專利名稱：機場消防車操作訓練模擬器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于航空技術培訓領域，具體涉及一種機場消防車駕駛訓練的模擬系統(tǒng)裝置。
背景技術：
機場消防車是民航機場飛機火災撲救的專用消防車輛。出于保障民航安全生產(chǎn)的需要，以及民航機場火災的特殊性，消防車的配置和使用與普通消防車輛有很大的區(qū)別，因此對機場消防人員的訓練，也具有一定的特殊性。機場消防車操作訓練模擬器就是專為該類人員的培訓而設計的。它能夠彌補實戰(zhàn)訓練不能涵蓋面對火災所應采取的全部技術措施和手段的缺陷。駕駛員通過視覺、聽覺和身體感覺的信息親身感知車輛的運動與操作、火災的情景與處理，所以機場消防車操作訓練模擬器是一種理想的教學和訓練設備。專利(201010294927.2)曾公開了一種機場消防車駕駛訓練系統(tǒng)，但在使用中發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)過于復雜。例如:該系統(tǒng)采用機電模式構(gòu)建消防車的模擬消防炮，在模擬消防炮炮口安裝有攝像頭，用攝像頭攝制的圖像傳至消防炮方位顯示屏顯示消防炮朝向圖像。這種模擬消防炮的構(gòu)建方式有兩個缺點。第一，消防炮安裝在消防車駕駛訓練系統(tǒng)的上部，而作為視景顯示的投影機也要安裝在該系統(tǒng)的上部。由于二者位置相互干涉，對視景的投射角度影響較大，造成視景圖像失真。第二，因為視景屏幕的范圍是有限的，攝像頭在消防炮運動角度的某些位置圖像只能看到視景屏幕的邊沿，造成消防炮方位顯示的圖像與實際有所不同，會降低訓練人員的沉浸感，影響系統(tǒng)的訓練效果。第三，行車操縱系統(tǒng)過于復雜，三個操縱裝置——剎車，油門和方向盤各接有位移傳感器，位移傳感器通過A/D卡轉(zhuǎn)換進入數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，使得數(shù)采系統(tǒng)線路復雜、易出故障。為了彌補所述專利的缺陷，本發(fā)明對系統(tǒng)的技術特征做了較大的改進。首先，取消了(201010294927.2)模擬消防炮實體，將消防炮虛擬化，避免了視景影像失真，沉浸效果更好。第二，專門設置了消防炮朝向指示器。通過數(shù)據(jù)采集與控制，通過消防炮朝向指示信息自動生成炮頭朝向圖像，顯著提高了逼真度和訓練人員的沉浸感。對行車操縱系統(tǒng)采用了一體化的手柄操作，使操縱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加緊湊，降低故障率，提高了操縱系統(tǒng)的可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，本發(fā)明的目的在于，提供一種能夠?qū)C場消防人員進行培訓使用的機場消防車操作訓練模擬裝置。以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理進行說明。機場消防車操作訓練模擬器包括:駕駛臺、組合指示燈群、組合顯示儀表群、模擬發(fā)動機啟動開關、消防設備操縱臺、消防炮朝向顯示屏、消防設備啟動開關、消防炮操作臺、消防炮啟動開關、消防炮控制搖桿、前臺架消防炮控制搖桿、行車操縱系統(tǒng)、剎車機構(gòu)、油門、方向盤、數(shù)字I/o接口、數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)、PLC控制器、計算機仿真系統(tǒng)、教員臺計算機、模擬前臺架消防炮、消防車運動及控制模型、飛機火災及滅火模型、音響模擬模型、縱向與橫向驅(qū)動電機、位移傳感器、A/D卡、消防炮朝向指示器、視景系統(tǒng)、圖形工作站、視景顯示系統(tǒng)、音響模擬模型以及音箱等。駕駛臺包括組合指示燈群、組合顯示儀表群和模擬發(fā)動機啟動開關。消防設備操縱臺包括消防炮朝向顯示屏和消防設備啟動開關。消防炮操作臺包括消防炮啟動開關、消防炮控制搖桿和前臺架消防炮控制搖桿。行車操縱系統(tǒng)包括剎車機構(gòu)、油門和方向盤。計算機仿真系統(tǒng)包括消防車運動及控制模型、飛機火災及滅火模型和音響模擬模型。模擬前臺架消防炮為縱向和橫向兩自由度運動機構(gòu)。