航空液压油泵车模拟训练与考核半物理仿真系统的制作方法
专利名称：航空液压油泵车模拟训练与考核半物理仿真系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种航空液压油泵车半物理仿真系统，更具体的说是一种航空液压油泵车模拟训练与考核半物理仿真系统。
背景技术：
航空液压油泵车，是供飞机维修、检测的地面保障液压设备。航空液压油泵车模拟训练与考核半物理仿真系统是航空液压油泵车操作培训和考核的一种特有的仿真方法，它通过对航空液压油泵车的真实操作面板的改造，结合单片机信号采集和控制技术、计算机实时控制技术和虚拟现实技术，搭建一个具有很强真实感的训练环境和考核平台。面板的操作感觉和显示与真实航空液压油泵车完全一致，单片机信号采集和控制技术、计算机实时控制技术和虚拟现实技术可同步记录、显示(含投影)、打印训练人员的操作步骤和操作过程，考核系统可以为判断训练效果提供客观的依据。目前，对航空液压油泵车的训练和考核主要有两种方式实地训练和模型训练。其缺点是1.必须和飞机进行对接才能完成全部的训练过程，油泵车使用不恰当会对飞机造成破坏性影响。而且飞机在使用过程中并非每次都需要使用油泵车，造成可训练机会少； 2.训练费用大；3.考核中人的影响因素比较大，容易产生误判；4.模型训练由于仅仅在计算机上完成，使得训练人员对真实环境缺乏了解；5.不能起到油泵车使用者与设计制造者之间的桥梁作用，使用者无法体会在油泵车的设计制造阶段体验液压系统设计和动力传输系统设计等等的合理性和可操作性，从而在客观上造成设计制造与使用的脱节，无法对油泵车的改进提供帮助。
发明内容
1、发明要解决的技术问题
针对航空液压油泵车的训练的两种方式实地训练和模型训练所存在的缺点，本发明提供航空液压油泵车模拟训练与考核半物理仿真系统，通过软件系统和硬件接口相结合的方式实现虚拟现实技术在模拟训练考核系统中的应用，提供航空液压油泵车的模拟训练和考核的功能。2、技术方案
本发明的目的是这样实现的
航空液压油泵车模拟训练与考核半物理仿真系统，其包括由真实操作面板改造而成的仿真操作面板(1)、实现信号采集和驱动执行的下位机系统(2)、实现虚拟现实技术的以触摸屏工控机为主体的上位机系统(3)、同步投影系统(4)、室内操作和野外操作的电源转换系统(5)和航空液压油泵车模拟训练考核半物理仿真系统的外形及机械架构。其中仿真操作面板(1)上所有指示仪表必须是小量程(ImA)的电流表，对于真实操作面板原有的由航空油流体驱动的油压表，通过更换表芯改造成由电流驱动的电流表； 真实操作面板原有的温度和流量表本身表头就是量程ImA的电流表，可通过去除其信号变换电路保留表头的改造达到要求；真实操作面板原有的由旋转发动机驱动的工作时间指示表(6位数字显示)，通过设计6位数码计时模块替代。仿真操作面板(1)保留原有真实面板的操作按钮、旋钮和拨动开关，对于流量和油门调节旋钮，通过嵌入旋钮电位器的方式进行改造；原有真实面板工作状态指示灯本身即为直流12v驱动，故无需改造。上述的实现信号采集和驱动执行的下位机系统(2)包括开关信号输入(DI)采集模块(6)、模拟信号输入(Al)采集模块(7)、开关量输出(DO)驱动模块(8)、模拟量输出 (AO)驱动模块(9)、单片机控制模块(10)和下位机串口通讯模块(11)。上述的实现虚拟现实技术的以触摸屏工控机为主体的上位机系统(3)和同步投影系统(4)，它包括油泵车模拟训练考核软件模块(12)、虚拟界面(13)和同步投影及对应于下位机的标准的RS232串口通信协议。本发明分室内和野外两种工作模式，其特征在于其野外训练采用蓄电池供电、室内训练可直接连接220V交流电工作两种供电模式。室内操作和野外操作的电源转换系统 (5)包括UPS不间断电源(14)、供电方式选择模块(15)和蓄电池充电控制模块(16)。为使系统运行科学和保证系统长期运行的可靠性，本系统设计了管理员登录模块 (17)，使获得授权的系统管理员可以登录系统，调看前期操作记录，或对系统进行维护。为使系统运行科学和保证系统长期运行的可靠性，本系统还包括管理员登录模块 (17)，使获得授权的系统管理员可以登录系统，调看前期操作记录，或对系统进行维护。航空液压油泵车的模拟训练，首先系统下达油泵车训练任务；然后训练人员根据训练任务的要求，通过I/O接口与VR系统进行交互训练；最后记录训练信息并示范出正确的操作。I/O接口包括输入设备和输出设备。输入设备包括操作面板开关、旋钮和计算机输入设备。输出设备包括操作面板仪表、指示灯和计算机显示器。3、有益效果
