夏 偉，湯 鴻

(中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在通用航空飛行模擬器中的應(yīng)用

夏 偉，湯 鴻

(中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

分析目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展情況，總結(jié)其主要的優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域；分析通用航空飛行模擬器技術(shù)的發(fā)展情況及市場(chǎng)應(yīng)用前景；闡述虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到飛行模擬器設(shè)備中的可行性及實(shí)現(xiàn)手段；展望未來(lái)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融合的混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)在飛行模擬器中的應(yīng)用。

虛擬現(xiàn)實(shí)；飛行模擬器；通用航空；增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)

0 引言

虛擬現(xiàn)實(shí)是以計(jì)算機(jī)圖形顯示技術(shù)為核心的新技術(shù)，在計(jì)算機(jī)中生成逼真的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)一體化的虛擬環(huán)境。用戶可以使用必要的硬件設(shè)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(jìn)行交互，相互影響，產(chǎn)生身臨其境的感受和體驗(yàn)。

飛行模擬器具有真實(shí)的座艙設(shè)備和飛行桿力，人作為一個(gè)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(jīng)過(guò)判斷和決策對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操縱和控制。使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)飛機(jī)相關(guān)設(shè)備及視景系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬，可以極大地提升受訓(xùn)人員的真實(shí)沉浸感，顯著提高訓(xùn)練效率。同時(shí)，適當(dāng)?shù)能浖渲每梢苑抡娑喾N機(jī)型，會(huì)顯著降低飛行訓(xùn)練的費(fèi)用。特別是LED和CRE顯示器、高速圖形、多媒體等技術(shù)的發(fā)展，使得VR技術(shù)應(yīng)用于飛行模擬器成為可能。

1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)這一名詞是由美國(guó)VPL公司創(chuàng)建人拉尼爾在20世紀(jì)80年代初提出的，也稱(chēng)靈境技術(shù)或人工環(huán)境。這種技術(shù)的特點(diǎn)在于計(jì)算機(jī)產(chǎn)生一種人為虛擬的環(huán)境，這種虛擬的環(huán)境是通過(guò)計(jì)算機(jī)圖形構(gòu)成的三維數(shù)字模型，并編制到計(jì)算機(jī)中去生成一個(gè)以視覺(jué)感受為主，也包括聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)的綜合可感知的人工環(huán)境，從而使得在視覺(jué)上產(chǎn)生一種沉浸于這個(gè)環(huán)境的感覺(jué)，可以直接觀察、操作、觸摸、檢測(cè)周?chē)h(huán)境及事物的內(nèi)在變化，并能與之發(fā)生“交互”作用，使人和計(jì)算機(jī)很好地“融為一體”，給人一種“身臨其境”的感覺(jué)[1]。

一般的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)主要由專(zhuān)業(yè)圖形處理計(jì)算機(jī)、應(yīng)用軟件系統(tǒng)、輸入設(shè)備和演示設(shè)備等組成。輸入工具和演示設(shè)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(shí)技術(shù)在飛行模擬器中的應(yīng)用

2.1 傳統(tǒng)模擬器在通用航空領(lǐng)域使用的局限

飛行模擬器是培養(yǎng)飛行員的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，利用高等級(jí)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(fēng)險(xiǎn)，大大提高飛行員的培訓(xùn)效率，降低培訓(xùn)成本。目前研制的模擬器，配備相應(yīng)的視景系統(tǒng)及座艙仿真系統(tǒng)，這些系統(tǒng)針對(duì)特定的機(jī)型設(shè)計(jì)，因而只能用于培養(yǎng)單一機(jī)型的飛行員[3]。

在通用航空領(lǐng)域，其行業(yè)特點(diǎn)決定了通用航空使用的飛機(jī)型號(hào)種類(lèi)多，單一型號(hào)飛機(jī)保有數(shù)量少，很多型號(hào)飛機(jī)的數(shù)量達(dá)不到配備特定機(jī)型模擬器的要求。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，通用航空領(lǐng)域內(nèi)固定翼飛機(jī)和直升機(jī)超過(guò)百種。同時(shí)，即便同種飛行器也會(huì)因?yàn)榭蛻舻倪x型不同而具有不同的配置，這就必然導(dǎo)致各種不同的模擬器之間存在著功能重復(fù)和交叉浪費(fèi)。而為了保證飛行員的模擬訓(xùn)練，必須開(kāi)發(fā)新型的飛行訓(xùn)練模擬器[4]。

2.2 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的飛行模擬器在通用航空領(lǐng)域的廣闊前景