數(shù)字I/o接口的輸出接入數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，消防車運動及控制模型的數(shù)據(jù)亦傳至數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。機場消防車操作訓練模擬器器件連接的技術方案為:模擬發(fā)動機啟動開關、消防設備操縱開關、消防炮啟動開關、消防炮控制搖桿和前臺架消防炮控制搖桿的開關信號控制線均并聯(lián)接至數(shù)字I/o接口 ；數(shù)字I/O接口的信號輸出接至數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。行車操縱系統(tǒng)的信號通過數(shù)據(jù)線亦接至數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的信號輸出分別接至PLC控制器、計算機仿真系統(tǒng)以及消防炮朝向指示器。模擬前臺架消防炮分別通過縱向驅(qū)動電機和橫向驅(qū)動電機驅(qū)動，縱向和橫向兩個驅(qū)動電機由PLC控制器進行控制。縱向與橫向兩個驅(qū)動電機各自接有一個位移傳感器，兩個位移傳感器的輸出均接至A/D卡，A/D卡的輸出接入數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)隨時與A/D卡輸出的信息、以及教員臺計算機進行數(shù)據(jù)傳輸與交換。本發(fā)明是一個模擬消防車駕駛、滅火等操作的訓練裝置，學員坐在駕駛室內(nèi)的操作與實際非常近似。根據(jù)教員臺計算機上所選擇的訓練課目，通過操縱數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)收到狀態(tài)信息，使視景輸出和音響輸出與教員臺計算機設定一致。消防車駕駛訓練狀態(tài)時在視景中將顯示機場消防車庫現(xiàn)場。啟動消防車的信號為開關量信號，經(jīng)數(shù)字I/O端口被數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)采集并傳至計算機仿真系統(tǒng)。此過程中，方向盤轉(zhuǎn)動、油門動作、剎車動作由行車操縱系統(tǒng)統(tǒng)一采集，經(jīng)數(shù)據(jù)采集與控制計算機傳至計算機仿真系統(tǒng)。同時方向盤及油門剎車操縱機構(gòu)均具備“自動回位”的功能。計算機仿真系統(tǒng)中的消防車運動及控制模型根據(jù)這些信息解算出消防車當前的運動狀態(tài)、運動位置，并通過視景系統(tǒng)輸出顯示，音響模擬模型根據(jù)消防車的運動狀態(tài)由音箱輸出發(fā)動機音響、路面作用音響等音響信息。同時，消防車運動與控制模型將解算出消防車仿真儀表顯示信息和消防車指示燈顯示狀態(tài)，傳給操縱數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)后傳至PLC控制器，PLC控制器控制仿真儀表群和指示燈群進行相應的顯示。消防炮控制搖桿和前臺架消防炮控制搖桿分為前、后、左、右四個方向，輸出四個開關量信號由數(shù)字I/O 口采集并傳至數(shù)據(jù)采集與控制計算機。數(shù)據(jù)采集與控制計算機根據(jù)操縱信號經(jīng)PLC控制器控制模擬前臺架消防炮的縱向驅(qū)動電機和橫向驅(qū)動電機，通過控制炮塔的縱橫向運動調(diào)整模擬前臺架消防炮口的朝向?？v橫向驅(qū)動電機均有位移傳感器相連，位移傳感器信號接至A/D板卡，A/D板卡采集位移信號并傳給數(shù)據(jù)采集與控制計算機，數(shù)據(jù)采集與控制計算機據(jù)此計算模擬前臺架消防炮炮口的朝向。同時，數(shù)據(jù)采集與控制計算機根據(jù)操縱輸入計算消防炮炮口朝向，將朝向信息傳輸給消防炮朝向指示器，該指示器生成消防炮朝向圖像并傳至消防炮朝向顯示屏顯示。噴射按鈕按下后，消防車運動及控制模型可控制輸出噴口的流量，滅火劑噴射場景由視景系統(tǒng)相應輸出，與此同步，音響模擬模型控制音箱輸出滅火劑噴射的音響。