一種VR 飛行仿真系統設計

王海勃

（航空工業集團公司洛陽電光設備研究所，河南 洛陽471000）

1 概述

VR 飛行仿真系統能夠為用戶提供逼真的飛行駕駛感覺，得到近似真實世界相同的體驗，包括三維視覺、立體的聽覺和觸覺等，讓體驗者產生視覺上的“沉浸感”，仿佛置身“真實”飛行環境中。目前大多訓練仿真系統過于強調專業性和與真機的一致性，側重用戶對機上設備的認知和訓練，內容單一枯燥；而大多VR 頭戴設備的飛行體驗還主要以游戲為主，缺乏專業飛行仿真的嚴謹性，該系統找準市場空白和用戶需求，對抗性和專業性兼具，以較低的成本獲得最真實的飛行體驗。設計一種VR 飛行仿真系統，充分利用VR 高清晰虛擬成像技術和專業飛行搖桿使得飛行和駕駛過程具備高逼真度，同時硬件組成上較為簡易，具有很大的靈活性和適應性。

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

圖1 VR 頭戴顯示設備組成示意圖

2 系統設計

2.1 系統功能

VR 飛行仿真系統具備以下功能：a.VR 顯示功能：使用者佩戴VR 眼鏡，通過計算機模擬產生一個三維空間的虛擬飛行虛擬環境，可以實時、自然的觀察三度空間內的三維視景；b.飛行仿真功能：模擬飛機的真實飛行特性。包括從滑跑、起飛、空中飛行（平飛和機動）到進場、著陸。飛行仿真模塊接受發動機仿真子系統給出的推力和力矩，通過飛行搖桿和飛控仿真系統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，并考慮氣象條件、跑道情況等設置，計算飛機的實時位置、飛行狀態及大氣參數等數據輸出到任務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，能夠逼真模擬飛機起降和飛行，手動駕駛及自動駕駛功能；d.視景及特效仿真功能：需要完成對飛機及目標的三維視景建模、對本機座艙內部環境進行三維視景建模，還需要地理環境信息的大地形數字地圖支持。利用Unity 3D 開發環境進行建模和仿真：仿真復雜氣象環境、干擾環境效果；仿真飛機氣流音效、發動機音效、通信設備音效、武器發射效果等各種聲音效果；仿真武器爆炸、飛機墜地爆炸等各種爆炸效果；仿真飛機尾跡、發動機加力尾焰、武器發射尾焰及尾煙等各種效果。

2.2 硬件設計

VR 飛行仿真系統各硬件組成如下：a.VR 顯示設備：主要用于像源圖像的放大和增強沉浸，選用市面上外接式VR 眼鏡HTC VIVE 作為頭戴顯示的主設備。HTC VIVE 是目前市面上相對效果最好的一套頭戴顯示設備。HTC VIVE 由一個Vive 頭戴設備，兩個操控手柄和兩個定位器組成。內部兩個鏡片分別為1200*1080 像素屏幕（單個），每秒90 幀的超快刷新率；b.高性能圖形工作站：主要用于虛擬場景的生成和渲染（包括模擬座艙、三維視景、數字地圖等）以及系統軟件的運行；c.飛行仿真操縱機構：包括模擬駕駛桿、模擬油門桿和模擬腳蹬三個部分，模擬駕駛桿、模擬油門桿之間以電纜連接，統一通過1 路USB2.0 總線連接至仿真計算機，模擬腳蹬單獨通過1 路USB2.0 總線連接至仿真計算機；d.其他部件：主要用于支持飛行仿真系統運行的各種部件如連接線纜、安裝支架、測試顯示器等。同時也自行研發了VR 頭戴顯示設備，可代替HTC VIVE 使用，其外形圖如圖2 所示。