本发明提供了航空液压油泵车模拟训练与考核半物理仿真系统，通过软件系统和硬件接口相结合的方式实现虚拟现实技术在模拟训练考核系统中的应用，提供航空液压油泵车的模拟训练和考核的功能，在近似实车、实际环境和工作程序下不受天气、时间、环境和设备的影响，随时随地进行训练，使受训者真实地获取所需的能力。本发明不仅有效解决实装同时训练人数少、训练费用高的问题，而且为装备的维护、保养及教学提供了很好的平台。本发明采用目前大量应用的航空液压油泵车的真实操作面板，对其进行改造，设计对应模拟操作和考核训练习题，使其在脱离真车的情况下，训练时能模拟油泵车的实际操作，能模拟实际运行时油泵车面板的工作情况，能在真实操作面板上和计算机显示器的虚拟操作面板上同步显示操作者的实际操作步骤；能够检测并记录操作者的每一步操作， 并存储和同步打印输出操作者的实际操作步骤和正确操作步骤，给操作者作为自身对比分析资料，使操作者能在较短时间内实现独立正确操作实际装备，而在考核时可作为专家对操作者评分的具体依据；航空液压油泵车模拟训练与考核半物理仿真系统采用两种供电模式工作。
图1为本发明的系统结构示意图； 图2为本发明的模拟训练软件界面图；图3为本发明的系统主界面图； 图4为本发明的系统训练、考核模式选择界面图； 图5为本发明的系统训练软件流程图。具体实施方案
下面结合附图和具体实例对本发明做详细阐述。航空液压油泵车模拟训练与考核半物理仿真系统，其结构如图1所示，它包括由真实操作面板改造而成的1:1的仿真操作面板1、实现信号采集和驱动执行的下位机系统 2、实现虚拟现实技术的以触摸屏工控机为主体的上位机系统3、同步投影系统4、室内操作和野外操作的电源转换系统5和航空液压油泵车模拟训练考核半物理仿真系统的外形及机械架构。仿真操作面板1所有操作信号输入端与下位机系统2的开关信号输入(DI)采集模块6和模拟信号输入(Al)采集模块7连接，并通过单片机控制模块10和下位机串口通讯模块11与上位机系统3的工控机12连接；油泵车模拟训练考核软件模块13给出的输出信号通过串口通讯模块11与单片机控制模块10连接，再通过开关量输出(DO)驱动模块8 和模拟量输出(AO)驱动模块9连接到仿真操作面板1 ；同步投影系统4与工控机12连接； UPS不间断电源14通过供电方式选择模块15和蓄电池充电控制模块16与下位机系统2、 上位机系统3和同步投影系统4连接。工作原理下位机系统2的单片机控制模10通过开关信号输入(DI)采集模块6 和模拟信号输入(Al)采集模块7采集训练人员对仿真操作面板1的操作信息，下位机串口通讯模块11将此信息上传给上位机系统3的工控机12，工控机12接受信息后，其油泵车模拟训练考核软件模块13给出对应的驱动信号，通过下位机串口通讯模块11下达给单片机控制模块10，同时驱动虚拟界面14的对应虚拟开关、仪表和指示灯等控件，以及同步投影系统4等作出同步显示；单片机控制模块10接受油泵车模拟训练考核软件模块13给出对应的驱动信号，通过开关量输出DO驱动模块8和模拟量输出(AO)驱动模块9驱动仿真操作面板1的真实仪表和指示灯，实现对航空液压油泵车模拟训练与考核的直观显示。本训练和考核系统对油泵车使用的操作分为两种类型第一种是对操作面板的操作；第二种是非操作面板的操作，即对将虚拟界面作为操作面板的操作，以保证系统面板和下位机故障情况下仍能进行基本的训练和考核模型仿真。系统一旦上电，下位机系统即启动，控制所有输出量为无效状态(所有模拟输出为零，所有开关输出为高)，且上传一帧数据表述准备好，然后进入等待状态；在系统使用过程中，下位机对操作信号进行采集并判断信号是否变化，如果变化则通过串口通信将数据上传给上位机系统，上位机系统进行数据处理，再通过串口通信将数据和控制命令下载给下位机系统，最后输出到显示面板。下位机系统接收上位机传送的命令，并按照协议执行，其工作完全受上位机控制，上位机系统可以通过发送命令让下位机系统进入掉电状态，整个控制过程为闭环控制。本实施方式中各部件的功能
