成所述跳伞模拟单元的支撑主体，并安装有跳伞模拟单元的其它部件；包括离机平台、腰部拉绳、操纵模块、头盔模块、送风装置和着陆模拟传送带；
23.如图2、图3、图4所示，所述升降机构2包括多个驱动轮21和多根缆绳22，多个驱动轮21与多根缆绳22一一对应，多个驱动轮21通过转动轴同步运动，且与直行运动机构 3转动连接，多根缆绳22的一端均匀的固定在旋转运动机构4的边缘处，另一端分别通过定滑轮与对应的驱动轮21缠绕连接，且多根缆绳22与多个驱动轮21的缠绕方向一致，所述旋转运动机构4上安装有背带模块5。
24.如图2、图3所示，本实用新型通过多个驱动轮21和多根缆绳22的升降机构2设置，能够实现操纵控制平台的升降模拟环境，同时由于操纵控制平台作为模拟的伞包与支架之间是柔性连接，能够较为准确的使训练者体验到在空中随风运动的真实感受，提高训练效果。
25.如图2所示，在本实施例中，优选的，所述直行运动机构3包括滑伞平台31、驱动装置32、连接轴33、主动轮34和从动轮35，主动轮34和从动轮35数量优选为4个，两个所述主动轮34分别与连接轴33两端固定连接，所述连接轴33通过轴承与滑伞平台31转动连接，并通过驱动装置32驱动，实现连接轴33的自由转动，所述从动轮35转动设置在滑伞平台31两侧，具体运动过程为，通过驱动装置32带动连接轴33转动，连接轴33带动两端的主动轮34同步转动，主动轮34沿导轨11滚动，带动从动轮35滚动，从而实现滑伞平台31沿导轨11的轨道方向自由移动，具体为如图1所示的前后方向，所述导轨11靠近两端端部设置有限位块111。
26.如图3、图4所示，在本实施例中，优选的，所述旋转运动机构4包括旋转电机41、传动装置42、固定平台43和旋转平台44，所述旋转电机41设置在固定平台43上，所述传动装置42一端与旋转电机41的传动轴连接，另一端与旋转平台44连接，多根缆绳22的一端均匀的固定在固定平台43的边缘处，通过旋转电机41可以带动旋转平台44在平行于固定平台43的水平面内自由转动。
27.如图4所示，在本实施例中，背带模块5，所述背带模块5部分连接在旋转平台44上，部分穿设在受训者身上，用于一方面将受训者悬吊在空中，另一方面，利用背带系统上的相应拉环，对受训者进行不同伞型的操作训练。为了适应不同的跳伞装置并减少设备的支出，在本实用新型中，所述背带模块5是在真实降落伞背带系统的基础上进行改装，使其兼容多种不同伞型的模拟训练要求。
28.离机平台，所述离机平台通过升降装置设置在所述底座上，能够进行上升和下降的运动。因此，当跳伞初始，受训者站在离机平台上，可进行离机动作训练。跳伞后，操纵控制平台带动受训者向前、向下各运动一段行程，真实营造运动体感。同时，离机平台迅速降回起始位置，防止受训者脚部和腿部触碰到而影响训练体验。离机平台通过位于下部的可
收缩支撑架，进行上升和下降运动。
29.腰部拉绳，所述腰部拉绳一头系在受训者腰部后方，另一头穿过背部承重滑轮与伺服电机相连，通过伺服电机和背部承重滑轮可将人体腰部拉起或放下，所述背部承重滑轮固定安装在支架上。腰部拉绳的作用为，一是在受训者跳伞离机时，利用腰部拉绳将受训者的腰部适度拉起，模拟较真实的跳伞离机姿态；二是当开伞的瞬间，配合操纵控制平台，当操纵控制平台将受训者向上拉起一小段行程时，完全释放腰部拉绳，给受训者营造一种开伞时的向上拉拽感。
30.操纵模块，操纵模块是用于受训者在伞降模拟器中实现对降落伞的各种操纵动作，从而改变虚拟环境中“伞
‑