消防車到達時間、飛機火災控制時間、消防車位置、滅火操作過程均由計算機仿真系統(tǒng)實時傳給教員臺計算機，教員臺計算機記錄這些信息并在仿真結(jié)束后生成對學員訓練效果的評分，教員也可以實時瀏覽這些信息以便對受訓駕駛員進行進一步的指導。消防車運動及控制模型和飛機火災及滅火模型的視景顯示系統(tǒng)為單通道計算機三維圖像系統(tǒng)或三通道計算機三維圖像系統(tǒng)，視景系統(tǒng)由視景系統(tǒng)圖形工作站、視景顯示系統(tǒng)組成，視景顯示系統(tǒng)由高分辨率投影機、投影屏幕組成。音箱為三維環(huán)繞立體聲音響系統(tǒng)，由多聲道立體聲高保真音響組成，具有逼真的聲音定位感覺，為駕駛員提供強烈的沉浸感。本發(fā)明的特點和有益效果是，為學員提供了一種駕駛消防車進行飛機火災滅火的模擬訓練裝置。仿真系統(tǒng)能夠提供高逼真度的視景和音響，通過解算機場消防車的運動模型模擬消防車的駕駛和運動，使學員能夠在視景中駕駛巡航。通過火災場景的設計模擬，可實時控制飛機火災的發(fā)展趨勢。視景中可以提供非常真實的火災場景，提供碰撞檢測功能，以達到仿真環(huán)境與實戰(zhàn)環(huán)境相同，提高訓練效果。同時在虛擬場景中訓練，能最大限度地保證學員的安全，相比用實物現(xiàn)場訓練，可節(jié)省巨大的訓練費用。


附圖為本發(fā)明系統(tǒng)原理與部件結(jié)構(gòu)連接示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖并通過具體實施例對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)以及原理作進一步的說明。機場消防車操作訓練模擬器，其系統(tǒng)組成如圖所示:駕駛臺I包括組合指示燈群
2、組合顯示儀表群3和模擬發(fā)動機啟動開關4 ;消防設備操縱臺5包括消防炮朝向顯示屏6和消防設備啟動開關7 ;消防炮操作臺8包括消防炮啟動開關9、消防炮控制搖桿10和前臺架消防炮控制搖桿11 ;行車操縱系統(tǒng)12包括剎車機構(gòu)13、油門14和方向盤15 ;計算機仿真系統(tǒng)19包括消防車運動及控制模型20、飛機火災及滅火模型21和音響模擬模型22。模擬前臺架消防炮18為縱向和橫向兩自由度運動機構(gòu)。消防車運動及控制模型的數(shù)據(jù)傳至數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。其技術特征在于:模擬發(fā)動機啟動開關4、消防設備操縱開關7、消防炮啟動開關
9、消防炮控制搖桿10和前臺架消防炮控制搖桿11的開關信號控制線均并聯(lián)接至數(shù)字I/O接口 16，數(shù)字I/O接口的信號輸出接至數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)17。行車操縱系統(tǒng)12的信號通過數(shù)據(jù)線亦接至數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的信號輸出分別接至PLC控制器23、計算機仿真系統(tǒng)19以及消防炮朝向指示器24。模擬前臺架消防炮18分別通過縱向驅(qū)動電機25和橫向驅(qū)動電機26驅(qū)動，縱向和橫向兩個驅(qū)動電機由PLC控制器進行控制?？v向與橫向兩個驅(qū)動電機各自接有一個位移傳感器27，兩個位移傳感器的輸出均接至A/D卡28，A/D卡的輸出接入數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)隨時與A/D卡輸出的信息、以及教員臺計算機29進行數(shù)據(jù)傳輸與交換。計算機仿真系統(tǒng)及其消防車運動及控制模型、飛機火災及滅火模型、音響模擬模型均為設置在教員臺計算機內(nèi)的軟件。該操作訓練模擬器沒有模擬消防炮塔身，并且不設有攝像頭等裝置，采用消防炮朝向指示器模擬消防炮操作臺系統(tǒng)中炮頭的指向位置，位置圖像由消防炮朝向顯示屏顯示。消防車運動及控制模型與飛機火災及滅火模型的輸出數(shù)據(jù)傳至視景系統(tǒng)30中的圖形工作站31，圖形工作站生成計算機視景圖像后送至視景系統(tǒng)中的視景顯示系統(tǒng)32顯示。音響模擬模型的輸出傳至音箱33播放模擬音響。