仿真操作面板ι 是由航空液压油泵车的真实操作面板的改造而成，如图2所示，主要包括航空液压油泵车两个子系统的电源、照明、输出压力等13拨动开关；2个辅助压力和1 个系统急停带自锁按钮和2个气泡观测无自锁按钮；2个输出压力调节旋钮和1个发动机启动与油门控制旋动螺杆；两个系统输出压力仪表、4个辅助压力仪表、2个系统温度仪表、2个液体流量仪表、1个发动机转速表及4个航空液压油泵车运行状态显示仪表；1个机械数字旋转式航空液压油泵车发动机驱动的工作时间记录仪；还包括对应于所有开关动作的 20个指示灯(电源通和急停控制为红灯，其它为绿灯和黄灯)、显示系统不同故障的17个指示灯(红灯)。操作面板是训练考核人员操作及显示的主体，采用中国人名解放军空军南京四站装备修理厂生产的YYBC-2型航空液压油泵车的真实操作面板。系统采用1 :1的仿真操作面板，使得受训者有实际训练环境的真实感。下位机系统2 完成操作信号的采集、上传和根据上位机指令驱动面板仪表和指示灯。单片机控制模块10采用STC 12C5A60AD型号系列单片机，相比较常用的51系列单片机，因STC系列单片机本身集成了 8位A/D和D/A模块，只需添加规定的外围元件即可以简便完成模拟信号输入(Al)采集模块7、开关量输出(DO)驱动模块8、模拟量输出(AO)驱动模块9的构建；下位机系统2还包括DC/DC电路，将12V直流电源转换为12V直流电源为单片机供电；和输出驱动三极管列用于驱动仿真操作面板1的所有模拟电流表。上位机系统3 在训练人员在操作过程中，上位机系统3接受下位机上传信号、驱动虚拟面板和同步投影系统；在操作结束后，驱动嵌入式打印机15打印出受训者所有的操作步骤以及正确的操作步骤。工控机12选用普通配置，运行于windows XP过windows 7 操作系统，显示器为15吋工业液晶触摸屏、5线制，型号V150IT。油泵车模拟训练考核软件模块13 对接受的下位机上传信号进行CRC校验、逐一记录受训者的操作步骤，写入数据库；对比实际操作步骤和正确操作步骤的差异并输出结果。此软件模块是基于Visual Studio 2008平台、采用C#语言开发的。虚拟界面14 在工业液晶触摸屏同步显示虚拟面板各控件的改变，并接受触摸操作。此界面是基于Visual Studio 2008平台、采用0#语言结合控件开发的。打印机15 在操作和考核结束后打印实际操作步骤，并对比打印正确操作步骤。 本发明选用SPRT系列嵌入式打印机。同步投影系统4 以投影于大屏幕方式同步显示训练人员的实际操作步骤和虚拟面板各控件的改变。本发明选用Sony投影仪、型号VPL-EX120。UPS不间断电源16 为系统供电，并在野外训练和考核时，在供电方式选择模块17 控制下，提供经本电源标配蓄电池直流36v逆变的220V交流电源。本发明选用艾默生600w UPS不间断电源，蓄电池标配为1200Ah。供电方式选择模块17和蓄电池充电控制模块18 实现室内和野外训练和考核时系统供电方式的选择，并在野外蓄电池电量不足后实现蓄电池充电控制。它们包括一个24V 直流控制接触器、一个220v交流接触器及一个交流空气开关，皆选用正泰电器的相应产品。仿真操作面板1上所有指示仪表统一采用小量程(ImA)的电流表，对于真实操作面板原有的由航空油流体驱动的油压表，通过更换表芯和设计固定底座方式改造成由电流驱动的量程ImA电流表；真实操作面板原有的发动机转速表、系统温度和流量表本身表头就是量程ImA的电流表，可通过去除其信号变换电路保留表头的改造达到要求；真实操作面板原有的由旋转发动机驱动的工作时间指示表(6位机械式数字旋转显示形式)，通过设计6位数码计时模块替代；真实操作面板原有的压力调节旋钮和油门控制旋转螺杆，通过嵌入旋钮电位器的方式进行改造，将油压变化和位置变化转换为0-12V线性直流电压变化信号；原有真实面板工作状态指示灯本身即为直流12v驱动，无需改造。下位机使用STC系列单片机，采用标准的RS232串口通信协议，其内部的8路高速 A/D转换通道作为系统模拟量采集输入口。开关量数据采集总线包括四位选信号和八位数据信号组成，通过片选信号和数据缓存芯片对32位开关量信号进行循环采集。模拟量信号通过STC系列单片机内部A/D转换模块转换成数字量，并储存在单片机特定的寄存器里。输出接口模块主要包括仪表和指示灯的显示及相应的显示电路，分别由开关量信号和模拟量信号控制。开关量输出控制总线由1位数据和1位时钟信号组成。开关量信号以串行的方式，并通过时钟位的控制，由移位寄存器电路一位一位的输出。