人”组合体的运动状态。具体而言，所述操纵模块包括匹操纵带和2 至4个操纵棒。通过操纵棒可以使降落伞产生旋转、向前、向后、加速下降的运动，通过操纵带可以使降落伞快速侧移，同时也能产生加速下降的运动。
31.头盔模块，所述头盔模块佩戴在受训者的头部，包括虚拟现实眼镜，通过vr技术，为受训者提供连续动态的大视角三维伞降环境显示。因此，头盔模块是伞降训练视觉模拟的关键设备。
32.送风装置，包括下方送风装置和环绕送风装置，所述下方送风装置安装在底座上，所述环绕送风装置安装在支架上，所述送风装置用于模拟伞降过程中的竖直方向风和侧向风。
33.着陆模拟传送带，所述着陆模拟传送带设置在底座上，用于根据虚拟环境中的运动参数将传送带调整到相应转速，结合操纵控制平台带动受训者在垂直和水平方向的运动，以此模拟真实的着陆感觉。所述着陆模拟传送带可以是一套类似于跑步机的跑道的设备。不同伞型着陆动作不同，利用着陆模拟传送带，一方面真实模拟跳伞着陆时的冲击感，另一方面可针对不同的伞型，对受训者进行不同的着陆动作训练。
34.所述模拟跳伞管理平台，用于为所述跳伞模拟单元设定训练项目，接收模拟器的各项操纵数据，控制跳伞模拟单元模拟整个跳伞过程，具体包括：
35.训练控制模块，用于设置训练的初始条件，跳伞特情，监控各跳伞模拟单元训练过程和实时状态，还能够对各跳伞模拟单元进行语音指挥。
36.运动过程模拟模块，用于根据空气动力学模型，依据环境因素，所述环境因素包括大气、地形和/或地貌，结合跳伞训练员操纵数据，在三维空间中计算和模拟伞兵出舱跳下、自由落体、开伞、空中运动、空中特情和降落着陆的全过程运动情况。
37.跳伞场地景生成模块，用于生成跳伞场地中着陆场的各种要素，包括“t”字布、箭头布、风向袋、收伞站、救护所、气象站、广播站和/或指挥所。特别的，夜间标识用灯光显示，雪地场景标识用不同颜色区分显示，水上场景标识在各类保障船上显示。
38.视觉显示计算模块，用于根据运动过程模拟模块和跳伞场地景生成模块的计算结果，计算跳伞场地视觉显示效果，以及受训者视觉显示效果，并推送给头盔模块、显示屏等进行显示。视觉显示计算模块可以采用实时三维渲染，对跳伞训练的整体环境以及训练人员和降落伞的操作进行实时动态渲染。
39.体感营造生成模块，用于根据运动过程模拟模块生成体感营造参数，以控制跳伞模拟单元中的体感设备的运行，所述体感设备包括操纵控制平台、着陆模拟传送带、送风装置、音效设备等。这样可以制造风力、声响等，营造与实际跳伞相近的身体感受，包括运动体
感、风力体感和声响体感。
40.运动体感：通过对真实的降落伞背带系统进行改造，拥有四匹降落伞操纵带、2至4个降落伞操纵棒，两种伞型的应急手拉环、飞伞手柄和备份伞手拉环；通过操纵控制平台可以带动受训者进行前后、上下、倾斜等运动；通过腰部拉绳控制开伞前后受训者的身体姿态；通过离机平台，对受训者进行离机动作训练；通过着陆模拟传送带，一方面真实模拟跳伞着陆时的冲击感，另一方面可针对不同的伞型，对受训者进行不同的着陆动作训练。
41.风力体感：通过下方送风装置和环绕送风装置，模拟伞降过程中竖直方向风和侧向风。结合生成的虚拟视景，提供跳伞员空中运动时的皮肤触觉感受，风向和风速随运动方向和运动速度的变化而相应变化。
42.声响体感：提供环境声响的听觉感受，模拟飞机的运行噪音、跳伞员高速下落的空气噪音、地面环境音等，以及空中和地面指挥语音、系统提示音。
43.此外，还包括训练管理与考评模块，用于制定跳伞训练计划，根据模拟跳伞的过程进行自动或者人工评分，并输出、存储或者调用相应的训练数据。
