直升機飛行模擬器視景系統(tǒng)的仿真分析

孔慶波

摘 要：在我國直升機技術發(fā)展過程中，各種類型的直升機數量得到了大規(guī)模的上升，而對于直升機設置的安全高效應用也成為直升機技術發(fā)展過程中的重要問題。現(xiàn)階段常用的直升機技術培訓模式主要是基于虛擬現(xiàn)實技術的直升機仿真模擬訓練，其在實際運行過程中會出現(xiàn)了近景圖像虛化、虛擬成像平面與實際錯位等一系列問題，影響了整體直升機系統(tǒng)運行效率。因此本文通過對高仿真直升機飛行模擬器的設置，對直升機飛行模擬效果提升進行了簡單的分析。

關鍵詞：直升機飛行模擬器；視景系統(tǒng)；仿真分析

中圖分類號：TP391.41 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）14-0052-02

在計算機技術發(fā)展過程中，直升機飛行模擬器在直升機技術研制過程中占據著重要的地位。而視覺景觀系統(tǒng)是直升機飛行模擬器系統(tǒng)的重要構成模塊，其可以為直升機運行過程中提供良好的外部景象。在直升機飛行速度及高度較低的情況下視覺系統(tǒng)可提供較清晰的景象，而在直升機貼地機動飛行、低空懸停環(huán)節(jié)則對整體視覺景觀系統(tǒng)要求較高。因此對直升機飛行模擬器視覺景觀系統(tǒng)進行進一步仿真分析具有非常重要的意義。

1 直升機飛行模擬器組成架構

直升機飛行模擬器主要是將直升機為模擬對象的人機閉環(huán)實時仿真體系，直升機飛行模擬器在運行過程中主要包括座艙仿真系統(tǒng)、武器仿真系統(tǒng)、網絡系統(tǒng)、總控制系統(tǒng)、聲音仿真系統(tǒng)、視景仿真系統(tǒng)、運動感覺系統(tǒng)、飛行仿真系統(tǒng)等幾個模塊。

飛行仿真系統(tǒng)是整體飛行模擬器正常運行的基礎，其在運行過程中需要結合直升機運行特定進行飛行狀態(tài)數據的實時解答計算，然后將計算后獲得的數據傳輸到其他相關模塊，為整體飛行實時仿真系統(tǒng)的準確模擬提供依據；而座艙仿真系統(tǒng)主要是為直升機飛行員提供真實度較高的直升機座艙駕駛環(huán)境，其主要包括機載設備、座艙艙體、座艙操控構件等相關組成構建。在實際仿真系統(tǒng)設置骨沖中需要根據直升機實際情況在直升機飛行模擬器位置進行真實比例模擬，結合圖形儀表的運行，以保障模擬過程中直升機飛行模擬器的指標特點與實際情況相同；直升機運動感覺系統(tǒng)主要通過高頻低幅度的振動，有效模擬直升機在飛行過程中的各個過程，其主要有振動裝置、抖振裝置等部件構成；武器仿真系統(tǒng)在實際運行中主要對直升機瞄準裝置、發(fā)射裝置、武器控制裝置等相關模塊構成，其主要通過彈道數學模型的建立進行各項武器系統(tǒng)的模擬訓練；視景仿真系統(tǒng)主要為飛行員提供較為真實的外部景象，其如直升機飛行器在運動過程中低空飛行、武器發(fā)射、飛行降落等視覺信息，在整體視覺仿真系統(tǒng)運行過程中主要包括地形模型數據庫、視覺景觀顯示系統(tǒng)、場景驅動管理軟件等。

2 直升機飛行模擬視覺景觀系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

2.1 直升機飛行模擬器視覺景觀系統(tǒng)設置

直升機飛行模擬器主要以直升機飛行員地面模擬訓練為依據，通過特情處置訓練、基本駕駛技術訓練、武器攻擊訓練等相關訓練模式的仿真模擬，可為相關直升機飛行員了解直升機設備程序及基礎性能提供良好的依據[1]。在直升機飛行模擬器視覺景觀系統(tǒng)總體設置過程中，主要包括直升機基礎飛行品質的準確模擬、直升機座艙環(huán)境界面的防真模擬、直升機系統(tǒng)設備故障的模擬、直升機飛行過程的記錄回放、直升機功能系統(tǒng)的工作特點等方面。