模拟量输出控制总线包括1 位通道选择位、1位片选信号、1位数据信号和1位时钟信号。系统通过模拟量输出控制总线向D/A转换芯片发送数据，并转换成模拟量输出。系统启动后，受训者通过计算控制选择训练系统或考核系统。经过短暂的初始化过程后，进入主界面见图3，点击主界面的“训练和考核”控件，进入选择界面图4，如再点击 “训练”控件，进入正式训练操作界面见图2。受训者需输入姓名和ID后才能进行操作过程。 ID的设置是建立数据库的需要，方便查询受训者的训练情况以及易于区分。在操作过程中， 系统逐一记录受训者的操作步骤，并写入数据库。在操作结束后，系统将打印出受训者所有的操作步骤以及正确的操作步骤。这部分功能实施的核心是自主开发油泵车模拟训练考核软件模块，以训练模式为例，其软件流程见图5。管理员登录模块亦是基于Visual Studio 2008平台、采用0#语言开发的，权限设置由软件完成。本发明供电方式选择通过主控开关为24V直流电源控制的接触器结合220V交流接触器作为辅助开关、配合UPS电源实现自动选择，；为防止系统野外训练时间长或长期闲置，导致蓄电池电量不足，下次训练时主控开关无法启动，本发明在主控开关24V直流电源控制的接触器的常开触点两端并联一个空气开关，手动实现蓄电池充电控制，充电结束后断开此空气开关。
权利要求
1.航空液压油泵车模拟训练与考核半物理仿真系统，其特征在于包括由真实操作面板改造而成的仿真操作面板(1)、实现信号采集和驱动执行的下位机系统(2)、实现虚拟现实技术的以触摸屏工控机为主体的上位机系统(3)、同步投影系统(4)、室内操作和野外操作的电源转换系统(5)和航空液压油泵车模拟训练考核半物理仿真系统的外形及机械架构。
2.根据权利1要求的航空液压油泵车模拟训练与考核半物理仿真系统，其特征在于仿真操作面板(1)上所有指示仪表必须是量程为ImA的电流表，对于真实操作面板原有的由航空油流体驱动的油压表，通过更换表芯改造成由电流驱动的电流表；真实操作面板可通过去除其信号变换电路保留表头的改造达到要求；真实操作面板原有的由旋转发动机驱动的工作时间指示表，通过设计6位数码计时模块替代。
3.根据权利1要求的航空液压油泵车模拟训练与考核半物理仿真系统，其特征在于仿真操作面板(1)保留原有真实面板的操作按钮、旋钮和拨动开关，对于流量和油门调节旋钮，通过嵌入旋钮电位器的方式进行改造。
4.根据权利1、2或3所述的航空液压油泵车模拟训练与考核半物理仿真系统，其特征在于实现信号采集和驱动执行的下位机系统(2)包括开关信号输入DI采集模块(6)、模拟信号输入(Al)采集模块(7)、开关量输出DO驱动模块(8)、模拟量输出AO驱动模块(9)、单片机控制模块(10 )和下位机串口通讯模块(11)。
5.根据权利1、2或3所述的航空液压油泵车模拟训练与考核半物理仿真系统，其特征在于实现虚拟现实技术的以触摸屏工控机为主体的上位机系统(3)和同步投影系统(4)， 它包括油泵车模拟训练考核软件模块(12)、虚拟界面(13)和同步投影及对应于下位机的标准的RS232串口通信协议。
6.根据权利1、2或3所述的航空液压油泵车模拟训练与考核半物理仿真系统，其特征在于室内操作和野外操作的电源转换系统(5)包括UPS不间断电源(14)、供电方式选择模块(15)和蓄电池充电控制模块(16)。
7.根据权利1、2或3所述的航空液压油泵车模拟训练与考核半物理仿真系统，其特征在于实现虚拟现实技术的以触摸屏工控机为主体的上位机系统(3)还包括管理员登录模块 (17)。
全文摘要
本发明公开了航空液压油泵车模拟训练与考核半物理仿真系统，涉及一种液压油泵车半物理仿真系统。其包括由真实操作面板改造而成的仿真操作面板(1)、实现信号采集和驱动执行的下位机系统(2)、实现虚拟现实技术的以触摸屏工控机为主体的上位机系统(3)、同步投影系统(4)、室内操作和野外操作的电源转换系统(5)和航空液压油泵车模拟训练考核半物理仿真系统的外形及机械架构。本发明在近似实车、实际环境和工作程序下不受天气、时间、环境和设备的影响，随时随地进行训练，使受训者真实地获取所需的能力。本发明不仅有效解决实装同时训练人数少、训练费用高的问题，而且为装备的维护、保养及教学提供了很好的平台。
文档编号G09B9/00GK102324196SQ201110316680
公开日2012年1月18日 申请日期2011年10月18日 优先权日2011年10月18日