針對(duì)通用航空領(lǐng)域飛行員模擬訓(xùn)練的特點(diǎn)，必須開(kāi)發(fā)一種有別于傳統(tǒng)模擬器的、通用性強(qiáng)、可兼容多種機(jī)型的飛行模擬器。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)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(shí)的飛行模擬器有著無(wú)可比擬的巨大優(yōu)勢(shì)?；谔摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)的模擬器，不需要配置座艙等硬件設(shè)備，而是通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)的方法，利用軟件呈現(xiàn)一個(gè)完整的飛行訓(xùn)練環(huán)境。可以方便地實(shí)現(xiàn)一機(jī)多能，即利用一個(gè)訓(xùn)練平臺(tái)完成多種機(jī)型飛行任務(wù)的訓(xùn)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(yīng)用三維建模軟件開(kāi)發(fā)，這些完全可以與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的頭盔顯示器結(jié)合，為用戶營(yíng)造極具沉浸感的三維駕駛艙環(huán)境。

在20世紀(jì)90年代，波音777飛機(jī)的設(shè)計(jì)師們就已開(kāi)始應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。按照傳統(tǒng)的圖紙?jiān)O(shè)計(jì)方式，零件總數(shù)高達(dá)300萬(wàn)件以上的波音777，需要7000余名各類(lèi)專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)人員組成200多個(gè)產(chǎn)品綜合研制小組同時(shí)工作。在規(guī)模如此龐大的設(shè)計(jì)工作中，小組之間的銜接不當(dāng)、錯(cuò)誤率、重復(fù)工作等現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生；然而，在虛擬現(xiàn)實(shí)的三維模型仿真技術(shù)的幫助下，波音777的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤修改量較過(guò)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(chǎng)中，固定翼飛機(jī)與直升機(jī)種類(lèi)繁多，與它們相應(yīng)的真實(shí)性及沉浸感俱佳的D級(jí)飛行模擬器遠(yuǎn)超過(guò)了航空器的價(jià)格，因此，通用航空市場(chǎng)中C級(jí)或D級(jí)飛行模擬器的數(shù)量非常稀少。通航運(yùn)營(yíng)公司為了保證飛行的安全，只能引入低端的飛行訓(xùn)練器，這種訓(xùn)練器不具有運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，視景系統(tǒng)采用實(shí)像技術(shù)，顯示效果較差，這些都降低了飛行訓(xùn)練的有效性。通過(guò)向飛行訓(xùn)練器中引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，配以相關(guān)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)技術(shù)，能在極大降低飛行訓(xùn)練器價(jià)格的同時(shí)，顯著地提升飛行的沉浸感，這也必然伴隨飛行訓(xùn)練效率的提高。

美國(guó)軍方的AVCATT系統(tǒng)將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)概念引入飛行模擬器 ,該系統(tǒng)使用光學(xué)透視式頭盔顯示器和真實(shí)座艙,通過(guò)精確的頭部位置跟蹤器實(shí)現(xiàn)了對(duì)直升機(jī)的模擬駕駛。

2.3 虛擬現(xiàn)實(shí)飛行模擬器的基本組成

基于頭盔式顯示器的虛擬現(xiàn)實(shí)飛行模擬器系統(tǒng),如圖1所示,主要由頭盔式顯示器、計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)手套、力感裝置、話筒和耳機(jī)等組成。飛行員通過(guò)模擬操縱桿的力感裝置進(jìn)行飛行操縱，同時(shí)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(kāi)關(guān)。頭盔上的空間定位裝置實(shí)時(shí)測(cè)量飛行員的頭位，并在頭盔式顯示器中顯示相應(yīng)空間方位的圖像。

將上述系統(tǒng)安裝到運(yùn)動(dòng)臺(tái)上，根據(jù)飛機(jī)姿態(tài)及速率變化信號(hào)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)，可以更逼真地進(jìn)行飛行模擬訓(xùn)練。

在計(jì)算機(jī)中可以安裝多個(gè)機(jī)型的飛行仿真驅(qū)動(dòng)軟件及多個(gè)場(chǎng)景軟件，根據(jù)培訓(xùn)需要，可自由選擇培訓(xùn)機(jī)型和培訓(xùn)場(chǎng)景，大大提高飛行模擬器使用的靈活性[1]。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在直升機(jī)飛行模擬器研制中的應(yīng)用特點(diǎn)

直升機(jī)是通用航空飛行器的一個(gè)重要組成部分，其飛行特性的復(fù)雜性對(duì)飛行模擬器中虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的使用提出了更高的要求。

直升機(jī)旋翼是直升機(jī)主要的升力和操縱部件，相對(duì)于固定翼飛機(jī)，旋翼具有出很強(qiáng)的非定常特性，主要表現(xiàn)為：

1)由于槳葉的旋轉(zhuǎn)，即使在定常前飛狀態(tài)，槳葉的相對(duì)來(lái)流和迎角也是隨時(shí)間變化的，旋翼流場(chǎng)和氣動(dòng)特性是非定常的；

2)旋翼始終工作在自身產(chǎn)生的尾跡附近，旋翼尾跡對(duì)流場(chǎng)和氣動(dòng)特性有重要影響，在某些飛行狀態(tài)下，還會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的槳-渦干擾現(xiàn)象；

