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虛擬現(xiàn)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(zhèn) )

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

關鍵詞：虛擬現(xiàn)實; 飛行模擬器; 通用航空; 增強現(xiàn)實

0 引言

虛擬現(xiàn)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(huán)境。用戶可以使用必要的硬件設備 (如數(shù)據(jù)衣、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)鞋以及頭盔、立體眼鏡等)，自然地與虛擬環(huán)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(huán)節(jié)參與到飛行模擬系統(tǒng)中，接受仿真系統(tǒng)提供的各種信息，經過判斷和決策對系統(tǒng)進行操縱和控制。使用虛擬現(xiàn)實技術對飛機相關設備及視景系統(tǒng)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?shù)能浖渲每梢苑抡娑喾N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(fā)展，使得 VR 技術應用于飛行模擬器成為可能。

1 虛擬現(xiàn)實技術

虛擬現(xiàn)實這一名詞是由美國VPL公司創(chuàng)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(huán)境。這種技術的特點在于計算機產生一種人為虛擬的環(huán)境，這種虛擬的環(huán)境是通過計算機圖形構成的三維數(shù)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(huán)境，從而使得在視覺上產生一種沉浸于這個環(huán)境的感覺，可以直接觀察、操作、觸摸、檢測周圍環(huán)境及事物的內在變化，并能與之發(fā)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(xiàn)實系統(tǒng)主要由專業(yè)圖形處理計算機、應用軟件系統(tǒng)、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(tǒng)，三維立體聲音生成裝置［2］ 。

2 虛擬現(xiàn)實技術在飛行模擬器中的應用

2.1 傳統(tǒng)模擬器在通用航空領域使用的局限飛行模擬器是培養(yǎng)飛行員的一個重要環(huán)節(jié)，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(tǒng)及座艙仿真系統(tǒng)，這些系統(tǒng)針對特定的機型設計，因而只能用于培養(yǎng)單一機型的飛行員［3］ 。

在通用航空領域，其行業(yè)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(shù)量少，很多型號飛機的數(shù)量達不到配備特定機型模擬器的要求。據(jù)不完全統(tǒng)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(fā)新型的飛行訓練模擬器［4］ 。

2.2 基于虛擬現(xiàn)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(fā)一種有別于傳統(tǒng)模擬器的、通用性強、可兼容多種機型的飛行模擬器。虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展，為飛行模擬器的研發(fā)提供了一種新的思路。同傳統(tǒng)的飛行模擬器相比，基于虛擬現(xiàn)實的飛行模擬器有著無可比擬的巨大優(yōu)勢。 基于虛擬現(xiàn)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(xiàn)實的方法，利用軟件呈現(xiàn)一個完整的飛行訓練環(huán)境?？梢苑奖愕貙崿F(xiàn)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(tǒng)及駕駛艙儀表顯示系統(tǒng)普遍應用三維建模軟件開發(fā)，這些完全可以與虛擬現(xiàn)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(huán)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(xiàn)實技術。按照傳統(tǒng)的圖紙設計方式，零件總數(shù)高達300萬件以上的波音777，需要7000 余名各類專業(yè)設計人員組成200多個產品綜合研制小組同時工作。在規(guī)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(xiàn)象時有發(fā)生; 然而，在虛擬現(xiàn)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(fā)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(shù)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(tǒng)，視景系統(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)將增強現(xiàn)實概念引入飛行模擬器，該系統(tǒng)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(xiàn)了對直升機的模擬駕駛。

2.3 虛擬現(xiàn)實飛行模擬器的基本組成

基于頭盔式顯示器的虛擬現(xiàn)實飛行模擬器系統(tǒng)，如圖1 所示，主要由頭盔式顯示器、計算機、數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)手套操縱視景系統(tǒng)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(tǒng)安裝到運動臺上，根據(jù)飛機姿態(tài)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(jù)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)為:

1) 由于槳葉的旋轉，即使在定常前飛狀態(tài)，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(tài)下，還會出現(xiàn)嚴重的槳－渦干擾現(xiàn)象。

3) 在大速度飛行狀態(tài)，旋翼前行側槳葉的槳尖附近會出現(xiàn)跨音速流動，這種跨音速呈現(xiàn)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(tài)，容易導致動態(tài)失速［5］。

為保證模擬器的逼真度，要求模擬器系統(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)實硬件設備。

4未來前景展望

增強現(xiàn)實技術( AR) 和虛擬現(xiàn)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(huán)境和虛擬環(huán)境結合起來的一種系統(tǒng)，既可減少構成復雜場景的開銷( 因為部分虛擬環(huán)境由真實環(huán)境構成)，又可對實際物體進行操作( 因為部分物體是真實環(huán)境) 。 增強現(xiàn)實技術能夠把虛擬信息( 物體、圖片、視頻、聲音等等) 融合在現(xiàn)實環(huán)境中，將現(xiàn)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(xiàn)實讓用戶在虛擬世界中有一種身臨其境的體驗，而增強現(xiàn)實則是一種用變化的視角看現(xiàn)實世界的技術［4］ 。

基于虛擬現(xiàn)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(tǒng)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(xiàn)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(xiàn)實操縱系統(tǒng)結合混合現(xiàn)實技術生成的 3D 圖像，完全可以營造出更加逼真的飛行環(huán)境［1］。

5結論

虛擬現(xiàn)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(xiàn)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。

參考文獻:

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［2］ 羅斌，姚鵬，翁冬冬，等． 基于混合現(xiàn)實的新型輕量級飛行模擬器系統(tǒng)［J］．系統(tǒng)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(tǒng)［J］．系統(tǒng)仿真學報，2002( 4) : 488 － 492．

［4］ 胡小強． 虛擬現(xiàn)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(fā)展［J］．南京航空航天大學學報，2001，33( 3) ．

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