行車操縱系統(tǒng)米用手柄操作，剎車機構(gòu)、油門和方向盤可以自動回位。機場消防車操作訓練模擬器運行工作時，由教員在教員臺計算機上選擇訓練課目，然后啟動系統(tǒng)運行。此時，計算機仿真系統(tǒng)收到啟動信息進行消防車運動及控制模型、飛機火災及滅火模型、音響模擬模型參數(shù)的初始化，使視景輸出和音響輸出與教員臺計算機設定一致。操縱數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)收到啟動信息后，進行計算機板卡的初始化，同時向消防炮朝向指示器和PLC控制器發(fā)出初始化指令。消防炮朝向指示器根據(jù)指令生成當前消防炮朝向圖像并用消防炮朝向顯示屏輸出。PLC控制器根據(jù)初始化指令將組合指示燈群和組合顯示儀表群的顯示及模擬前臺架消防炮的位置等均進行初始化處理。系統(tǒng)初始化完畢后，視景顯示屏中將顯示設定的機場消防車庫。學員按動消防車駕駛臺上的模擬發(fā)動機啟動開關進行消防車的啟動，同時音響模擬模型控制輸出車輛啟動聲音。操縱行車系統(tǒng)中的方向盤、油門、剎車等將消防車從車庫開出，并一直行駛至視景顯示屏中的飛機火災現(xiàn)場。在這一過程中，方向盤轉(zhuǎn)動、油門動作、剎車動作被操縱數(shù)據(jù)采集與控制計算機采集并被其傳至計算機仿真系統(tǒng)。計算機仿真系統(tǒng)中的消防車運動及控制模型解算出消防車當前的運動狀態(tài)、運動位置，并通過視景顯示屏顯示；音響模擬模型輸出發(fā)動機工作音響、路面作用音響等。同時，消防車運動與控制模型將解算出組合指示燈群和組合顯示儀表群應顯示對應的狀態(tài)并控制組合指示燈群和組合顯示儀表群進行相應的顯示。消防車到達飛機火災現(xiàn)場后，學員操縱消防炮操作臺和消防設備操縱臺進行滅火操作。通過消防設備操縱臺上的消防炮朝向顯示屏觀察確定消防炮操作臺系統(tǒng)中炮口的位置朝向，觀察模擬前臺架消防炮炮口確定其朝向。通過操縱前后左右四個方向轉(zhuǎn)動的消防炮控制搖桿或臺架消防炮控制搖桿，將炮口對準飛機或機場起火位置，按下消防炮控制搖桿或前臺架消防炮控制搖桿的噴射按鈕(此時視景顯示屏將顯示噴射情況)。在此過程中，PLC控制器驅(qū)動模擬前臺架消防炮的兩個電機控制橫向運動軸和縱向運動軸，使模擬前臺架消防炮炮口朝向位置準確無誤。同時，消防炮朝向指示器生成消防炮朝向圖像并傳至消防炮朝向顯示屏顯示，從朝向顯示屏可以直接看到。消防炮控制搖桿或臺架消防炮控制搖桿上的噴射按鈕信號也被數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)采集。數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)將這些信息傳至計算機仿真系統(tǒng)。飛機火災及滅火模型控制視景系統(tǒng)輸出逼真的飛機火災情景。同時在視景系統(tǒng)顯不的同時音響模擬模型也輸出產(chǎn)生相應的音響變化?？v橫兩個驅(qū)動電機可選用步進電機、直流電機或交流電機均可，消防設備操縱臺上安裝有與真實消防車上同樣的開關按鈕及指示燈。自仿真消防車從接警開始，學員都可真實模擬駕駛消防車行駛至飛機火災現(xiàn)場，用高壓水炮滅火的整個過程。視景顯示屏中還將會有多輛消防車按指定程序配合參訓人員的消防車共同完成滅火任務。
權(quán)利要求
1.機場消防車操作訓練模擬器，包括:駕駛臺、組合指示燈群、組合顯示儀表群、模擬發(fā)動機啟動開關、消防設備操縱臺、消防炮朝向顯示屏、消防設備啟動開關、消防炮操作臺、消防炮啟動開關、消防炮控制搖桿、前臺架消防炮控制搖桿、行車操縱系統(tǒng)、剎車機構(gòu)、油門、方向盤、數(shù)字I/o接口、數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)、PLC控制器、計算機仿真系統(tǒng)、教員臺計算機、模擬前臺架消防炮、消防車運動及控制模型、飛機火災及滅火模型、音響模擬模型、縱向與橫向驅(qū)動電機、位移傳感器、A/D卡、消防炮朝向指示器、視景系統(tǒng)、圖形工作站、視景顯示系統(tǒng)、音響模擬模型以及音箱，駕駛臺(I)包括組合指示燈群(2)、組合顯示儀表群(3)和模擬發(fā)動機啟動開關(4);消防設備操縱臺(5)包括消防炮朝向顯示屏(6)和消防設備啟動開關(7);消防炮操作臺(8)包括消防炮啟動開關(9)、消防炮控制搖桿(10)和前臺架消防炮控制搖桿(11);行車操縱系統(tǒng)(12)包括剎車機構(gòu)(13)、油門(14)和方向盤(15)，模擬前臺架消防炮(18)為縱向和橫向兩自由度運動機構(gòu)，計算機仿真系統(tǒng)(19)包括消防車運動及控制模型(20)、飛機火災及滅火模型(21)和音響模擬模型(22)，消防車運動及控制模型的數(shù)據(jù)傳至數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)， 