运输机平视显示系统仿真

姚 冰

（中国民航大学 航空工程学院，天津 300300）

0 引言

航空运输业对拉动全球经济增长作用明显，是国家发展的重要载体。美国不仅具有国际领先的飞机制造产业和技术，还拥有完善的航空运输系统。预计到2025年，美国的空中运输系统需要容纳目前飞机数量的4倍，下一代空中交通系统的关键就在等效可视飞行能力［1］。等效可视飞行能力可以摆脱实际天气和能见度状况的限制，获得“全天候”滑行和着陆的能力，现代视景系统是获得这种“全天候”着陆能力的一种有效手段。视景系统大部分使用平视显示器（HUD）作为显示装置，HUD技术源于军工技术，20世纪80年代初开始应用于民用干线飞机，并日趋成为驾驶舱的重要组成部分，波音787就将 HUD作为必装设备［2］。HUD主要通过数据采集、信息计算、图形生成、投影和准直等一系列处理将一些重要飞行信息（飞行航迹、高度、速度和姿态等）以绿色的符号形式显示在飞行员正前方“无穷远”处，与驾驶舱外景／目标重叠在一起［3］。本文基于 GL studio软件和 Vega Prime软件对大型运输机平视显示系统进行仿真［4-5］研究，为后续针对平视显示器开展工效和认知研究提供基础。

1 平视显示系统仿真

1.1 总体方案设计

本系统以增强视景系统搭载的平视显示系统为蓝本，利用GL Studio制作出动态链接库（.dll）形式的平视显示器静态模型，导入Vega Prime提供的三维场景（地形、运输机和障碍物等模型）中，通过接口插件GLS Vega Prime PlugIn实现仿真数据传递，从而完成平视显示系统的动态仿真。平视显示系统开发流程如图1所示。

1.2 平视显示器静态模型

为了实现大型运输机平视显示器的仿真，首先确定工程类型，设计平视显示器的静态图形界面，根据仿真任务的需要，平视显示器界面上有航向、高度、速度、下降率和姿态等主要飞行信息，参照波音787飞机平视显示器的格式，空速表、高度表和俯仰角度刻度表为柱形刻度表，航向角刻度表和滚转角刻度表为盘形刻度表；其次由于运输机平视显示系统要求实时显示外部视景和各项飞行信息，因此需要对平视显示器静态界面上的各仪表对象添加相应的属性、方法和变量；然后利用GL Studio代码生成器生成.cpp和.h文件格式的源代码文件，最终编译生成.dll形式的平视显示器静态模型。平视显示器静态模型开发流程图如图2所示，开发出的平视显示器静态模型如图3所示。

图1 平视显示系统开发流程

1.2.1 平视显示器上柱形刻度表的开发

平视显示器上柱形刻度表是指带有刻度符号和对应数值的柱形虚拟仪表，空速表、高度表和俯仰角刻度表都属于柱形刻度表。下面以空速表为例，对柱形刻度表的开发过程进行说明。

空速表主要由绿色刻度符号和对应的数值组成。利用GL Studio编辑器设计窗口工具栏中的“Adds a line object”即可轻易制作绿色刻度符号，然后在对象属性窗口设置绿色刻度符号的位置和长度。同样，对于绿色刻度符号对应的刻度值，只需单击GL Studio编辑器设计窗口工具栏中“Inserts a GlsTextGrid”制作按钮即可，然后在对象属性窗口设置刻度值的位置、颜色和大小等信息，但是空速实时显示框与背景刻度值存在叠加，需要建立组件，以控制背景刻度值在空速实时显示框区域处是不可见的。建立好空速表的静态界面后，在代码区内添加属性AirSpeed，同时添加相应代码，使各刻度值处能实时输出正确的数值。

图2 平视显示器静态模型开发流程图

图3 平视显示器静态模型

1.2.2 平视显示器上盘形刻度表的开发

平视显示器上盘形刻度表是指带有刻度符号和对应数值的盘形虚拟仪表，航向角度表和滚转角度表都属于盘形刻度表。盘形刻度表的制作较简单，只需利用好GL Studio编辑器设计窗口工具栏中的“Inserts a GlsAngularScale”即可，该按钮用来制作盘形刻度符号。在实时飞行中，为了便于飞行员能够迅速地扫视到航向角信息，航向角刻度值需时刻保持在便于飞行员阅读的正立状态，因此在代码区的属性中对每个刻度值符号添加函数DynamicRotate（），该函数用来控制对象的旋转。

1.2.3 添加交互代码

制作好平视显示器静态模型后，在GL Studio编辑器代码区添加交互代码。在实时飞行中，通过插件GLS Vega Prime PlugIn接收运输机在由 Vega Prime软件提供的三维场景中的实时飞行信息，并在平视显示器各仪表上体现出来。

