虛擬現實技術在通用航空飛行模擬器中的應用

夏 偉，湯 鴻

(中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001)

虛擬現實技術在通用航空飛行模擬器中的應用

夏 偉，湯 鴻

(中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001)

分析目前虛擬現實技術的發展情況，總結其主要的優點及應用領域；分析通用航空飛行模擬器技術的發展情況及市場應用前景；闡述虛擬現實技術應用到飛行模擬器設備中的可行性及實現手段；展望未來增強現實技術與虛擬現實技術融合的混合現實技術在飛行模擬器中的應用。

虛擬現實；飛行模擬器；通用航空；增強現實

0 引言

虛擬現實是以計算機圖形顯示技術為核心的新技術，在計算機中生成逼真的視覺、聽覺一體化的虛擬環境。用戶可以使用必要的硬件設備 (如數據衣、數據手套、 數據鞋以及頭盔、 立體眼鏡等)，自然地與虛擬環境中的客體進行交互，相互影響，產生身臨其境的感受和體驗。

飛行模擬器具有真實的座艙設備和飛行桿力，人作為一個環節參與到飛行模擬系統中，接受仿真系統提供的各種信息，經過判斷和決策對系統進行操縱和控制。使用虛擬現實技術對飛機相關設備及視景系統進行仿真模擬，可以極大地提升受訓人員的真實沉浸感，顯著提高訓練效率。同時，適當的軟件配置可以仿真多種機型，會顯著降低飛行訓練的費用。特別是LED和CRE顯示器、高速圖形、多媒體等技術的發展，使得VR技術應用于飛行模擬器成為可能。

1虛擬現實技術

虛擬現實這一名詞是由美國VPL公司創建人拉尼爾在20世紀80年代初提出的，也稱靈境技術或人工環境。這種技術的特點在于計算機產生一種人為虛擬的環境，這種虛擬的環境是通過計算機圖形構成的三維數字模型，并編制到計算機中去生成一個以視覺感受為主，也包括聽覺、觸覺的綜合可感知的人工環境，從而使得在視覺上產生一種沉浸于這個環境的感覺，可以直接觀察、操作、觸摸、檢測周圍環境及事物的內在變化，并能與之發生“交互”作用，使人和計算機很好地“融為一體”，給人一種“身臨其境”的感覺[1]。

一般的虛擬現實系統主要由專業圖形處理計算機、應用軟件系統、輸入設備和演示設備等組成。輸入工具和演示設備主要包括：頭盔式顯示器、跟蹤器、傳感手套，屏幕式、房式立體顯示系統，三維立體聲音生成裝置[2]。

2 虛擬現實技術在飛行模擬器中的應用

2.1 傳統模擬器在通用航空領域使用的局限

飛行模擬器是培養飛行員的一個重要環節，利用高等級的飛行模擬器，可以模擬部分甚至全部飛行科目，可以消除飛行風險，大大提高飛行員的培訓效率，降低培訓成本。目前研制的模擬器，配備相應的視景系統及座艙仿真系統，這些系統針對特定的機型設計，因而只能用于培養單一機型的飛行員[3]。

在通用航空領域，其行業特點決定了通用航空使用的飛機型號種類多，單一型號飛機保有數量少，很多型號飛機的數量達不到配備特定機型模擬器的要求。據不完全統計，通用航空領域內固定翼飛機和直升機超過百種。同時，即便同種飛行器也會因為客戶的選型不同而具有不同的配置，這就必然導致各種不同的模擬器之間存在著功能重復和交叉浪費。而為了保證飛行員的模擬訓練，必須開發新型的飛行訓練模擬器[4]。

2.2 基于虛擬現實技術的飛行模擬器在通用航空領域的廣闊前景

針對通用航空領域飛行員模擬訓練的特點，必須開發一種有別于傳統模擬器的、通用性強、可兼容多種機型的飛行模擬器。虛擬現實技術的發展，為飛行模擬器的研發提供了一種新的思路。

同傳統的飛行模擬器相比，基于虛擬現實的飛行模擬器有著無可比擬的巨大優勢。基于虛擬現實技術的模擬器，不需要配置座艙等硬件設備，而是通過虛擬現實的方法，利用軟件呈現一個完整的飛行訓練環境。可以方便地實現一機多能，即利用一個訓練平臺完成多種機型飛行任務的訓練。目前，飛行模擬器的視景系統及駕駛艙儀表顯示系統普遍應用三維建模軟件開發，這些完全可以與虛擬現實技術中的頭盔顯示器結合，為用戶營造極具沉浸感的三維駕駛艙環境。

在20世紀90年代，波音777飛機的設計師們就已開始應用虛擬現實技術。按照傳統的圖紙設計方式，零件總數高達300萬件以上的波音777，需要7000余名各類專業設計人員組成200多個產品綜合研制小組同時工作。在規模如此龐大的設計工作中，小組之間的銜接不當、錯誤率、重復工作等現象時有發生；然而，在虛擬現實的三維模型仿真技術的幫助下，波音777的設計錯誤修改量較過去減少了90%，研發周期縮短了50%，成本降低了60%。

通用航空市場中，固定翼飛機與直升機種類繁多，與它們相應的真實性及沉浸感俱佳的D級飛行模擬器遠超過了航空器的價格，因此，通用航空市場中C級或D級飛行模擬器的數量非常稀少。通航運營公司為了保證飛行的安全，只能引入低端的飛行訓練器，這種訓練器不具有運動系統，視景系統采用實像技術，顯示效果較差，這些都降低了飛行訓練的有效性。通過向飛行訓練器中引入虛擬現實技術，配以相關的運動平臺技術，能在極大降低飛行訓練器價格的同時，顯著地提升飛行的沉浸感，這也必然伴隨飛行訓練效率的提高。