发明者朱张青, 李文利, 赵佳宝, 路详生, 辛博, 陈强, 陈春林 申请人:南京大学
技术领域：
本发明涉及一种航空液压油泵车半物理仿真系统，更具体的说是一种航空液压油泵车模拟训练与考核半物理仿真系统。
背景技术：
航空液压油泵车，是供飞机维修、检测的地面保障液压设备。航空液压油泵车模拟训练与考核半物理仿真系统是航空液压油泵车操作培训和考核的一种特有的仿真方法，它通过对航空液压油泵车的真实操作面板的改造，结合单片机信号采集和控制技术、计算机实时控制技术和虚拟现实技术，搭建一个具有很强真实感的训练环境和考核平台。面板的操作感觉和显示与真实航空液压油泵车完全一致，单片机信号采集和控制技术、计算机实时控制技术和虚拟现实技术可同步记录、显示(含投影)、打印训练人员的操作步骤和操作过程，考核系统可以为判断训练效果提供客观的依据。目前，对航空液压油泵车的训练和考核主要有两种方式实地训练和模型训练。其缺点是1.必须和飞机进行对接才能完成全部的训练过程，油泵车使用不恰当会对飞机造成破坏性影响。而且飞机在使用过程中并非每次都需要使用油泵车，造成可训练机会少； 2.训练费用大；3.考核中人的影响因素比较大，容易产生误判；4.模型训练由于仅仅在计算机上完成，使得训练人员对真实环境缺乏了解；5.不能起到油泵车使用者与设计制造者之间的桥梁作用，使用者无法体会在油泵车的设计制造阶段体验液压系统设计和动力传输系统设计等等的合理性和可操作性，从而在客观上造成设计制造与使用的脱节，无法对油泵车的改进提供帮助。
发明内容
1、发明要解决的技术问题
针对航空液压油泵车的训练的两种方式实地训练和模型训练所存在的缺点，本发明提供航空液压油泵车模拟训练与考核半物理仿真系统，通过软件系统和硬件接口相结合的方式实现虚拟现实技术在模拟训练考核系统中的应用，提供航空液压油泵车的模拟训练和考核的功能。2、技术方案
本发明的目的是这样实现的
航空液压油泵车模拟训练与考核半物理仿真系统，其包括由真实操作面板改造而成的仿真操作面板(1)、实现信号采集和驱动执行的下位机系统(2)、实现虚拟现实技术的以触摸屏工控机为主体的上位机系统(3)、同步投影系统(4)、室内操作和野外操作的电源转换系统(5)和航空液压油泵车模拟训练考核半物理仿真系统的外形及机械架构。其中仿真操作面板(1)上所有指示仪表必须是小量程(ImA)的电流表，对于真实操作面板原有的由航空油流体驱动的油压表，通过更换表芯改造成由电流驱动的电流表； 真实操作面板原有的温度和流量表本身表头就是量程ImA的电流表，可通过去除其信号变换电路保留表头的改造达到要求；真实操作面板原有的由旋转发动机驱动的工作时间指示表(6位数字显示)，通过设计6位数码计时模块替代。仿真操作面板(1)保留原有真实面板的操作按钮、旋钮和拨动开关，对于流量和油门调节旋钮，通过嵌入旋钮电位器的方式进行改造；原有真实面板工作状态指示灯本身即为直流12v驱动，故无需改造。上述的实现信号采集和驱动执行的下位机系统(2)包括开关信号输入(DI)采集模块(6)、模拟信号输入(Al)采集模块(7)、开关量输出(DO)驱动模块(8)、模拟量输出 (AO)驱动模块(9)、单片机控制模块(10)和下位机串口通讯模块(11)。上述的实现虚拟现实技术的以触摸屏工控机为主体的上位机系统(3)和同步投影系统(4)，它包括油泵车模拟训练考核软件模块(12)、虚拟界面(13)和同步投影及对应于下位机的标准的RS232串口通信协议。本发明分室内和野外两种工作模式，其特征在于其野外训练采用蓄电池供电、室内训练可直接连接220V交流电工作两种供电模式。室内操作和野外操作的电源转换系统 (5)包括UPS不间断电源(14)、供电方式选择模块(15)和蓄电池充电控制模块(16)。为使系统运行科学和保证系统长期运行的可靠性，本系统设计了管理员登录模块 (17)，使获得授权的系统管理员可以登录系统，调看前期操作记录，或对系统进行维护。为使系统运行科学和保证系统长期运行的可靠性，本系统还包括管理员登录模块 (17)，使获得授权的系统管理员可以登录系统，调看前期操作记录，或对系统进行维护。航空液压油泵车的模拟训练，首先系统下达油泵车训练任务；然后训练人员根据训练任务的要求，通过I/O接口与VR系统进行交互训练；最后记录训练信息并示范出正确的操作。I/O接口包括输入设备和输出设备。输入设备包括操作面板开关、旋钮和计算机输入设备。输出设备包括操作面板仪表、指示灯和计算机显示器。3、有益效果
