一種VR 飛行仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王海勃

（航空工業(yè)集團(tuán)公司洛陽電光設(shè)備研究所，河南 洛陽471000）

1 概述

VR 飛行仿真系統(tǒng)能夠?yàn)橛脩籼峁┍普娴娘w行駕駛感覺，得到近似真實(shí)世界相同的體驗(yàn)，包括三維視覺、立體的聽覺和觸覺等，讓體驗(yàn)者產(chǎn)生視覺上的“沉浸感”，仿佛置身“真實(shí)”飛行環(huán)境中。目前大多訓(xùn)練仿真系統(tǒng)過于強(qiáng)調(diào)專業(yè)性和與真機(jī)的一致性，側(cè)重用戶對(duì)機(jī)上設(shè)備的認(rèn)知和訓(xùn)練，內(nèi)容單一枯燥；而大多VR 頭戴設(shè)備的飛行體驗(yàn)還主要以游戲?yàn)橹鳎狈I(yè)飛行仿真的嚴(yán)謹(jǐn)性，該系統(tǒng)找準(zhǔn)市場(chǎng)空白和用戶需求，對(duì)抗性和專業(yè)性兼具，以較低的成本獲得最真實(shí)的飛行體驗(yàn)。設(shè)計(jì)一種VR 飛行仿真系統(tǒng)，充分利用VR 高清晰虛擬成像技術(shù)和專業(yè)飛行搖桿使得飛行和駕駛過程具備高逼真度，同時(shí)硬件組成上較為簡易，具有很大的靈活性和適應(yīng)性。

VR 飛行仿真系統(tǒng)硬件組成如圖1 所示，主要由VR 頭戴顯示設(shè)備、高性能圖形工作站、跟蹤定位裝置、人機(jī)交互設(shè)備和其他部件組成。

圖1 VR 頭戴顯示設(shè)備組成示意圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)功能

VR 飛行仿真系統(tǒng)具備以下功能：a.VR 顯示功能：使用者佩戴VR 眼鏡，通過計(jì)算機(jī)模擬產(chǎn)生一個(gè)三維空間的虛擬飛行虛擬環(huán)境，可以實(shí)時(shí)、自然的觀察三度空間內(nèi)的三維視景；b.飛行仿真功能：模擬飛機(jī)的真實(shí)飛行特性。包括從滑跑、起飛、空中飛行（平飛和機(jī)動(dòng)）到進(jìn)場(chǎng)、著陸。飛行仿真模塊接受發(fā)動(dòng)機(jī)仿真子系統(tǒng)給出的推力和力矩，通過飛行搖桿和飛控仿真系統(tǒng)得到飛行員操縱的舵面、剎車等的變化以及襟翼、起落架、減速板等的收放信號(hào)，并考慮氣象條件、跑道情況等設(shè)置，計(jì)算飛機(jī)的實(shí)時(shí)位置、飛行狀態(tài)及大氣參數(shù)等數(shù)據(jù)輸出到任務(wù)過程仿真軟件和三位視景仿真軟件；c.飛行操縱功能：通過操縱飛行搖桿，能夠逼真模擬飛機(jī)起降和飛行，手動(dòng)駕駛及自動(dòng)駕駛功能；d.視景及特效仿真功能：需要完成對(duì)飛機(jī)及目標(biāo)的三維視景建模、對(duì)本機(jī)座艙內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行三維視景建模，還需要地理環(huán)境信息的大地形數(shù)字地圖支持。利用Unity 3D 開發(fā)環(huán)境進(jìn)行建模和仿真：仿真復(fù)雜氣象環(huán)境、干擾環(huán)境效果；仿真飛機(jī)氣流音效、發(fā)動(dòng)機(jī)音效、通信設(shè)備音效、武器發(fā)射效果等各種聲音效果；仿真武器爆炸、飛機(jī)墜地爆炸等各種爆炸效果；仿真飛機(jī)尾跡、發(fā)動(dòng)機(jī)加力尾焰、武器發(fā)射尾焰及尾煙等各種效果。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

