姚 冰

（中國民航大學(xué) 航空工程學(xué)院，天津 300300）

0 引言

航空運(yùn)輸業(yè)對拉動全球經(jīng)濟(jì)增長作用明顯，是國家發(fā)展的重要載體。美國不僅具有國際領(lǐng)先的飛機(jī)制造產(chǎn)業(yè)和技術(shù)，還擁有完善的航空運(yùn)輸系統(tǒng)。預(yù)計(jì)到2025年，美國的空中運(yùn)輸系統(tǒng)需要容納目前飛機(jī)數(shù)量的4倍，下一代空中交通系統(tǒng)的關(guān)鍵就在等效可視飛行能力［1］。等效可視飛行能力可以擺脫實(shí)際天氣和能見度狀況的限制，獲得“全天候”滑行和著陸的能力，現(xiàn)代視景系統(tǒng)是獲得這種“全天候”著陸能力的一種有效手段。視景系統(tǒng)大部分使用平視顯示器（HUD）作為顯示裝置，HUD技術(shù)源于軍工技術(shù)，20世紀(jì)80年代初開始應(yīng)用于民用干線飛機(jī)，并日趨成為駕駛艙的重要組成部分，波音787就將 HUD作為必裝設(shè)備［2］。HUD主要通過數(shù)據(jù)采集、信息計(jì)算、圖形生成、投影和準(zhǔn)直等一系列處理將一些重要飛行信息（飛行航跡、高度、速度和姿態(tài)等）以綠色的符號形式顯示在飛行員正前方“無窮遠(yuǎn)”處，與駕駛艙外景／目標(biāo)重疊在一起［3］。本文基于 GL studio軟件和 Vega Prime軟件對大型運(yùn)輸機(jī)平視顯示系統(tǒng)進(jìn)行仿真［4-5］研究，為后續(xù)針對平視顯示器開展工效和認(rèn)知研究提供基礎(chǔ)。

1 平視顯示系統(tǒng)仿真

1.1 總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以增強(qiáng)視景系統(tǒng)搭載的平視顯示系統(tǒng)為藍(lán)本，利用GL Studio制作出動態(tài)鏈接庫（.dll）形式的平視顯示器靜態(tài)模型，導(dǎo)入Vega Prime提供的三維場景（地形、運(yùn)輸機(jī)和障礙物等模型）中，通過接口插件GLS Vega Prime PlugIn實(shí)現(xiàn)仿真數(shù)據(jù)傳遞，從而完成平視顯示系統(tǒng)的動態(tài)仿真。平視顯示系統(tǒng)開發(fā)流程如圖1所示。

1.2 平視顯示器靜態(tài)模型

為了實(shí)現(xiàn)大型運(yùn)輸機(jī)平視顯示器的仿真，首先確定工程類型，設(shè)計(jì)平視顯示器的靜態(tài)圖形界面，根據(jù)仿真任務(wù)的需要，平視顯示器界面上有航向、高度、速度、下降率和姿態(tài)等主要飛行信息，參照波音787飛機(jī)平視顯示器的格式，空速表、高度表和俯仰角度刻度表為柱形刻度表，航向角刻度表和滾轉(zhuǎn)角刻度表為盤形刻度表；其次由于運(yùn)輸機(jī)平視顯示系統(tǒng)要求實(shí)時(shí)顯示外部視景和各項(xiàng)飛行信息，因此需要對平視顯示器靜態(tài)界面上的各儀表對象添加相應(yīng)的屬性、方法和變量；然后利用GL Studio代碼生成器生成.cpp和.h文件格式的源代碼文件，最終編譯生成.dll形式的平視顯示器靜態(tài)模型。平視顯示器靜態(tài)模型開發(fā)流程圖如圖2所示，開發(fā)出的平視顯示器靜態(tài)模型如圖3所示。

圖1 平視顯示系統(tǒng)開發(fā)流程

1.2.1 平視顯示器上柱形刻度表的開發(fā)

平視顯示器上柱形刻度表是指帶有刻度符號和對應(yīng)數(shù)值的柱形虛擬儀表，空速表、高度表和俯仰角刻度表都屬于柱形刻度表。下面以空速表為例，對柱形刻度表的開發(fā)過程進(jìn)行說明。