44.其中自动评分为系统采集模拟训练的实时数据和模拟数据，与阈值比较进行打分。人工评分为结合教员的观察或回放训练记录摄像头记录的影像数据来进行综合打分。
45.具体的，训练管理与考评模块能够对受训者的操纵状态进行分析裁决，对训练效果进行评估。例如，模块可根据数据判断受训者是否与其它虚拟跳伞员保持了足够的距离，着陆时是否对正了风向，整个下落过程中操纵是否及时准确，对特情的处置是否正确果断等等。
46.本实用新型的伞降模拟训练器，通过训练控制模块进行虚拟训练环境参数的设定，通过跳伞场地景生成模块生成跳伞着陆场的相应场景，而后利用视觉显示计算模块构建虚拟环境，所述虚拟环境包括空间环境、气象环境以及其它虚拟跳伞员，受训者通过对操纵模块进行操纵，发出控制指令，所述控制指令加载于“伞
‑
人”系统的动力学模型上，使得动力学模型在设定好的虚拟空间内产生与实际情况相似的运动。
47.在所述支架上具有跳伞状态警示灯，用于指示跳伞模拟单元的工作状态，例如可以为红、绿状态灯，颜色由模拟跳伞管理平台进行控制。跳伞模拟单元在正常工作状态下亮绿灯；非正常工作状态亮红灯。
48.在所述支架上还可以具有显示大屏，可以安装在所述支架的前部，用于同步观察受训人员的训练情况，可以使用第一人称视角、第三人称视角、地面视角和/或自由视角等，可以分别或同时显示上述视角。
49.如图1所示，在所述框架1上还具有急停按钮，用于在训练过程中，教员或保护人员在紧急情况下可以快速暂停训练过程。
50.模拟跳伞管理平台
51.该平台采用服务器/客户端(c/s)结构，服务器部署于集中控制台，服务器端安装训练控制模块，用于控制所属8台跳伞模拟单元的离机模拟装置的初始条件设置、开始、结束、特情加入等；监控各模拟器训练过程和实时状态，显示指定模拟单元的相关训练数据和参数；提供对各跳伞模拟单元的语音指挥功能；进行训练管理与考评。
52.客户端是各跳伞模拟单元，安装运动过程模拟模块，跳伞场地景生成模块，视觉显示计算模块和体感营造生成模块。
53.系统可采用c++/c#语言开发，使用oracle数据库。
54.1.初始条件设置
55.可设置训练用的机型、伞型、地形、天候、气象、飞行高度、速度、运行轨迹、投放点、投放间隔、跳伞编组等。
56.2.特情加入
57.可在跳伞开始前预先设置或跳伞过程中加入指定特情，特情共有25种，包括主伞不开、引导伞或封口绳缠绕身体、翼伞跳伞开伞瞬间飞掉主伞、主伞成长条状下降、主伞成灯泡状下降、伞绳绕伞顶、伞绳扭劲抬不起头、伞衣冲破三幅以上、伞绳冲断三根以上、两伞相插都未失效、两伞相插一人主伞失效、两伞相插交替失效、遇到上升气流、跳伞员上肢骨折或关节脱臼、跳伞员下肢骨折或关节脱臼、开伞时操纵带飞掉一匹、操纵棒甩到一组伞绳里无法操纵、操纵绳放不下来、降落到水上、降落到电线上、降落到树上、降落到建筑物上、水上跳伞时着陆到陆地上、水上跳伞着陆时伞衣盖住身体和着陆后产生拖拉。
58.3.训练监控
59.监控各跳伞模拟单元训练过程和实时状态，显示指定跳伞模拟单元的相关训练数据和参数，包括航路、高度、机速、风速、坠落速度等。
60.4.语音指挥
61.在集中控制台设置麦克风，通过控制网络向各跳伞训练员下达指挥口令。
62.5.训练计划制定
63.训练计划制定功能主要用于安排参训人员的训练顺序、编组等，可录入或读取参训人员名册，输出训练内容、编组安排等。
64.6.训练数据存储和调用
65.训练数据可存储于数据库或数据文件中，其内容包括训练时间、训练条件、空中运动轨迹、空中操纵记录、成绩评定的各个要素和成绩评定结果等。通过记录的训练数据可复现训练全过程。