VR 飛行仿真系統(tǒng)各硬件組成如下：a.VR 顯示設(shè)備：主要用于像源圖像的放大和增強(qiáng)沉浸，選用市面上外接式VR 眼鏡HTC VIVE 作為頭戴顯示的主設(shè)備。HTC VIVE 是目前市面上相對(duì)效果最好的一套頭戴顯示設(shè)備。HTC VIVE 由一個(gè)Vive 頭戴設(shè)備，兩個(gè)操控手柄和兩個(gè)定位器組成。內(nèi)部兩個(gè)鏡片分別為1200*1080 像素屏幕（單個(gè)），每秒90 幀的超快刷新率；b.高性能圖形工作站：主要用于虛擬場(chǎng)景的生成和渲染（包括模擬座艙、三維視景、數(shù)字地圖等）以及系統(tǒng)軟件的運(yùn)行；c.飛行仿真操縱機(jī)構(gòu)：包括模擬駕駛桿、模擬油門桿和模擬腳蹬三個(gè)部分，模擬駕駛桿、模擬油門桿之間以電纜連接，統(tǒng)一通過1 路USB2.0 總線連接至仿真計(jì)算機(jī)，模擬腳蹬單獨(dú)通過1 路USB2.0 總線連接至仿真計(jì)算機(jī)；d.其他部件：主要用于支持飛行仿真系統(tǒng)運(yùn)行的各種部件如連接線纜、安裝支架、測(cè)試顯示器等。同時(shí)也自行研發(fā)了VR 頭戴顯示設(shè)備，可代替HTC VIVE 使用，其外形圖如圖2 所示。

2.3 軟件組成

VR 飛行仿真系統(tǒng)軟件部分由飛行仿真軟件、任務(wù)過程仿真軟件和三維視景仿真軟件組成。各軟件模塊功能如下：a.飛行仿真軟件：用來模擬飛機(jī)的全部飛行特性。包括從滑跑、起飛、空中飛行（平飛和機(jī)動(dòng)）到進(jìn)場(chǎng)、著陸及著陸后滑跑的全過程。能夠體現(xiàn)飛機(jī)的航程和續(xù)航時(shí)間、仿真飛機(jī)的起降性能、掛裝武器能力、仿真飛機(jī)的高度- 速度范圍、重量、機(jī)動(dòng)性能（爬升率、盤旋過載、加速、盤旋角速度、過載范圍）等；b.任務(wù)過程仿真軟件：該軟件用于支持飛機(jī)完成完整的飛行及攻擊任務(wù)過程，支持綜合航電設(shè)備仿真、模擬座艙顯示、傳感器仿真、簡單武器仿真等；c.三維視景仿真軟件：主要包括飛機(jī)、目標(biāo)三維模型仿真；視景仿真，區(qū)域不小于100km×100km；人文環(huán)境仿真，村莊、城市、鐵路、河流等；復(fù)雜氣象環(huán)境、干擾環(huán)境、對(duì)抗環(huán)境效果仿真；飛機(jī)氣流音效、發(fā)動(dòng)機(jī)音、通信設(shè)備音效、武器發(fā)射效果等各種聲音效果。

圖2 VR 頭戴顯示設(shè)備外觀圖

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 面向任務(wù)的開放式系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)

該項(xiàng)目需要適應(yīng)商業(yè)貨架化研制要求，該設(shè)備能夠完整逼真模擬飛機(jī)基本飛行和導(dǎo)航攻擊任務(wù)全過程。為完成該集成設(shè)計(jì)技術(shù)，在軟件設(shè)計(jì)方面，需采用多核多線程動(dòng)態(tài)調(diào)度技術(shù)、組件化模型接口設(shè)計(jì)技術(shù)、復(fù)雜模型動(dòng)態(tài)調(diào)度與擴(kuò)展使用技術(shù)等組件化封裝和集成相關(guān)技術(shù)，對(duì)包括系統(tǒng)主運(yùn)行框架、各航電系統(tǒng)模型、武器模型、目標(biāo)模型、視景模型在內(nèi)的各類模型進(jìn)行了獨(dú)立封裝，滿足獨(dú)立開發(fā)需要，最后各組件構(gòu)成完整整體，完成系統(tǒng)運(yùn)行。采用如下技術(shù)途徑：a.插件式架構(gòu)設(shè)計(jì)，其最大的好處就是利用標(biāo)準(zhǔn)的高級(jí)語言實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)插件框架結(jié)構(gòu)，最大限度的將邏輯和業(yè)務(wù)分離，同時(shí)不增加編碼人員的負(fù)擔(dān)。集中開發(fā)中公用的，零散的，不具備復(fù)用條件的代碼塊和代碼段，按照一定的標(biāo)準(zhǔn)重構(gòu)和封裝成輕量級(jí)的插件通用模塊（包括常用的算法組件和界面組件），使開發(fā)出的插件既能靈活組合到各種系統(tǒng)，又能單獨(dú)拆開使用，真正實(shí)現(xiàn)“積木式”的軟件開發(fā)模式；b.功能單一原則，開放式系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)要求模塊功能單一原則，即某一模塊只完成自己特有的功能，與其他模塊只通過接口進(jìn)行交互，不涉及其他功能的任何邏輯和操作。這樣做的好處使得模塊功能集中并保持獨(dú)立，最大限度的低耦合，高內(nèi)聚；c.采用成熟且認(rèn)可度較高的第三方庫，開放式系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)中那些與平臺(tái)相關(guān)的操作和算法，如文件和數(shù)據(jù)庫讀寫，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和矩陣變換等，盡量采用經(jīng)過項(xiàng)目驗(yàn)證完全正確的插件或庫，防止由于引入錯(cuò)誤代碼帶來的系統(tǒng)錯(cuò)誤，一旦出現(xiàn)非常難定位。