本发明提供了航空液压油泵车模拟训练与考核半物理仿真系统，通过软件系统和硬件接口相结合的方式实现虚拟现实技术在模拟训练考核系统中的应用，提供航空液压油泵车的模拟训练和考核的功能，在近似实车、实际环境和工作程序下不受天气、时间、环境和设备的影响，随时随地进行训练，使受训者真实地获取所需的能力。本发明不仅有效解决实装同时训练人数少、训练费用高的问题，而且为装备的维护、保养及教学提供了很好的平台。本发明采用目前大量应用的航空液压油泵车的真实操作面板，对其进行改造，设计对应模拟操作和考核训练习题，使其在脱离真车的情况下，训练时能模拟油泵车的实际操作，能模拟实际运行时油泵车面板的工作情况，能在真实操作面板上和计算机显示器的虚拟操作面板上同步显示操作者的实际操作步骤；能够检测并记录操作者的每一步操作， 并存储和同步打印输出操作者的实际操作步骤和正确操作步骤，给操作者作为自身对比分析资料，使操作者能在较短时间内实现独立正确操作实际装备，而在考核时可作为专家对操作者评分的具体依据；航空液压油泵车模拟训练与考核半物理仿真系统采用两种供电模式工作。
图1为本发明的系统结构示意图； 图2为本发明的模拟训练软件界面图；图3为本发明的系统主界面图； 图4为本发明的系统训练、考核模式选择界面图； 图5为本发明的系统训练软件流程图。具体实施方案
下面结合附图和具体实例对本发明做详细阐述。航空液压油泵车模拟训练与考核半物理仿真系统，其结构如图1所示，它包括由真实操作面板改造而成的1:1的仿真操作面板1、实现信号采集和驱动执行的下位机系统 2、实现虚拟现实技术的以触摸屏工控机为主体的上位机系统3、同步投影系统4、室内操作和野外操作的电源转换系统5和航空液压油泵车模拟训练考核半物理仿真系统的外形及机械架构。仿真操作面板1所有操作信号输入端与下位机系统2的开关信号输入(DI)采集模块6和模拟信号输入(Al)采集模块7连接，并通过单片机控制模块10和下位机串口通讯模块11与上位机系统3的工控机12连接；油泵车模拟训练考核软件模块13给出的输出信号通过串口通讯模块11与单片机控制模块10连接，再通过开关量输出(DO)驱动模块8 和模拟量输出(AO)驱动模块9连接到仿真操作面板1 ；同步投影系统4与工控机12连接； UPS不间断电源14通过供电方式选择模块15和蓄电池充电控制模块16与下位机系统2、 上位机系统3和同步投影系统4连接。工作原理下位机系统2的单片机控制模10通过开关信号输入(DI)采集模块6 和模拟信号输入(Al)采集模块7采集训练人员对仿真操作面板1的操作信息，下位机串口通讯模块11将此信息上传给上位机系统3的工控机12，工控机12接受信息后，其油泵车模拟训练考核软件模块13给出对应的驱动信号，通过下位机串口通讯模块11下达给单片机控制模块10，同时驱动虚拟界面14的对应虚拟开关、仪表和指示灯等控件，以及同步投影系统4等作出同步显示；单片机控制模块10接受油泵车模拟训练考核软件模块13给出对应的驱动信号，通过开关量输出DO驱动模块8和模拟量输出(AO)驱动模块9驱动仿真操作面板1的真实仪表和指示灯，实现对航空液压油泵车模拟训练与考核的直观显示。本训练和考核系统对油泵车使用的操作分为两种类型第一种是对操作面板的操作；第二种是非操作面板的操作，即对将虚拟界面作为操作面板的操作，以保证系统面板和下位机故障情况下仍能进行基本的训练和考核模型仿真。系统一旦上电，下位机系统即启动，控制所有输出量为无效状态(所有模拟输出为零，所有开关输出为高)，且上传一帧数据表述准备好，然后进入等待状态；在系统使用过程中，下位机对操作信号进行采集并判断信号是否变化，如果变化则通过串口通信将数据上传给上位机系统，上位机系统进行数据处理，再通过串口通信将数据和控制命令下载给下位机系统，最后输出到显示面板。下位机系统接收上位机传送的命令，并按照协议执行，其工作完全受上位机控制，上位机系统可以通过发送命令让下位机系统进入掉电状态，整个控制过程为闭环控制。本实施方式中各部件的功能