66.训练数据可以单独调取或多人多次比对，调取可输出文本表格形式或三维动画形式。可存储不少于10000人次的训练记录。
67.7.场景展现
68.地形展现：可模拟水上(海上)、山地(丘陵)、寒区(雪地)等地形和全球任意一个区域的实景着陆场(范围≥20平方公里)。
69.环境展现：包括天空的展现和天候的显示。天空展现支持高空观察的视景，包括远处的天际线，支持穿云的效果；天候显示可模拟晴天、阴天、小雨、夜间等四种天气。
70.跳伞场地景展现：每个着陆场景的地面标识要素齐全，包括“t”字布、箭头布、风向袋、收伞站、救护所、气象站、广播站、指挥所等。其中夜间场景标识用灯光显示，雪地场景标识用不同颜色区分显示，水上场景标识在各类保障船上显示。
71.训练过程情景展现：包括单兵跳伞、多人集体跳伞、主伞不开打开备份伞跳伞、开双伞跳伞、水上跳伞、夜间跳伞、翼伞跳伞。
72.8.训练数据显示：
73.集中控制台、vr眼镜和虚拟终端同时显示有关训练数据和参数，包括航路、高度、机速、风速、坠落速度等。
74.9.运动过程模拟
75.通过空气动力学模型和算法，或使用经验数据，依据大气，地形，地貌等环境因素，结合跳伞训练员操纵和其他因素，在三维空间中计算和模拟伞兵出舱跳下、自由落体、开伞、空中运动、空中特情和降落着陆的全过程运动情况，模拟情况(运动速度、方向、轨迹等)与实际跳伞情况接近。
76.10.降落伞操纵控制
77.设置“伞兵
‑
9d”型降落伞背带系统和“备份
‑
6甲”型降落伞包模型，利用背带系统上的操纵带、操纵棒、应急手拉环、飞伞手柄、备份伞手拉环等实现跳伞员对伞降模拟器的控制操作。
78.设置“伞兵
‑
11”型降落伞背带系统，利用背带系统上的操纵带、操纵棒、应急手拉环、飞伞手柄、备份伞手拉环等实现跳伞员对伞降模拟器的控制操作。
79.降落伞操纵控制模块，用来测量受训者对降落伞的操纵量，通过串口传入到模拟跳伞管理平台，并实时反映到三维视景当中，实现“人在回路”交互式模拟训练。
80.11.体感营造
81.运动体感：模拟器控制操纵控制平台、腰部拉绳、着陆模拟传送带等运动，结合生成的虚拟视景，产生离机瞬间的失速下沉感、开伞瞬间的拖拽感、跳伞过程中的前行下降感、顺 (逆)时针旋转感、着陆时的冲击感。
82.风力体感：控制吹风装置运动，结合生成的虚拟视景，提供跳伞员空中运动时的皮肤触觉感受，风向和风速随运动方向和运动速度的变化而相应变化。
83.声响体感：提供环境声响的听觉感受，模拟飞机的运行噪音、跳伞员高速下落的空气噪音、地面环境音等，以及空中和地面指挥语音、系统提示音。
84.12.视景显示方式
85.系统提供虚拟现实眼镜、显示器、集中监控三种显示方式。采用实时三维渲染，对跳伞训练的整体环境以及训练人员和降落伞的操作进行实时动态渲染。
86.虚拟现实眼镜在跳伞训练员头部佩戴，用于给跳伞训练员提供身临其境的视觉环境，呈现从出舱到着陆的全过程。用头部跟踪技术改变图像的视角，使受训者可以无延时、全方位的观察三维空间内的物像，让视觉系统和运动感知系统有机结合，使受训者产生操作降落伞下落的沉浸式体验。
87.显示器设置于跳伞模拟单元外侧，用于外界同步观察跳伞训练员训练情况，可以使用第一人称视角、第三人称视角、地面视角、自由视角，分别或同时显示。
88.集中控制台控制8台跳伞模拟单元训练的初始条件设置、开始、结束、特情加入，并监控各模拟器训练过程和实时状态。提供对各跳伞模拟单元的语音指挥功能。
89.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。