3.2 三維視景建模與大地形顯示

系統(tǒng)需要完成對(duì)飛機(jī)及目標(biāo)的三維視景建模、對(duì)本機(jī)座艙內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行三維視景建模，尤其是還需要真實(shí)地理環(huán)境信息的大地形數(shù)字地圖支持，主要內(nèi)容包括：a.建立可快速替換的視景軟件框架，該框架由三個(gè)獨(dú)立封裝組件完成，三個(gè)組件分別是：視景運(yùn)行組件、平視顯示組件、多功能顯示組件，通過這種封裝方式，有效的將地形環(huán)境信息封裝到獨(dú)立的組件中，便于替換；b.項(xiàng)目前期借用當(dāng)前可用地形環(huán)境，減少首次開發(fā)難度，同時(shí)加快項(xiàng)目其他方面的進(jìn)度推進(jìn)；后期再通過第三方獲取真實(shí)飛機(jī)模型和真實(shí)地形數(shù)據(jù)信息，完成數(shù)據(jù)的獨(dú)立封裝，便于替換；c.為視景部分運(yùn)行建立獨(dú)立線程，使主框架運(yùn)行與視景部分運(yùn)行獨(dú)立，確保系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)性要求。

3.3 航電系統(tǒng)和任務(wù)過程模擬

要完成飛行仿真的任務(wù)全過程模擬，需要展開以下方面的工作：a.多功能顯示器畫面信息提供：由于飛機(jī)任務(wù)操作需要在多功能顯示器上顯示和交互，需要在多功能顯示器上體現(xiàn)具備一定品質(zhì)特征（包括噪聲特性、對(duì)比度、亮度等）的圖像畫面，并疊加周遍鍵字符信息后顯示。通過視景軟件成功獲取到圖像，進(jìn)行相關(guān)算法處理后，進(jìn)而成功模擬出相關(guān)圖像；b.平顯畫面的嵌入：飛行數(shù)據(jù)和主要信息都在平顯上進(jìn)行顯示，需要在視景視點(diǎn)的前方疊加平顯畫面，要求亮度合適，定位正確，顯示不能延遲卡頓；c.地形碰撞檢測(cè)：該檢測(cè)的主要目的是為圖像搜索范圍提供位置與范圍信息；d.顯控操作：顯控操作是用戶直接接觸飛機(jī)座艙的操作過程，該過程需要按照POP 的操作流程進(jìn)行，同時(shí)，顯控內(nèi)部存在復(fù)雜的控制邏輯，調(diào)度各分系統(tǒng)工作。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一款VR 飛行仿真系統(tǒng)，沉浸感強(qiáng)，能夠給用戶帶來浸入式體驗(yàn)，采用高性能圖形工作站，高刷新率、低延遲渲染，最大限度防止眩暈感；同時(shí)采用全金屬油門桿和駕駛桿，最大程度上模擬真實(shí)駕駛感覺。該系統(tǒng)可用于完成基本駕駛、起飛降落、動(dòng)作演練、特情處置、任務(wù)訓(xùn)練等體驗(yàn)內(nèi)容。