飛行模擬器視景仿真系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)途徑探索

白小亮

摘? ?要：飛行模擬器視景仿真是飛行訓(xùn)練中不可或缺的重要組成部分，作為真實(shí)天氣現(xiàn)象、飛行情況的模擬，不僅能通過(guò)真實(shí)情境的模擬提升飛行訓(xùn)練內(nèi)容的真實(shí)度，更能通過(guò)復(fù)雜教學(xué)情境訓(xùn)練飛行員的應(yīng)激反應(yīng)、復(fù)雜問(wèn)題處理等相關(guān)技能，實(shí)現(xiàn)結(jié)果導(dǎo)向訓(xùn)練成效。因此，飛行模擬器視景仿真系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)和內(nèi)容構(gòu)成布局的合理與否，對(duì)于訓(xùn)練成效具有直接影響。本文就飛行模擬器視景仿真系統(tǒng)存在的主要問(wèn)題提出優(yōu)化設(shè)想，并在此基礎(chǔ)上研究實(shí)現(xiàn)途徑。

關(guān)鍵詞：飛行模擬器? 視景仿真系統(tǒng)? 優(yōu)化設(shè)計(jì)? 實(shí)現(xiàn)途徑

中圖分類號(hào)：TP391.9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2020）03（c）-0002-02

視景系統(tǒng)是用來(lái)模擬飛行員的視野，將飛行器之外的包括氣象等所有與飛行任務(wù)有關(guān)的景象全景式呈現(xiàn)在飛行員面前，幫助飛行員判斷出飛機(jī)飛行的速度、位置、飛行高度、飛行姿態(tài)等，并根據(jù)計(jì)算機(jī)成像模擬飛行狀況經(jīng)多屏幕顯示出來(lái)，幫助飛行員實(shí)現(xiàn)飛行訓(xùn)練的專門性系統(tǒng)。飛行模擬器視景仿真系統(tǒng)雖是模擬系統(tǒng)，但對(duì)飛行員的實(shí)際操作能力的養(yǎng)成提供了前期技能訓(xùn)練手段，因此對(duì)于飛行員專業(yè)素養(yǎng)的培養(yǎng)和飛行經(jīng)驗(yàn)的成長(zhǎng)具有重要意義。航空飛行是一個(gè)集氣象、空中狀況和地面狀況為一體的復(fù)雜場(chǎng)景，因此飛行員的訓(xùn)練周期和培養(yǎng)周期相對(duì)較長(zhǎng)。當(dāng)前我國(guó)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)民用飛行模擬器自主研發(fā)，是世界上為數(shù)不多的具有自主研發(fā)能力的國(guó)家之一，為我國(guó)民用航空飛行員的培訓(xùn)和成長(zhǎng)做出了突出的貢獻(xiàn)。但從目前的視景仿真模擬設(shè)計(jì)來(lái)看，我們依然存在問(wèn)題亟需優(yōu)化和提升。本文就目前我國(guó)主流視景仿真系統(tǒng)存在的主要問(wèn)題，提出優(yōu)化設(shè)計(jì)設(shè)想和研究實(shí)現(xiàn)途徑。

1? 當(dāng)前我國(guó)飛行模擬器視景仿真系統(tǒng)存在的主要問(wèn)題分析

1.1 視景仿真系統(tǒng)仿真的真實(shí)度和實(shí)時(shí)性不能同步兼顧，影響系統(tǒng)整體真實(shí)效果呈現(xiàn)