仿真操作面板ι 是由航空液压油泵车的真实操作面板的改造而成，如图2所示，主要包括航空液压油泵车两个子系统的电源、照明、输出压力等13拨动开关；2个辅助压力和1 个系统急停带自锁按钮和2个气泡观测无自锁按钮；2个输出压力调节旋钮和1个发动机启动与油门控制旋动螺杆；两个系统输出压力仪表、4个辅助压力仪表、2个系统温度仪表、2个液体流量仪表、1个发动机转速表及4个航空液压油泵车运行状态显示仪表；1个机械数字旋转式航空液压油泵车发动机驱动的工作时间记录仪；还包括对应于所有开关动作的 20个指示灯(电源通和急停控制为红灯，其它为绿灯和黄灯)、显示系统不同故障的17个指示灯(红灯)。操作面板是训练考核人员操作及显示的主体，采用中国人名解放军空军南京四站装备修理厂生产的YYBC-2型航空液压油泵车的真实操作面板。系统采用1 :1的仿真操作面板，使得受训者有实际训练环境的真实感。下位机系统2 完成操作信号的采集、上传和根据上位机指令驱动面板仪表和指示灯。单片机控制模块10采用STC 12C5A60AD型号系列单片机，相比较常用的51系列单片机，因STC系列单片机本身集成了 8位A/D和D/A模块，只需添加规定的外围元件即可以简便完成模拟信号输入(Al)采集模块7、开关量输出(DO)驱动模块8、模拟量输出(AO)驱动模块9的构建；下位机系统2还包括DC/DC电路，将12V直流电源转换为12V直流电源为单片机供电；和输出驱动三极管列用于驱动仿真操作面板1的所有模拟电流表。上位机系统3 在训练人员在操作过程中，上位机系统3接受下位机上传信号、驱动虚拟面板和同步投影系统；在操作结束后，驱动嵌入式打印机15打印出受训者所有的操作步骤以及正确的操作步骤。工控机12选用普通配置，运行于windows XP过windows 7 操作系统，显示器为15吋工业液晶触摸屏、5线制，型号V150IT。油泵车模拟训练考核软件模块13 对接受的下位机上传信号进行CRC校验、逐一记录受训者的操作步骤，写入数据库；对比实际操作步骤和正确操作步骤的差异并输出结果。此软件模块是基于Visual Studio 2008平台、采用C#语言开发的。虚拟界面14 在工业液晶触摸屏同步显示虚拟面板各控件的改变，并接受触摸操作。此界面是基于Visual Studio 2008平台、采用0#语言结合控件开发的。打印机15 在操作和考核结束后打印实际操作步骤，并对比打印正确操作步骤。 本发明选用SPRT系列嵌入式打印机。同步投影系统4 以投影于大屏幕方式同步显示训练人员的实际操作步骤和虚拟面板各控件的改变。本发明选用Sony投影仪、型号VPL-EX120。UPS不间断电源16 为系统供电，并在野外训练和考核时，在供电方式选择模块17 控制下，提供经本电源标配蓄电池直流36v逆变的220V交流电源。本发明选用艾默生600w UPS不间断电源，蓄电池标配为1200Ah。供电方式选择模块17和蓄电池充电控制模块18 实现室内和野外训练和考核时系统供电方式的选择，并在野外蓄电池电量不足后实现蓄电池充电控制。它们包括一个24V 直流控制接触器、一个220v交流接触器及一个交流空气开关，皆选用正泰电器的相应产品。仿真操作面板1上所有指示仪表统一采用小量程(ImA)的电流表，对于真实操作面板原有的由航空油流体驱动的油压表，通过更换表芯和设计固定底座方式改造成由电流驱动的量程ImA电流表；真实操作面板原有的发动机转速表、系统温度和流量表本身表头就是量程ImA的电流表，可通过去除其信号变换电路保留表头的改造达到要求；真实操作面板原有的由旋转发动机驱动的工作时间指示表(6位机械式数字旋转显示形式)，通过设计6位数码计时模块替代；真实操作面板原有的压力调节旋钮和油门控制旋转螺杆，通过嵌入旋钮电位器的方式进行改造，将油压变化和位置变化转换为0-12V线性直流电压变化信号；原有真实面板工作状态指示灯本身即为直流12v驱动，无需改造。下位机使用STC系列单片机，采用标准的RS232串口通信协议，其内部的8路高速 A/D转换通道作为系统模拟量采集输入口。开关量数据采集总线包括四位选信号和八位数据信号组成，通过片选信号和数据缓存芯片对32位开关量信号进行循环采集。模拟量信号通过STC系列单片机内部A/D转换模块转换成数字量，并储存在单片机特定的寄存器里。输出接口模块主要包括仪表和指示灯的显示及相应的显示电路，分别由开关量信号和模拟量信号控制。开关量输出控制总线由1位数据和1位时钟信号组成。开关量信号以串行的方式，并通过时钟位的控制，由移位寄存器电路一位一位的输出。模拟量输出控制总线包括1 位通道选择位、1位片选信号、1位数据信号和1位时钟信号。系统通过模拟量输出控制总线向D/A转换芯片发送数据，并转换成模拟量输出。