2.3 軟件組成

VR 飛行仿真系統軟件部分由飛行仿真軟件、任務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：用來模擬飛機的全部飛行特性。包括從滑跑、起飛、空中飛行（平飛和機動）到進場、著陸及著陸后滑跑的全過程。能夠體現飛機的航程和續航時間、仿真飛機的起降性能、掛裝武器能力、仿真飛機的高度- 速度范圍、重量、機動性能（爬升率、盤旋過載、加速、盤旋角速度、過載范圍）等；b.任務過程仿真軟件：該軟件用于支持飛機完成完整的飛行及攻擊任務過程，支持綜合航電設備仿真、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、目標三維模型仿真；視景仿真，區域不小于100km×100km；人文環境仿真，村莊、城市、鐵路、河流等；復雜氣象環境、干擾環境、對抗環境效果仿真；飛機氣流音效、發動機音、通信設備音效、武器發射效果等各種聲音效果。

圖2 VR 頭戴顯示設備外觀圖

3 關鍵技術

3.1 面向任務的開放式系統架構設計技術

該項目需要適應商業貨架化研制要求，該設備能夠完整逼真模擬飛機基本飛行和導航攻擊任務全過程。為完成該集成設計技術，在軟件設計方面，需采用多核多線程動態調度技術、組件化模型接口設計技術、復雜模型動態調度與擴展使用技術等組件化封裝和集成相關技術，對包括系統主運行框架、各航電系統模型、武器模型、目標模型、視景模型在內的各類模型進行了獨立封裝，滿足獨立開發需要，最后各組件構成完整整體，完成系統運行。采用如下技術途徑：a.插件式架構設計，其最大的好處就是利用標準的高級語言實現了平臺插件框架結構，最大限度的將邏輯和業務分離，同時不增加編碼人員的負擔。集中開發中公用的，零散的，不具備復用條件的代碼塊和代碼段，按照一定的標準重構和封裝成輕量級的插件通用模塊（包括常用的算法組件和界面組件），使開發出的插件既能靈活組合到各種系統，又能單獨拆開使用，真正實現“積木式”的軟件開發模式；b.功能單一原則，開放式系統架構設計技術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立，最大限度的低耦合，高內聚；c.采用成熟且認可度較高的第三方庫，開放式系統架構設計中那些與平臺相關的操作和算法，如文件和數據庫讀寫，坐標轉換和矩陣變換等，盡量采用經過項目驗證完全正確的插件或庫，防止由于引入錯誤代碼帶來的系統錯誤，一旦出現非常難定位。

3.2 三維視景建模與大地形顯示

系統需要完成對飛機及目標的三維視景建模、對本機座艙內部環境進行三維視景建模，尤其是還需要真實地理環境信息的大地形數字地圖支持，主要內容包括：a.建立可快速替換的視景軟件框架，該框架由三個獨立封裝組件完成，三個組件分別是：視景運行組件、平視顯示組件、多功能顯示組件，通過這種封裝方式，有效的將地形環境信息封裝到獨立的組件中，便于替換；b.項目前期借用當前可用地形環境，減少首次開發難度，同時加快項目其他方面的進度推進；后期再通過第三方獲取真實飛機模型和真實地形數據信息，完成數據的獨立封裝，便于替換；c.為視景部分運行建立獨立線程，使主框架運行與視景部分運行獨立，確保系統運行的實時性要求。

3.3 航電系統和任務過程模擬

要完成飛行仿真的任務全過程模擬，需要展開以下方面的工作：a.多功能顯示器畫面信息提供：由于飛機任務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具備一定品質特征（包括噪聲特性、對比度、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，進行相關算法處理后，進而成功模擬出相關圖像；b.平顯畫面的嵌入：飛行數據和主要信息都在平顯上進行顯示，需要在視景視點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：該檢測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座艙的操作過程，該過程需要按照POP 的操作流程進行，同時，顯控內部存在復雜的控制邏輯，調度各分系統工作。

4 結論

設計了一款VR 飛行仿真系統，沉浸感強，能夠給用戶帶來浸入式體驗，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；同時采用全金屬油門桿和駕駛桿，最大程度上模擬真實駕駛感覺。該系統可用于完成基本駕駛、起飛降落、動作演練、特情處置、任務訓練等體驗內容。