2.2 場景驅動管理軟件設計

在直升機飛行模擬系統(tǒng)視覺景觀系統(tǒng)設置過程中，需要在相關視覺景觀數據庫建設完畢的基礎上，結合實際仿真任務，對飛行模擬其驅動設施進行合理設置。為了保證相關直升機飛行模擬器顯示幀數達到25幀，可采用30.0-60.0幀數的更新效率，對整體視景仿真軟件進行合理設置。在視覺景觀圖像工作站運行的基礎上，可利用相關突出繪制硬件，對圖像處理速度進行進一步優(yōu)化。如根據飛行訓練需求可在相關汽車模型、直升機裝載模型、艦艇模型、轟炸機模型建設完畢的基礎上，將其與相應的場景模擬庫進行有效的正兒和。通過在城市、海洋等相關場景中的模擬訓練，可對整體直升機編隊飛行模式進行全面分析，以此獲得曲面顯示變形校準數據，便于整體直升機仿真模擬情境的有效轉化。場景驅動管理主要是對直升機運行過程中飛行特征進行仿真模擬的設置。為了實現(xiàn)虛擬場景中三維模型場景漫游、自主運行等相關模式的穩(wěn)定運行，需要利用視覺景觀驅動技術進行三維可視化分析。在整體場景驅動管理軟件設置環(huán)節(jié)，主要通過對用戶指令數據的接收、數字化處理、三維展示等模式實現(xiàn)可視化交互響應管理，為三維仿真場景的快速、精確展現(xiàn)提供依據。視覺場景驅動管理軟件主要有場景中模型處理、實時仿真兩個方面功能，其中場景中模型處理主要是對場景中全部模型數據進行有效整合處理，在形成高效實時渲染層次化模型的基礎上，進行整體組織結構的合理劃分；而在實時仿真處理模塊主要是在場景模型數據全面完善的前提下，進行實時場景的生成及后期管理，如場景驅動渲染、碰撞檢測、虛擬場景構成等方面[2]。最終仿真效果需要在直升機飛行姿態(tài)信息自動生成模擬及外部景觀動態(tài)展示的基礎上，將相關數據與其對應的系統(tǒng)模塊進行調度管理。

2.3 視覺景觀顯示系統(tǒng)設置

直升機飛行模擬器視覺顯示系統(tǒng)主要以圖像顯示系統(tǒng)為主，圖像顯示生成系統(tǒng)則主要包括球面反射鏡、投影器、機械結構、后投影屏等結構組成。以某直升機為例，為了保證直升機飛行員可以在相關模擬系統(tǒng)內完成基礎駕駛技術訓練及特殊情況模擬訓練。可控制相關視頻顯示系統(tǒng)水平視場角及垂直視場角分別在180°、40°，結合虛像顯示方式及成像距離的調節(jié)，便于整體圖像分辨率的有效提升。在圖像生成模塊可優(yōu)先選擇SGI圖形工作站，利用其特有的紋理映射、光照模擬、抗混迭等能力，促使整理他系統(tǒng)視頻圖像繪制模擬能力混飛行模擬視景仿真的需求。視覺景觀顯示系統(tǒng)在設置過程中三維實體模型的建立非常重要，三維實體模型主要包括地面及空中運行的直升機這一活動目標實體。由于三維實體模型大多為結構較復雜的幾何體，因此在具體三維模型建立時需要將建模對象進行適當分析，然后在各分部模型建立完成后進行組裝操作。若利用Creator建模的方式就需要將某個二維形體對象沿著某條路徑剖面進行三維模型設置，采取外在可見實體模型建立。由于直升機外在曲面較多，且大多具有形狀不規(guī)則的紋理。因此在三維模型建立時需要從建模速度、模型質量兩個方面進行層次劃分。在直升機飛行模擬器分為機身、起落架、尾漿、旋翼等幾個部分，隨后將這幾個部分進行動態(tài)附屬節(jié)點設置，如在直升機機身模塊可進一步細化分為頭部、尾部、副油箱、掛架、進氣口、中部等幾個部分。