美國軍方的AVCATT系統將增強現實概念引入飛行模擬器 ,該系統使用光學透視式頭盔顯示器和真實座艙,通過精確的頭部位置跟蹤器實現了對直升機的模擬駕駛。

2.3 虛擬現實飛行模擬器的基本組成

基于頭盔式顯示器的虛擬現實飛行模擬器系統,如圖1所示,主要由頭盔式顯示器、計算機、數據手套、力感裝置、話筒和耳機等組成。飛行員通過模擬操縱桿的力感裝置進行飛行操縱，同時感受操縱力，利用數據手套操縱視景系統中虛擬儀表板上的按鈕和開關。頭盔上的空間定位裝置實時測量飛行員的頭位，并在頭盔式顯示器中顯示相應空間方位的圖像。

將上述系統安裝到運動臺上，根據飛機姿態及速率變化信號驅動運動臺運動，可以更逼真地進行飛行模擬訓練。

在計算機中可以安裝多個機型的飛行仿真驅動軟件及多個場景軟件，根據培訓需要，可自由選擇培訓機型和培訓場景，大大提高飛行模擬器使用的靈活性[1]。

3 虛擬現實技術在直升機飛行模擬器研制中的應用特點

直升機是通用航空飛行器的一個重要組成部分，其飛行特性的復雜性對飛行模擬器中虛擬現實技術的使用提出了更高的要求。

直升機旋翼是直升機主要的升力和操縱部件，相對于固定翼飛機，旋翼具有出很強的非定常特性，主要表現為：

1)由于槳葉的旋轉，即使在定常前飛狀態，槳葉的相對來流和迎角也是隨時間變化的，旋翼流場和氣動特性是非定常的；

2)旋翼始終工作在自身產生的尾跡附近，旋翼尾跡對流場和氣動特性有重要影響，在某些飛行狀態下，還會出現嚴重的槳-渦干擾現象；

3)在大速度飛行狀態，旋翼前行側槳葉的槳尖附近會出現跨音速流動，這種跨音速呈現嚴重非定常和三維特點。在后行側，由于槳葉揮舞和變距輸入，槳葉通常工作在很高的迎角狀態，容易導致動態失速[5]。

為保證模擬器的逼真度，要求模擬器系統總延遲一般不超過140毫秒，但直升機嚴重的非定常特性，導致飛行動力學仿真模型復雜度提高，會對模擬器全系統的延遲特性產生影響。因此需要在保證仿真逼真度的前提下，對直升機飛行動力學模型進行適當程度的簡化，并選用高性能的虛擬現實硬件設備。

4 未來前景展望

增強現實技術(AR)和虛擬現實技術(VR)是兩種類似的技術，它既允許用戶看到真實世界，同時也能看到疊加在真實世界上的虛擬對象，是把真實環境和虛擬環境結合起來的一種系統，既可減少構成復雜場景的開銷(因為部分虛擬環境由真實環境構成)，又可對實際物體進行操作(因為部分物體是真實環境)。增強現實技術能夠把虛擬信息(物體、圖片、視頻、聲音等等)融合在現實環境中，將現實世界豐富起來，構建一個更加全面、更加美好的世界。虛擬現實讓用戶在虛擬世界中有一種身臨其境的體驗，而增強現實則是一種用變化的視角看現實世界的技術[4]。

基于虛擬現實的飛行模擬器解決了操縱過程中的觸覺反饋問題。但對于飛行員最為關注的操縱系統力反饋等特性，單純使用VR虛擬技術可能無法達到令人滿意的要求，而AR技術與VR技術融合的混合現實技術恰恰是解決這個問題的良好方案，通過具有力反饋功能的現實操縱系統結合混合現實技術生成的3D圖像，完全可以營造出更加逼真的飛行環境[1]。

5 結論

虛擬現實技術在通用航空飛行模擬器領域具有廣泛的市場前景，通過相應的技術手段，VR技術完全可以替代現有的飛行模擬器相關模塊，極大地改善飛行學員的駕駛沉浸感，進而提升飛行培訓的效率。飛行模擬器運營方可以顯著降低設備成本，提高培訓的經濟性。

[1] 馬登武，吳國良.虛擬現實技術在飛行仿真中的應用[J].MODERN DEFENCE TECHNOLOGY, 28(6).

[2] 羅 斌，姚 鵬，翁冬冬，等.基于混合現實的新型輕量級飛行模擬器系統[J].系統仿真學報，2009(7).

[3] 戴樹嶺，雷小永，梅繼紅.虛擬仿真飛機座艙系統[J].系統仿真學報,2002(4):488-492.

[4] 胡小強.虛擬現實技術與應用[M].北京：高等教育出版社，2004.

[5] 王適存，徐國華.直升機旋翼空氣動力學的發展[J].南京航空航天大學學報，2001,33(3).

The Application of the Virtual Reality Technology in the General Aviation Flight Simulator

XIA Wei，TANG Hong

(China Helicopter Research and Development Institute ,Jingdezhen 333001,China)

Analyzed the situation and process of the virtual reality technology, summarized the main strongpoint and application field of the VR technology. Analyzed the process and market prospect of the flight simulator in general aviation. Elaborated on the feasibility and methods for applying the VR technology to flight simulator. Looked into the future for applying the hybrid reality technology which merged the VR and AR technology to the flight simulator

Virtual Reality；VR；flight simulator；general aviation；Augmented Reality；AR

2016-08-28

夏 偉(1981-)，男，江西鄱陽人，高級工程師，主要研究方向：直升機飛控及模擬器。

1673-1220(2017)01-070-03

V217.4

A