其特征在于:模擬發(fā)動機啟動開關(4)、消防設備操縱開關(7)、消防炮啟動開關(9)、消防炮控制搖桿(10)和前臺架消防炮控制搖桿(11)的開關信號控制線均并聯(lián)接至數(shù)字I/O接口( 16);數(shù)字I/O接口的信號輸出接至數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)(17)，行車操縱系統(tǒng)(12)的信號通過數(shù)據(jù)線亦接至數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的信號輸出分別接至PLC控制器(23)、計算機仿真系統(tǒng)(19)以及消防炮朝向指示器(24)，模擬前臺架消防炮(18)分別通過縱向驅(qū)動電機(25)和橫向驅(qū)動電機(26)驅(qū)動，縱向和橫向兩個驅(qū)動電機由PLC控制器進行控制，縱向與橫向兩個驅(qū)動電機各自接有一個位移傳感器(27)，兩個位移傳感器的輸出均接至A/D卡(28)，A/D卡的輸出接入數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)隨時與A/D卡輸出的信息以及教員臺計算機(29)進行數(shù)據(jù)傳輸與交換。
2.按照權(quán)利要求1所述的機場消防車操作訓練模擬器，其特征在于:采用所述消防炮朝向指示器(24)和消防炮操作臺(8)系統(tǒng)中炮頭的指向位置，位置圖像由所述消防炮朝向顯示屏(6)顯示輸出。
3.按照權(quán)利要求1所述的機場消防車操作訓練模擬器，其特征在于所述消防車運動及控制模型(20)與飛機火災及滅火模型(21)的輸出數(shù)據(jù)傳至視景系統(tǒng)(30)中的圖形工作站(31)，圖形工作站生成計算機視景圖像后送至視景系統(tǒng)中的視景顯示系統(tǒng)(32)顯示，音響模擬模型的輸出傳至音箱(33)播放模擬音響。
4.按照權(quán)利要求1所述的機場消防車操作訓練模擬器，其特征在于所述行車操縱系統(tǒng)(12)采用手柄操作，所述剎車機構(gòu)(13)、油門(14)和方向盤(15)可以自動回位。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種機場消防車操作訓練模擬器，其技術結(jié)構(gòu)是模擬發(fā)動機啟動開關、消防設備操縱開關、消防炮啟動開關、消防炮控制搖桿和前臺架消防炮控制搖桿的開關信號控制線均并聯(lián)接至數(shù)字I/O接口，接口的輸出接入數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)；行車操縱系統(tǒng)的信號亦接至數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。模擬前臺架消防炮分別通過縱、橫向驅(qū)動電機驅(qū)動，兩個驅(qū)動電機各自接有一個位移傳感器，驅(qū)動電機由PLC控制器控制，位移傳感器的輸出通過A/D卡接入數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。學員根據(jù)教員臺計算機確定訓練課目，可模擬完成從駕駛車輛直至高壓水炮滅火的整個訓練過程。視景顯示屏輸出逼真的滅火劑噴射情景，與此同時音響系統(tǒng)也輸出相應的聲音。
文檔編號G09B9/04GK103198729SQ201310140589
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月22日
發(fā)明者賈立山, 王立文, 邢志偉 申請人:中國民航大學