飛行模擬器視景仿真系統(tǒng)可為飛行人員訓(xùn)練時(shí)提供逼真的座艙外景象，能提供飛行任務(wù)中約70%的有用信息，因此視景系統(tǒng)的圖像生成和顯示質(zhì)量直接影響到訓(xùn)練的效果。以氣象仿真為例，當(dāng)前的氣象仿真技術(shù)的實(shí)現(xiàn)主要基于兩種技術(shù)手段得以實(shí)現(xiàn)：一是根據(jù)仿真平臺(tái)與OpenGL之間的聯(lián)系，通過(guò)OpenGL在仿真平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)隨機(jī)閃電模擬的可行性，仿真平臺(tái)中將紋理映射技術(shù)與傳統(tǒng)閃電渲染方法相結(jié)合實(shí)現(xiàn)隨機(jī)閃電、雨雪模擬的可行性，能夠滿足民航飛行模擬器實(shí)時(shí)性要求。二是基于三維的實(shí)體建模方法、基于三維建模和仿真平臺(tái)軟件環(huán)境的空中、海面等環(huán)境的生成方法、視景仿真軟件開發(fā)過(guò)程以及整體系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)等關(guān)鍵技術(shù)。但上述兩種方法由于快速渲染算法與仿真平臺(tái)的兼容問(wèn)題，某種程度上影響了閃電和立體云團(tuán)模擬特效。

1.2 視景仿真系統(tǒng)的主流顯示器顯示各有利弊，無(wú)法實(shí)現(xiàn)生理與物理的完美契合

但當(dāng)前飛行模擬器視景仿真系統(tǒng)的模擬顯示主要依靠顯示器顯示、投影顯示、分光鏡準(zhǔn)直顯示、背投準(zhǔn)直顯示和頭盔顯示器顯示5種顯示系統(tǒng)。其中以頭盔顯示器最為先進(jìn)和最具有適應(yīng)性，HMD視景系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)是體機(jī)小，重量輕，適用于各種狹小空間，而且顯示的視景圖像可跟隨訓(xùn)練者的頭部及眼球的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行同步更新，因此在理論上不存在觀察視野制約，可獲得較好的模擬效果。但由于HMD視景系統(tǒng)完全依賴計(jì)算機(jī)計(jì)算的圖像處理和計(jì)算能力，而且顯示器件圖像刷新頻率能力和頭盔制造工藝等條件成為目前頭盔顯示器的最大制約因素，HMD在佩戴舒適感、人類工效指標(biāo)和生理舒適度要求仍然存在不小差距，尤其當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間使用或者畫面高頻切換時(shí)會(huì)出現(xiàn)頭暈，惡心等不適癥狀，難以讓訓(xùn)練者長(zhǎng)期使用。

2? 飛行模擬器視景仿真系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)途徑探索

2.1 優(yōu)化建模與仿真技術(shù)視覺(jué)呈現(xiàn)功能，加強(qiáng)真實(shí)度和實(shí)時(shí)性同步兼顧能力，提升仿真效果

飛機(jī)常見的飛行問(wèn)題與場(chǎng)景由于飛機(jī)的自由度運(yùn)動(dòng)制約是可通過(guò)方程進(jìn)行通用設(shè)計(jì)的，可以建立通用的或者標(biāo)準(zhǔn)的模塊，通過(guò)軟件剪裁和鏈接的方式，充分利用已有的通用數(shù)學(xué)模型和模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)飛行模擬器視景仿真技術(shù)的建模與仿真技術(shù)虛擬化的現(xiàn)代化發(fā)展特征的。再通過(guò)細(xì)化常見問(wèn)題和場(chǎng)景按機(jī)理建模技術(shù)、辨識(shí)建模技術(shù)、面向?qū)ο蠼＜夹g(shù)、多視圖建模技術(shù)、數(shù)據(jù)可視化建模技術(shù)和多媒體建模技術(shù)等技術(shù)分類建模，通過(guò)將各種仿真技術(shù)結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)一個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能全面的系統(tǒng)仿真，使仿真技術(shù)視覺(jué)呈現(xiàn)功能得到加強(qiáng)，從而提升視景仿真技術(shù)的真實(shí)度和實(shí)時(shí)同步兼顧能力。

2.2 加強(qiáng)人工智能技術(shù)和集成評(píng)估功能的應(yīng)用研究，提升視景仿真系統(tǒng)的顯示能力的同時(shí)兼顧提高飛行模擬器工作效率