空速表主要由綠色刻度符號和對應(yīng)的數(shù)值組成。利用GL Studio編輯器設(shè)計(jì)窗口工具欄中的“Adds a line object”即可輕易制作綠色刻度符號，然后在對象屬性窗口設(shè)置綠色刻度符號的位置和長度。同樣，對于綠色刻度符號對應(yīng)的刻度值，只需單擊GL Studio編輯器設(shè)計(jì)窗口工具欄中“Inserts a GlsTextGrid”制作按鈕即可，然后在對象屬性窗口設(shè)置刻度值的位置、顏色和大小等信息，但是空速實(shí)時(shí)顯示框與背景刻度值存在疊加，需要建立組件，以控制背景刻度值在空速實(shí)時(shí)顯示框區(qū)域處是不可見的。建立好空速表的靜態(tài)界面后，在代碼區(qū)內(nèi)添加屬性AirSpeed，同時(shí)添加相應(yīng)代碼，使各刻度值處能實(shí)時(shí)輸出正確的數(shù)值。

圖2 平視顯示器靜態(tài)模型開發(fā)流程圖

圖3 平視顯示器靜態(tài)模型

1.2.2 平視顯示器上盤形刻度表的開發(fā)

平視顯示器上盤形刻度表是指帶有刻度符號和對應(yīng)數(shù)值的盤形虛擬儀表，航向角度表和滾轉(zhuǎn)角度表都屬于盤形刻度表。盤形刻度表的制作較簡單，只需利用好GL Studio編輯器設(shè)計(jì)窗口工具欄中的“Inserts a GlsAngularScale”即可，該按鈕用來制作盤形刻度符號。在實(shí)時(shí)飛行中，為了便于飛行員能夠迅速地掃視到航向角信息，航向角刻度值需時(shí)刻保持在便于飛行員閱讀的正立狀態(tài)，因此在代碼區(qū)的屬性中對每個(gè)刻度值符號添加函數(shù)DynamicRotate（），該函數(shù)用來控制對象的旋轉(zhuǎn)。

1.2.3 添加交互代碼

制作好平視顯示器靜態(tài)模型后，在GL Studio編輯器代碼區(qū)添加交互代碼。在實(shí)時(shí)飛行中，通過插件GLS Vega Prime PlugIn接收運(yùn)輸機(jī)在由 Vega Prime軟件提供的三維場景中的實(shí)時(shí)飛行信息，并在平視顯示器各儀表上體現(xiàn)出來。

1.3 平視顯示系統(tǒng)動態(tài)實(shí)現(xiàn)

Vega Prime的視景仿真主要包括視景模型的預(yù)處理、LynxPrime圖形界面設(shè)計(jì)和視景仿真程序設(shè)計(jì)3個(gè)部分。視景模型的預(yù)處理主要包括大地形建模和實(shí)體（運(yùn)輸機(jī)、儀表等）建模；LynxPrime圖形界面設(shè)計(jì)主要包括環(huán)境設(shè)置和模型初始位置定位；視景仿真程序設(shè)計(jì)則使用VC++平臺創(chuàng)建控制臺程序或者創(chuàng)建MFC對話框程序，對視景仿真程序進(jìn)行更深層次的設(shè)計(jì)。

本文在完成視景模型的預(yù)處理后，在LynxPrime圖形界面中首先加入運(yùn)輸機(jī)模型（如圖4所示），然后利用插件GLS Vega Prime PlugIn將平視顯示器靜態(tài)模型導(dǎo)入，在Object Connection中關(guān)聯(lián)運(yùn)輸機(jī)模型，同時(shí)修改其位置參數(shù)，將其定位在座艙中的正確位置，最后設(shè)置三維視景中的各種環(huán)境，從而完成HUD.acf文件的配置。在視景仿真程序設(shè)計(jì)中使用VC++平臺創(chuàng)建好控制臺程序后，直接在項(xiàng)目源文件中的HUD.cpp文件中定義已經(jīng)配置好的HUD.acf文件，然后根據(jù)需要進(jìn)行其他編程（如加入操縱桿或進(jìn)行自動飛行），從而完成平視顯示系統(tǒng)的開發(fā)。平視顯示系統(tǒng)動態(tài)圖如圖5所示。

圖4 運(yùn)輸機(jī)模型

圖5 平視顯示系統(tǒng)動態(tài)圖

2 需解決的關(guān)鍵問題

2.1 平視顯示器界面的實(shí)時(shí)顯示

將GL Studio制作出動態(tài)鏈接庫（.dll）形式的平視顯示器靜態(tài)模型導(dǎo)入Vega Prime軟件中的運(yùn)輸機(jī)模型后，運(yùn)行平視顯示系統(tǒng)的過程中可能會出現(xiàn)平視顯示器界面無法顯示的問題，這是因?yàn)樵谑褂肰C++平臺編譯GL Studio自動生成的各種源文件時(shí)沒有正確配置編譯環(huán)境。