3)在大速度飛行狀態(tài)，旋翼前行側(cè)槳葉的槳尖附近會(huì)出現(xiàn)跨音速流動(dòng)，這種跨音速呈現(xiàn)嚴(yán)重非定常和三維特點(diǎn)。在后行側(cè)，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(dǎo)致動(dòng)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(guò)140毫秒，但直升機(jī)嚴(yán)重的非定常特性，導(dǎo)致飛行動(dòng)力學(xué)仿真模型復(fù)雜度提高，會(huì)對(duì)模擬器全系統(tǒng)的延遲特性產(chǎn)生影響。因此需要在保證仿真逼真度的前提下，對(duì)直升機(jī)飛行動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行適當(dāng)程度的簡(jiǎn)化，并選用高性能的虛擬現(xiàn)實(shí)硬件設(shè)備。

4 未來(lái)前景展望

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)(AR)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(VR)是兩種類(lèi)似的技術(shù)，它既允許用戶看到真實(shí)世界，同時(shí)也能看到疊加在真實(shí)世界上的虛擬對(duì)象，是把真實(shí)環(huán)境和虛擬環(huán)境結(jié)合起來(lái)的一種系統(tǒng)，既可減少構(gòu)成復(fù)雜場(chǎng)景的開(kāi)銷(xiāo)(因?yàn)椴糠痔摂M環(huán)境由真實(shí)環(huán)境構(gòu)成)，又可對(duì)實(shí)際物體進(jìn)行操作(因?yàn)椴糠治矬w是真實(shí)環(huán)境)。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠把虛擬信息(物體、圖片、視頻、聲音等等)融合在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，將現(xiàn)實(shí)世界豐富起來(lái)，構(gòu)建一個(gè)更加全面、更加美好的世界。虛擬現(xiàn)實(shí)讓用戶在虛擬世界中有一種身臨其境的體驗(yàn)，而增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)則是一種用變化的視角看現(xiàn)實(shí)世界的技術(shù)[4]。

基于虛擬現(xiàn)實(shí)的飛行模擬器解決了操縱過(guò)程中的觸覺(jué)反饋問(wèn)題。但對(duì)于飛行員最為關(guān)注的操縱系統(tǒng)力反饋等特性，單純使用VR虛擬技術(shù)可能無(wú)法達(dá)到令人滿意的要求，而AR技術(shù)與VR技術(shù)融合的混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)恰恰是解決這個(gè)問(wèn)題的良好方案，通過(guò)具有力反饋功能的現(xiàn)實(shí)操縱系統(tǒng)結(jié)合混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)生成的3D圖像，完全可以營(yíng)造出更加逼真的飛行環(huán)境[1]。

5 結(jié)論

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在通用航空飛行模擬器領(lǐng)域具有廣泛的市場(chǎng)前景，通過(guò)相應(yīng)的技術(shù)手段，VR技術(shù)完全可以替代現(xiàn)有的飛行模擬器相關(guān)模塊，極大地改善飛行學(xué)員的駕駛沉浸感，進(jìn)而提升飛行培訓(xùn)的效率。飛行模擬器運(yùn)營(yíng)方可以顯著降低設(shè)備成本，提高培訓(xùn)的經(jīng)濟(jì)性。

[1] 馬登武，吳國(guó)良.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在飛行仿真中的應(yīng)用[J].MODERN DEFENCE TECHNOLOGY, 28(6).

[2] 羅 斌，姚 鵬，翁冬冬，等.基于混合現(xiàn)實(shí)的新型輕量級(jí)飛行模擬器系統(tǒng)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2009(7).

[3] 戴樹(shù)嶺，雷小永，梅繼紅.虛擬仿真飛機(jī)座艙系統(tǒng)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2002(4):488-492.

[4] 胡小強(qiáng).虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社，2004.

[5] 王適存，徐國(guó)華.直升機(jī)旋翼空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2001,33(3).

The Application of the Virtual Reality Technology in the General Aviation Flight Simulator

XIA Wei，TANG Hong

(China Helicopter Research and Development Institute ,Jingdezhen 333001,China)

Analyzed the situation and process of the virtual reality technology, summarized the main strongpoint and application field of the VR technology. Analyzed the process and market prospect of the flight simulator in general aviation. Elaborated on the feasibility and methods for applying the VR technology to flight simulator. Looked into the future for applying the hybrid reality technology which merged the VR and AR technology to the flight simulator

Virtual Reality；VR；flight simulator；general aviation；Augmented Reality；AR

2016-08-28

夏 偉(1981-)，男，江西鄱陽(yáng)人，高級(jí)工程師，主要研究方向：直升機(jī)飛控及模擬器。

1673-1220(2017)01-070-03

V217.4

A