飛行模擬器視景仿真系統(tǒng)的優(yōu)化設計與實現(xiàn)途徑探索

白小亮

摘? ?要：飛行模擬器視景仿真是飛行訓練中不可或缺的重要組成部分，作為真實天氣現(xiàn)象、飛行情況的模擬，不僅能通過真實情境的模擬提升飛行訓練內(nèi)容的真實度，更能通過復雜教學情境訓練飛行員的應激反應、復雜問題處理等相關(guān)技能，實現(xiàn)結(jié)果導向訓練成效。因此，飛行模擬器視景仿真系統(tǒng)的功能設計和內(nèi)容構(gòu)成布局的合理與否，對于訓練成效具有直接影響。本文就飛行模擬器視景仿真系統(tǒng)存在的主要問題提出優(yōu)化設想，并在此基礎上研究實現(xiàn)途徑。

關(guān)鍵詞：飛行模擬器? 視景仿真系統(tǒng)? 優(yōu)化設計? 實現(xiàn)途徑

中圖分類號：TP391.9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）03（c）-0002-02

視景系統(tǒng)是用來模擬飛行員的視野，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飛行的速度、位置、飛行高度、飛行姿態(tài)等，并根據(jù)計算機成像模擬飛行狀況經(jīng)多屏幕顯示出來，幫助飛行員實現(xiàn)飛行訓練的專門性系統(tǒng)。飛行模擬器視景仿真系統(tǒng)雖是模擬系統(tǒng)，但對飛行員的實際操作能力的養(yǎng)成提供了前期技能訓練手段，因此對于飛行員專業(yè)素養(yǎng)的培養(yǎng)和飛行經(jīng)驗的成長具有重要意義。航空飛行是一個集氣象、空中狀況和地面狀況為一體的復雜場景，因此飛行員的訓練周期和培養(yǎng)周期相對較長。當前我國已經(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)能力的國家之一，為我國民用航空飛行員的培訓和成長做出了突出的貢獻。但從目前的視景仿真模擬設計來看，我們依然存在問題亟需優(yōu)化和提升。本文就目前我國主流視景仿真系統(tǒng)存在的主要問題，提出優(yōu)化設計設想和研究實現(xiàn)途徑。

1? 當前我國飛行模擬器視景仿真系統(tǒng)存在的主要問題分析

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

飛行模擬器視景仿真系統(tǒng)可為飛行人員訓練時提供逼真的座艙外景象，能提供飛行任務中約70%的有用信息，因此視景系統(tǒng)的圖像生成和顯示質(zhì)量直接影響到訓練的效果。以氣象仿真為例，當前的氣象仿真技術(shù)的實現(xiàn)主要基于兩種技術(shù)手段得以實現(xiàn)：一是根據(jù)仿真平臺與OpenGL之間的聯(lián)系，通過OpenGL在仿真平臺中實現(xiàn)隨機閃電模擬的可行性，仿真平臺中將紋理映射技術(shù)與傳統(tǒng)閃電渲染方法相結(jié)合實現(xiàn)隨機閃電、雨雪模擬的可行性，能夠滿足民航飛行模擬器實時性要求。二是基于三維的實體建模方法、基于三維建模和仿真平臺軟件環(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)過程以及整體系統(tǒng)的實現(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的兼容問題，某種程度上影響了閃電和立體云團模擬特效。

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

但當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、分光鏡準直顯示、背投準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和最具有適應性，HMD視景系統(tǒng)的最大優(yōu)點是體機小，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練者的頭部及眼球的運動進行同步更新，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)完全依賴計算機計算的圖像處理和計算能力，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、人類工效指標和生理舒適度要求仍然存在不小差距，尤其當長時間使用或者畫面高頻切換時會出現(xiàn)頭暈，惡心等不適癥狀，難以讓訓練者長期使用。

2? 飛行模擬器視景仿真系統(tǒng)的優(yōu)化設計與實現(xiàn)途徑探索

2.1 優(yōu)化建模與仿真技術(shù)視覺呈現(xiàn)功能，加強真實度和實時性同步兼顧能力，提升仿真效果

飛機常見的飛行問題與場景由于飛機的自由度運動制約是可通過方程進行通用設計的，可以建立通用的或者標準的模塊，通過軟件剪裁和鏈接的方式，充分利用已有的通用數(shù)學模型和模塊來實現(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。再通過細化常見問題和場景按機理建模技術(shù)、辨識建模技術(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，通過將各種仿真技術(shù)結(jié)合在一起，實現(xiàn)一個結(jié)構(gòu)復雜、功能全面的系統(tǒng)仿真，使仿真技術(shù)視覺呈現(xiàn)功能得到加強，從而提升視景仿真技術(shù)的真實度和實時同步兼顧能力。

2.2 加強人工智能技術(shù)和集成評估功能的應用研究，提升視景仿真系統(tǒng)的顯示能力的同時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)最終通過顯示器與被訓者發(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)采用了以計算機圖形顯示技術(shù)為核心的新技術(shù)，在計算機技術(shù)下生成逼真的視、聽、觸覺于一體的特定范圍的虛擬環(huán)境。訓練者可以使用硬件設備，如頭盔、眼鏡等穿戴設備，身臨其境地在虛擬環(huán)境中進行實景演練和交互數(shù)據(jù)傳輸，從而能最大限度地降低環(huán)境和設備自身所帶來的局限，加強現(xiàn)場感受力和體驗度，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步，但現(xiàn)有的材料技術(shù)、制造工藝還不支持練習者長時間的訓練，還需要進一步提升訓練者的舒適度。而歐美等飛行技術(shù)先進國家已經(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專家系統(tǒng)、飛行仿真器性能評估專家系統(tǒng)、飛機駕駛技術(shù)專家系統(tǒng)和飛機作戰(zhàn)專家系統(tǒng)等眾多集成電子測試系統(tǒng)，如L3公司、CAE公司等飛行模擬器的自檢測設備，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優(yōu)化的發(fā)力點。

3? 結(jié)語

經(jīng)過多年的研發(fā)，我國飛行模擬器視景仿真系統(tǒng)在軍用領(lǐng)域獲得較快進步，已經(jīng)成功躋身先進技術(shù)國家行列，而民用飛行模擬器視景仿真系統(tǒng)的研發(fā)和訓練手段相對滯后，已經(jīng)嚴重跟不上不斷高速增長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解決的問題。本文在充分分析當前我國飛行模擬器視景仿真系統(tǒng)存在的主要的兩個問題后，針對視景仿真系統(tǒng)仿真的真實度和實時性不能同步兼顧，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)化設計與實現(xiàn)途徑：首先，著重優(yōu)化建模與仿真技術(shù)視覺呈現(xiàn)功能，加強真實度和實時性同步兼顧能力，提升仿真效果;其次，加強人工智能技術(shù)和集成評估功能的應用研究，提升視景仿真系統(tǒng)的顯示能力的同時兼顧提高飛行模擬器工作效率。這兩個優(yōu)化方向若能完美解決則將大大推動我國民航行業(yè)的發(fā)展和飛行員培養(yǎng)速率。

參考文獻

[1] 惠光飛，陳麗，段登平.平流層演示驗證飛艇實時仿真平臺設計[J].計算機仿真，2013（7）：55-59.

[2] 董鴻鵬，王春財，張波.飛行模擬器視景系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].計算機應用，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].中國民航大學，2007.