某型飞机飞行训练模拟器的设计与实现

某型飞机飞行训练模拟器的设计与实现

牛建柱

天津莱特兄弟科技有限公司 天津市300393

摘要：自动飞行控制系统是由自动驾驶仪和自动油门取代人工操纵，保证飞行品质，降低了飞行员的工作量。介绍了自动飞行系统的组成，功能。在飞行控制系统的自动测试中,飞行控制接口信号是必需的。论述了飞行控制接口信号的模拟方案,并详细介绍了信号模拟器的软硬件工作原理。

关键词：自动飞行控制系统；飞行模拟器；系统设计

前言

自动飞行系统，是指自动驾驶仪以舵回路稳定系统为主，配合无线电导航，惯性导航的航向指令输入，增加姿态控制回路，和自动油门结合后形成的完整的控制系统。飞行仿真器中，自动飞行系统仿真的任务是要用相应的软件模块与仿真设备来仿真飞机自动飞行系统的功能。随着机载计算机广泛的应用,各机载电子设备之间的联系越来越紧密,飞行控制系统所接收的信号越来越多,这虽然大大加快了航空电子综合化的进程,然而也给飞行控制系统设备的测试带来了困难。由于缺乏与被测试部件相关的飞行控制接口设备,使得很多测试工作难以进行。因此,研制飞行模拟器自动飞行控制系统就变得十分有意义。

1飞行模拟器视景仿真技术简介

飞行模拟器视景仿真是虚拟现实技术在应用过程中的主要表现形式之一。视景仿真系统可以使用户产生极其笔身的感觉，能够营造出交互仿真环境，使用户与环境直接进行自然交互。视景仿真系统在设计过程中主要利用计算机图形图像技术，以仿真的具体目的为基础构建仿真对象三维模型或者再现真实的环境，其仿真效果比较逼真。视景仿真系统是对眼睛看到的景象进行仿真，并利用计算机形成的图像展示出真实视景的景物。在视景仿真系统设计过程中，需要对计算机图形图像技术进行应用，才能够设计出效果逼真的三维、视觉、听觉、感官视景，使用户可以对自然技能和相对应的设备进行应用，在虚拟视景进行浏览和交互[1]。在很多领域，视景仿真系统的应用都比较普遍，例如大型工程漫游、城市规划方针以及军事领域的作战训练和武器研制等各方面。特别是在高层仿真框架HLA体系结构不断成熟和发展的背景下，以HLA分布式虚拟视景环境系统为基础进行深入研究，可以将视景仿真技术应用在飞机训练模拟器中，构建虚拟化逼真的战场环境，从而开展培训工作，对战术演练和训练有重要作用。

2飞行模拟器视景仿真系统优化技术

2.1视景仿真集成技术

在飞行模拟器视景仿真系统优化设计过程中，需要对关键技术进行充分掌握。其中视景仿真集成技术是关键技术类型之一。视景系统主要包括视景生产系统以及视景显示系统。图形生成器是视景系统在研发过程中的核心，图形生成器的主要作用是为培训人员提供座舱外景象，直接决定图形生成的更新频率、图形分辨率、图形的复杂程度和图形质量。为了生成逼真的实景图像，需要对真实场景中物体的几何形状、相对位置以及运动关系的进行正确描述。而描述主要是以实体的材质、环境、气象和光照为基础进行计算的。这就需要对视景仿真系统集成技术进行充分应用。

2.2投影技术

投影技术也是飞行模拟器试行仿真系统优化设计过程中的关键技术之一。一般情况下，在视景显示过程中，主要包括头盔显示、球幕显示和立体成像显示等。其中头盔显示的视景逼真度相对较好，但是技术程度相对复杂，不能满足实用化需求。而球幕显示的相关技术相比较成熟，在显示系统设计过程中主要包括球幕、头位跟踪、注视区显示以及多投影器显示等不同方式。如果模拟系统的市场需求在300°以上，一般会利用球幕+头位跟踪+注视区显示技术。该显示方式主要是以人眼的生理特点为基础，可以解决视景分辨率、亮度等指标存在的矛盾。而立体成像显示主要是立体的方式展现出虚拟场景。这一显示原理中，以球幕显示机理为基础进行发展的，能够提高视景的立体感[2]。目前，在国外的飞机模拟系统中，对球幕显示技术的应用比较普遍，而我国现有的飞行模拟器主要是以系统的实际要求为基础，对显示方式进行选择。大部分利用实像、虚像或者虚实结合的显示方式，个别飞行模拟器会利用立体成像技术进行显示。