1.3 平视显示系统动态实现

Vega Prime的视景仿真主要包括视景模型的预处理、LynxPrime图形界面设计和视景仿真程序设计3个部分。视景模型的预处理主要包括大地形建模和实体（运输机、仪表等）建模；LynxPrime图形界面设计主要包括环境设置和模型初始位置定位；视景仿真程序设计则使用VC++平台创建控制台程序或者创建MFC对话框程序，对视景仿真程序进行更深层次的设计。

本文在完成视景模型的预处理后，在LynxPrime图形界面中首先加入运输机模型（如图4所示），然后利用插件GLS Vega Prime PlugIn将平视显示器静态模型导入，在Object Connection中关联运输机模型，同时修改其位置参数，将其定位在座舱中的正确位置，最后设置三维视景中的各种环境，从而完成HUD.acf文件的配置。在视景仿真程序设计中使用VC++平台创建好控制台程序后，直接在项目源文件中的HUD.cpp文件中定义已经配置好的HUD.acf文件，然后根据需要进行其他编程（如加入操纵杆或进行自动飞行），从而完成平视显示系统的开发。平视显示系统动态图如图5所示。

图4 运输机模型

图5 平视显示系统动态图

2 需解决的关键问题

2.1 平视显示器界面的实时显示

将GL Studio制作出动态链接库（.dll）形式的平视显示器静态模型导入Vega Prime软件中的运输机模型后，运行平视显示系统的过程中可能会出现平视显示器界面无法显示的问题，这是因为在使用VC++平台编译GL Studio自动生成的各种源文件时没有正确配置编译环境。

GL Studio软件中，对于生成的可执行文件有两种调用方式，相应地在VC++平台中创建工程时有两种类型的工程：StandaloneAppWizard类型和Live Component Wizard类型。本 文 选 择 LiveComponent Wizard类型的工程，经过编译后会生成.dll形式的文件，因此在VC++平台中将项目属性的活动解决方案配置设为 Release／Debug LiveComponent glsdll md，从而与.dll的工程类型相对应。

2.2 俯仰角刻度线制作

在运输机飞行过程中，平视显示器实时显示各种飞行信息，地平线标志刻度线、地平线标志线以上的俯仰角刻度线及地平线标志线以下的俯仰角刻度线之间是存在差异的（如图5所示），目的是使经过训练的飞行员在飞行过程中可以轻易地获取飞机的俯仰角度值，但这也增加了俯仰角刻度线制作的复杂性。

由于GL Studio软件可结合VC++进行混合编程，因此可以在GL Studio编辑器设计窗口的同时画好地平线标志刻度线、地平线标志线以上的俯仰角刻度线和地平线标志线以下的俯仰角刻度线，将其作为俯仰刻度线基线（如图6所示），然后在代码区中添加方法ChangeLadder（int number），同时添加如下代码来控制三者的显示：

图6 俯仰刻度线基线

2.3 碰撞检测

在Vega Prime软件提供的虚拟三维环境中，运输机与场景（山、房屋和跑道等）之间会出现“穿透”的现象，使仿真程序失真。Vega Prime中的碰撞检测基类vpIsector封装了Tripod、Bump、ZPR等7种相对简单的碰撞检测器，用户先根据飞行任务需要选择碰撞检测器，然后将碰撞检测器和目标物体的Isector Mask码设为不同的值，只有当两者的“与”值不为零时进行碰撞检测。Vega Prime直接利用acf配置即可配置类vpIsector中的碰撞检测器，但是只能进行碰撞检测，用户可以根据需要编写碰撞效果程序。

3 结束语

本文以增强视景系统搭载的平视显示系统为蓝本，根据平视显示系统的特征和功能要求，基于GL Studio软件和Vega Prime软件进行大型运输机平视显示系统的仿真。较为详细地叙述了开发流程，并对开发过程中的一些关键问题提出了解决方法。本文的平视显示系统仿真为后续针对平视显示器开展工效和认知研究提供基础，从而提高飞行员的情境意识，改善飞行员的飞行绩效。

［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.美国新一代航空运输系统及其对中国的借鉴意义［J］.科技经济市场，2011（5）：71-73.

［3］ 张伟.民机新一代驾驶舱显示技术［J］.民用飞机设计与研究，2011（2）：4-7.

［4］ 于辉，赵经成，付战平，等.GL Studio虚拟仪表技术应用与系统开发［M］.北京：国防工业出版社，2010.

［5］ 董秀成，郑海春，李兆锋.Vega Prime实时三维虚拟现实开发技术［M］.成都：西南交通大学出版社，2012.