2.4 地景模擬庫設置

首先基于直升機飛行模擬器運行特點，根據直升機飛行過程中任務要求的區(qū)別進行不同視覺景觀模擬庫的設置，為直升機飛行模擬器在各種環(huán)境下飛行特性的充分發(fā)揮提供良好的依據。地景模擬庫內部主要包括所在區(qū)域內鄉(xiāng)村、島嶼、丘陵、海岸、城鎮(zhèn)等相關地形數據，在具體的地形模擬庫設置過程中應在指定訓練區(qū)域內進行高精度訓練場地的設置，以便相關直升機起飛著陸、低空懸停等相關模式的順利進行。其中在城鎮(zhèn)訓練區(qū)域內應包括大型建筑物、運輸系統(tǒng)兩個方面內容，如公路、橋梁、電線桿、離散房屋、河流、工業(yè)建筑物等；而在山谷訓練區(qū)域內因在橋梁、公路、鐵路等運輸系統(tǒng)的基礎上，設置一定的樹木、山谷、河流、森林數據；而在沿海訓練區(qū)域內可設置一定的海岸特征數據，如三維模式的波浪、海洋、懸崖、海灘等。在地形生成的基礎上，利用相關建模工具將相應的地形數據進行地形幾何面的轉化，保障在幾何面一定的情況下，展現(xiàn)更加豐富、多樣的直升機模擬地形，而通過合理的紋理加工，如航拍照片的調色、色彩還原、圖片拼接等，可對整體地形幾何面的優(yōu)化提供有效的依據。如在相應的訓練區(qū)域內需要設置適當的航拍照片精確紋理分辨率，一般在1.0-2.5m之間[3]。此外考慮到相應訓練區(qū)域內數據庫重疊情況，需在可控制區(qū)域內采取一定的負載管理措施。在數據庫內部可進行不同直升機訓練基地的區(qū)別設置，如地面標識、機庫、機場草坪、停機坪等。

其次在視覺景觀數據庫設計過程中，可綜合考慮原始數據庫優(yōu)化、原始數據備份、細節(jié)層次處理、三維模型構建、紋理細化、數據結構調制等相關宜山路。在依據整體設計需求，應在數據庫建立過程中對其具體參數數據進行詳細規(guī)劃，通過對原始數據的進一步校正優(yōu)化，可實現(xiàn)良好的數據庫運行維護管理。需要注意的是，在原始資料準備環(huán)節(jié)應對地形數據、航拍照片、三維物體尺寸、三維物體三視圖、數字地圖、衛(wèi)星照片等進行綜合處理。

最后在視覺景觀數據庫實現(xiàn)環(huán)節(jié)，可結合三維模型建立與仿真的基礎需求，在計算機平臺上對環(huán)境、人、物等基礎資源的相互聯(lián)系進行統(tǒng)一分析，即利用Equator軟件進行自適應連續(xù)地形的創(chuàng)建。整體視覺景觀數據庫主要以航空照片、代表地形照片、衛(wèi)星照片為依據，結合Photoshop等相關圖形合成、校正軟件的應用，最終形成具有一定紋理格式的高分辨率文件。

3 結語

綜上所述，直升機飛行模擬器通過航空設備在飛行過程環(huán)境的模擬，可為相關飛行器駕駛人員提供視覺、負荷、運動感覺、聽覺等幾個方面的仿真訓練效果。從而降低直升機飛行過程中的分析宜山路及培訓資源消費。在直升機飛行仿真模擬過程中，主要根據直升機實際運行情況，結合三維建模理論，從視覺顯示系統(tǒng)、視覺景觀數據庫、視覺驅動系統(tǒng)等幾個方面進行合理設置，從而在保證視覺景象實時監(jiān)測的基礎上最大程度的提升直升機飛行模擬器視覺圖像清晰度。

參考文獻

[1]劉長發(fā)，張俊杰.直升機飛行模擬器視景顯示系統(tǒng)的研究[J].系統(tǒng)仿真學報，2016，28（6）：1394-1399.

[2]鄧晴鶯， 李國翬，王寶奇，等.某飛行模擬器視景系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].兵工自動化，2016，35（8）：75-79.

[3]鄧晴鶯，李國翬，王寶奇，等.大下視場飛行模擬器視景系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].系統(tǒng)仿真技術，2016，12（2）：123-129.