飛行模擬器視景仿真系統(tǒng)最終通過(guò)顯示器與被訓(xùn)者發(fā)生直接聯(lián)系，因此視景仿真系統(tǒng)顯示器的顯示能力和生理舒適度極為重要。人工智能技術(shù)采用了以計(jì)算機(jī)圖形顯示技術(shù)為核心的新技術(shù)，在計(jì)算機(jī)技術(shù)下生成逼真的視、聽、觸覺(jué)于一體的特定范圍的虛擬環(huán)境。訓(xùn)練者可以使用硬件設(shè)備，如頭盔、眼鏡等穿戴設(shè)備，身臨其境地在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實(shí)景演練和交互數(shù)據(jù)傳輸，從而能最大限度地降低環(huán)境和設(shè)備自身所帶來(lái)的局限，加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)感受力和體驗(yàn)度，從而比傳統(tǒng)的視景仿真系統(tǒng)的顯示器提升顯示功能和飛行模擬器工作效率。目前我國(guó)已經(jīng)研制出基于飛行模擬器視景仿真系統(tǒng)的VR技術(shù)，在顯示能力方面具有較大進(jìn)步，但現(xiàn)有的材料技術(shù)、制造工藝還不支持練習(xí)者長(zhǎng)時(shí)間的訓(xùn)練，還需要進(jìn)一步提升訓(xùn)練者的舒適度。而歐美等飛行技術(shù)先進(jìn)國(guó)家已經(jīng)基于飛行模擬視景仿真系統(tǒng)研制出民航飛行仿真器故障診斷和維護(hù)專家系統(tǒng)、飛行仿真器性能評(píng)估專家系統(tǒng)、飛機(jī)駕駛技術(shù)專家系統(tǒng)和飛機(jī)作戰(zhàn)專家系統(tǒng)等眾多集成電子測(cè)試系統(tǒng)，如L3公司、CAE公司等飛行模擬器的自檢測(cè)設(shè)備，已成功地提高了飛行模擬器的工作效率。這些都是我們今后需要重點(diǎn)優(yōu)化的發(fā)力點(diǎn)。

3? 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)多年的研發(fā)，我國(guó)飛行模擬器視景仿真系統(tǒng)在軍用領(lǐng)域獲得較快進(jìn)步，已經(jīng)成功躋身先進(jìn)技術(shù)國(guó)家行列，而民用飛行模擬器視景仿真系統(tǒng)的研發(fā)和訓(xùn)練手段相對(duì)滯后，已經(jīng)嚴(yán)重跟不上不斷高速增長(zhǎng)的民眾出行要求和民航產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要，這是我們今后需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。本文在充分分析當(dāng)前我國(guó)飛行模擬器視景仿真系統(tǒng)存在的主要的兩個(gè)問(wèn)題后，針對(duì)視景仿真系統(tǒng)仿真的真實(shí)度和實(shí)時(shí)性不能同步兼顧，和顯示器顯示弊端，提出飛行模擬器視景仿真系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)途徑：首先，著重優(yōu)化建模與仿真技術(shù)視覺(jué)呈現(xiàn)功能，加強(qiáng)真實(shí)度和實(shí)時(shí)性同步兼顧能力，提升仿真效果;其次，加強(qiáng)人工智能技術(shù)和集成評(píng)估功能的應(yīng)用研究，提升視景仿真系統(tǒng)的顯示能力的同時(shí)兼顧提高飛行模擬器工作效率。這兩個(gè)優(yōu)化方向若能完美解決則將大大推動(dòng)我國(guó)民航行業(yè)的發(fā)展和飛行員培養(yǎng)速率。

參考文獻(xiàn)

[1] 惠光飛，陳麗，段登平.平流層演示驗(yàn)證飛艇實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)仿真，2013（7）：55-59.

[2] 董鴻鵬，王春財(cái)，張波.飛行模擬器視景系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2018，38（S1）：228-23l.

[3] 薛軍濤.飛行模擬器視景仿真中氣候現(xiàn)象的模擬[D].中國(guó)民航大學(xué)，2007.