系统启动后，受训者通过计算控制选择训练系统或考核系统。经过短暂的初始化过程后，进入主界面见图3，点击主界面的“训练和考核”控件，进入选择界面图4，如再点击 “训练”控件，进入正式训练操作界面见图2。受训者需输入姓名和ID后才能进行操作过程。 ID的设置是建立数据库的需要，方便查询受训者的训练情况以及易于区分。在操作过程中， 系统逐一记录受训者的操作步骤，并写入数据库。在操作结束后，系统将打印出受训者所有的操作步骤以及正确的操作步骤。这部分功能实施的核心是自主开发油泵车模拟训练考核软件模块，以训练模式为例，其软件流程见图5。管理员登录模块亦是基于Visual Studio 2008平台、采用0#语言开发的，权限设置由软件完成。本发明供电方式选择通过主控开关为24V直流电源控制的接触器结合220V交流接触器作为辅助开关、配合UPS电源实现自动选择，；为防止系统野外训练时间长或长期闲置，导致蓄电池电量不足，下次训练时主控开关无法启动，本发明在主控开关24V直流电源控制的接触器的常开触点两端并联一个空气开关，手动实现蓄电池充电控制，充电结束后断开此空气开关。
权利要求
1.航空液压油泵车模拟训练与考核半物理仿真系统，其特征在于包括由真实操作面板改造而成的仿真操作面板(1)、实现信号采集和驱动执行的下位机系统(2)、实现虚拟现实技术的以触摸屏工控机为主体的上位机系统(3)、同步投影系统(4)、室内操作和野外操作的电源转换系统(5)和航空液压油泵车模拟训练考核半物理仿真系统的外形及机械架构。
2.根据权利1要求的航空液压油泵车模拟训练与考核半物理仿真系统，其特征在于仿真操作面板(1)上所有指示仪表必须是量程为ImA的电流表，对于真实操作面板原有的由航空油流体驱动的油压表，通过更换表芯改造成由电流驱动的电流表；真实操作面板可通过去除其信号变换电路保留表头的改造达到要求；真实操作面板原有的由旋转发动机驱动的工作时间指示表，通过设计6位数码计时模块替代。
3.根据权利1要求的航空液压油泵车模拟训练与考核半物理仿真系统，其特征在于仿真操作面板(1)保留原有真实面板的操作按钮、旋钮和拨动开关，对于流量和油门调节旋钮，通过嵌入旋钮电位器的方式进行改造。
4.根据权利1、2或3所述的航空液压油泵车模拟训练与考核半物理仿真系统，其特征在于实现信号采集和驱动执行的下位机系统(2)包括开关信号输入DI采集模块(6)、模拟信号输入(Al)采集模块(7)、开关量输出DO驱动模块(8)、模拟量输出AO驱动模块(9)、单片机控制模块(10 )和下位机串口通讯模块(11)。
5.根据权利1、2或3所述的航空液压油泵车模拟训练与考核半物理仿真系统，其特征在于实现虚拟现实技术的以触摸屏工控机为主体的上位机系统(3)和同步投影系统(4)， 它包括油泵车模拟训练考核软件模块(12)、虚拟界面(13)和同步投影及对应于下位机的标准的RS232串口通信协议。
6.根据权利1、2或3所述的航空液压油泵车模拟训练与考核半物理仿真系统，其特征在于室内操作和野外操作的电源转换系统(5)包括UPS不间断电源(14)、供电方式选择模块(15)和蓄电池充电控制模块(16)。
7.根据权利1、2或3所述的航空液压油泵车模拟训练与考核半物理仿真系统，其特征在于实现虚拟现实技术的以触摸屏工控机为主体的上位机系统(3)还包括管理员登录模块 (17)。
全文摘要
本发明公开了航空液压油泵车模拟训练与考核半物理仿真系统，涉及一种液压油泵车半物理仿真系统。其包括由真实操作面板改造而成的仿真操作面板(1)、实现信号采集和驱动执行的下位机系统(2)、实现虚拟现实技术的以触摸屏工控机为主体的上位机系统(3)、同步投影系统(4)、室内操作和野外操作的电源转换系统(5)和航空液压油泵车模拟训练考核半物理仿真系统的外形及机械架构。本发明在近似实车、实际环境和工作程序下不受天气、时间、环境和设备的影响，随时随地进行训练，使受训者真实地获取所需的能力。本发明不仅有效解决实装同时训练人数少、训练费用高的问题，而且为装备的维护、保养及教学提供了很好的平台。
文档编号G09B9/00GK102324196SQ201110316680
公开日2012年1月18日 申请日期2011年10月18日 优先权日2011年10月18日
发明者朱张青, 李文利, 赵佳宝, 路详生, 辛博, 陈强, 陈春林 申请人:南京大学
最新回复(0)