2.3视景仿真建造技术

视景仿站建造技术在应用过程中，主要从仿真环境制作和仿真驱动两方面出发进行应用。仿真环境制作主要包括设计模型、构造场景、制作纹理，完成特效设计等。这一环节的主要目的是构造出逼真度相对较强的三维模型，并制作出逼真的纹理和特效。对飞行模拟器来说构建逼真的虚拟战场环境，必须对大地形建模技术进行充分应用。

2.4环境特效技术

在虚拟战场环境中，为了为工作人员提供逼真的感觉，需要对环境效果进行模拟。主要完成气象、爆炸效果、海浪、船只或者武器发射尾迹模拟工作。这是虚拟战场场景设计中不能缺少的重要部分。在计算机图形学领域，为了保证相关模型能够顺利建造，对环境特效技术进行应用至关重要。

2.5视景显示与调度技术

视景显示与调度技术是视景仿真的重要组成。仿真驱动可以进行场景驱动、模型调动处理、分布交互以及大地形管理等。需要展现出仿真环境，并响应交互操作，系统响应速度与硬件设备存在密切联系，与相关的算法也有密切联系。在飞行模拟器视景仿真系统设置过程中，视景仿真设计的复杂程度比较高，要完成系统工程设计、体系结构设计、座舱改装以及仪表模拟等各项工作。在具体的优化设计过程中，对高精尖技术的应用比较普遍

[3]。其中视景系统是飞行模拟器的重要分系统，可以为受训人员提供与飞机地理位置和姿态相对应的连续座舱外场景。在对飞机航线飞行进行模拟的过程中，视景系统可以提供山川、田野、地形地貌、白云等景象或者穿云飞行。而在模拟作战中可以提供空中目标、武器投放、射击效果等各种场景。视景仿真系统能够提供黎明、黄昏、夜间、白昼等不同的工作模式，并且能够根据太阳光方位模拟物体的阴影和光照关系，从而反映出不同时刻。除此之外，视景系统能够完成云、雨、雪等气象特性，有利于提高作战场景的真实感。

3飞行模拟器视景仿真系统实现途径

3.1优化建模与仿真技术

为了确保飞行模拟器视景仿真系统能够有效应用，需要对建模和仿真技术进行优化。在飞机飞行过程中比较常见的问题是飞行自由度运动制约，主要是利用方程完成通用设计。构建通用或者标准的模块，利用软件剪裁以及连接方式可以通过通用数学模型以及模块对飞行模拟器视景仿真技术进行建模。在该技术应用的过程中具有明显的虚拟化以及现代化特征。而利用细化常见问题、场景按机理建模技术、辨识建模技术、面向对象建模技术、数据可视化建模技术以及多媒体建模技术等，可以对不同的仿真技术进行有效结合，构建出结构比较复杂，功能更加全面的系统仿真，能够增强仿真技术的视觉呈现效果，提高视景仿真技术的真实度。

3.2融入人工智能与集成评估功能

在飞行模拟器视景仿真系统实现的过程中，可以融入人工智能技术和集成评估功能。飞行模拟器的视景仿真系统主要是利用显示器和培训人员之间进行联系。因此，视景仿真系统的显示器显示能力和生理舒适度至关重要。在人工智能技术应用过程中，可以利用计算机图形显示技术，生成更加逼真的视、听、触觉于一体的特定范围虚拟环境，受训人员可以利用硬件设备，例如眼镜、头盔等在虚拟环境中进行实践演练和交互数据传输，可以在最大程度上降低环境以及设备带来的限制，增强受训人员的现场感受力以及体验度。并且与传统的视景仿真系统显示器相比，其显示功能与飞行模拟器工作效率更高。现阶段，我国已经研制出以飞行模拟器视景仿真系统为基础的VR技术，其显示能力具有明显的进步。但是受制造材料、制造技术等限制，受训者不能进行长时间训练。因此，需要进一步提高视景系统运用过程中的舒适度。

参考文献：

[1]吴东苏.轻型飞行模拟器运动平台先进控制技术研究[D].南京：南京航空航天大学，2015.

[2]阮鸿雁，王云鹤.少自由度并联机构关键技术与理论研究现状与展望[J].机床与液压，2014，39（13）：134-136.

[3]张勇.三自由度飞行模拟器的运动模拟能力分析与对比[J].飞行设计，2016（1）：28-39.