GL Studio軟件中，對于生成的可執(zhí)行文件有兩種調(diào)用方式，相應(yīng)地在VC++平臺中創(chuàng)建工程時(shí)有兩種類型的工程：StandaloneAppWizard類型和Live Component Wizard類型。本 文 選 擇 LiveComponent Wizard類型的工程，經(jīng)過編譯后會生成.dll形式的文件，因此在VC++平臺中將項(xiàng)目屬性的活動解決方案配置設(shè)為 Release／Debug LiveComponent glsdll md，從而與.dll的工程類型相對應(yīng)。

2.2 俯仰角刻度線制作

在運(yùn)輸機(jī)飛行過程中，平視顯示器實(shí)時(shí)顯示各種飛行信息，地平線標(biāo)志刻度線、地平線標(biāo)志線以上的俯仰角刻度線及地平線標(biāo)志線以下的俯仰角刻度線之間是存在差異的（如圖5所示），目的是使經(jīng)過訓(xùn)練的飛行員在飛行過程中可以輕易地獲取飛機(jī)的俯仰角度值，但這也增加了俯仰角刻度線制作的復(fù)雜性。

由于GL Studio軟件可結(jié)合VC++進(jìn)行混合編程，因此可以在GL Studio編輯器設(shè)計(jì)窗口的同時(shí)畫好地平線標(biāo)志刻度線、地平線標(biāo)志線以上的俯仰角刻度線和地平線標(biāo)志線以下的俯仰角刻度線，將其作為俯仰刻度線基線（如圖6所示），然后在代碼區(qū)中添加方法ChangeLadder（int number），同時(shí)添加如下代碼來控制三者的顯示：

圖6 俯仰刻度線基線

2.3 碰撞檢測

在Vega Prime軟件提供的虛擬三維環(huán)境中，運(yùn)輸機(jī)與場景（山、房屋和跑道等）之間會出現(xiàn)“穿透”的現(xiàn)象，使仿真程序失真。Vega Prime中的碰撞檢測基類vpIsector封裝了Tripod、Bump、ZPR等7種相對簡單的碰撞檢測器，用戶先根據(jù)飛行任務(wù)需要選擇碰撞檢測器，然后將碰撞檢測器和目標(biāo)物體的Isector Mask碼設(shè)為不同的值，只有當(dāng)兩者的“與”值不為零時(shí)進(jìn)行碰撞檢測。Vega Prime直接利用acf配置即可配置類vpIsector中的碰撞檢測器，但是只能進(jìn)行碰撞檢測，用戶可以根據(jù)需要編寫碰撞效果程序。

3 結(jié)束語

本文以增強(qiáng)視景系統(tǒng)搭載的平視顯示系統(tǒng)為藍(lán)本，根據(jù)平視顯示系統(tǒng)的特征和功能要求，基于GL Studio軟件和Vega Prime軟件進(jìn)行大型運(yùn)輸機(jī)平視顯示系統(tǒng)的仿真。較為詳細(xì)地?cái)⑹隽碎_發(fā)流程，并對開發(fā)過程中的一些關(guān)鍵問題提出了解決方法。本文的平視顯示系統(tǒng)仿真為后續(xù)針對平視顯示器開展工效和認(rèn)知研究提供基礎(chǔ)，從而提高飛行員的情境意識，改善飛行員的飛行績效。

［1］ Randall E Bailey，Lynda J Kramer，Steven P Williams.Enhanced vision for all-weather operations under NextGen［R］.Hampton：NASA Langley Research Center，2010.

［2］ 何光勤.美國新一代航空運(yùn)輸系統(tǒng)及其對中國的借鑒意義［J］.科技經(jīng)濟(jì)市場，2011（5）：71-73.

［3］ 張偉.民機(jī)新一代駕駛艙顯示技術(shù)［J］.民用飛機(jī)設(shè)計(jì)與研究，2011（2）：4-7.

［4］ 于輝，趙經(jīng)成，付戰(zhàn)平，等.GL Studio虛擬儀表技術(shù)應(yīng)用與系統(tǒng)開發(fā)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2010.

［5］ 董秀成，鄭海春，李兆鋒.Vega Prime實(shí)時(shí)三維虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)技術(shù)［M］.成都：西南交通大學(xué)出版社，2012.