大下视场飞行模拟器视景系统的设计与实现

邓晴莺,　李国翬,　王宝奇,　姚建铨

(1.天津大学 天津开发区奥金高新技术有限公司,天津　300072; 2.北京摩诘创新科技股份有限公司,北京　100029)



大下视场飞行模拟器视景系统的设计与实现

邓晴莺1,2,李国翬1,2,王宝奇1,2,姚建铨1,2

(1.天津大学 天津开发区奥金高新技术有限公司,天津300072; 2.北京摩诘创新科技股份有限公司,北京100029)

摘要：飞行模拟器视景系统是飞行模拟器的重要组成部分。针对飞行模拟器视景系统实时性要求高、视场角较大、场景覆盖范围较大、逼真度高等特点,基于某直升机飞行模拟器研制对下视场要求较大的特定需求,对大下视场模拟器视景系统的显示系统、多通道网络结构、视景仿真软件以及视景数据库进行了设计和实现,并对其中的关键技术如成像球幕加工技术、多通道同步和融合技术进行了深入研究。实际效果表明,该系统能够实现大下视场视景系统研制任务的需求,达到了国内领先水平。

关键词：视景系统; 飞行模拟; 球幕; 大下视场

1引言

随着计算机性能大幅度提高,地景图像技术、图形绘制技术、投影等相关技术的发展,虚拟现实渐渐成为建模与仿真技术的关键[1]。

飞行模拟器作为虚拟现实应用之一,可以让飞行员的训练不受气候、地形地域和环境的限制,可以针对飞行特情进行训练,大大提高了训练的安全性并降低了训练费用。以我军某型号的飞机为例,该机购置费2.5亿元,飞行小时训练费用为23万元左右。飞行模拟器购置费5000万元,每小时训练飞行费用为3200元。只有实际飞行小时训练费用的1/70。各国在飞行模拟器上的投入都是非常大,我国也逐步加大了对飞行模拟器的研制投入力度[2]。

飞行模拟器能够把飞行员在空中操作真实飞机时所能看到的、听到的、感觉到的飞机姿态、飞机运动、仪表指示、环境变化、周围声音以及驾驶力感等逼真地反映给飞行员,给飞行员提供视听触动的感觉[3]。视景系统是飞行模拟器的重要组成部分,给飞行员提供有效的视觉信息。它随着计算机硬件、显示技术、图形图像技术的发展而不断发展,其中如光学成像技术、非线性失真校正技术、图形加速绘制、特效模拟、同步技术、碰撞检测等都是相关领域的研究热点[4-8]。本文针对某直升机飞行模拟器的研制任务,结合其视景系统要求大下视场的特点,论述了大下视场飞行模拟器视景系统的设计和实现,并对其中相关关键技术进行了介绍。实践证明该系统能满足直升机飞行员训练的要求,显示效果逼真,该大下视场视景系统结构达到了国内领先水平。

2视景系统设计与实现

飞行模拟器视景系统主要用来模拟飞行仿真时座舱外的真实景象,为飞行员提供飞行视觉环境,结合运动系统的动感、操纵负荷的触感以及音响系统的听觉,从而营造一个逼真的虚拟飞行环境。

视景系统接收飞行仿真软件传来的位姿数据和教员台的控制指令,实时更新视点位置,同时渲染出显示的场景,与模拟器其他系统的接口关系如图1所示。

针对直升机飞行模拟器的视景系统,除了能逼真模拟直升机姿态和真实自然环境、场景、灯光,有较低的系统响应延迟,对系统的下视场的要求,由原来的正投实像的40度提高到了55度甚至更大,这对系统的设计和实现提出了更高的要求。

图1　视景系统与模拟器各分系统接口关系图Fig.1　Interface of visual system and other sub-systems in Simulator

3系统设计和实现

为了完成某直升机模拟器视景系统大下视场的研制要求,对其进行详细设计和实现,下面分别针对显示系统、多通道网络结构、视景仿真软件以及视景数据库四个方面进行描述,其中重点对显示系统设计进行描述。

3.1显示系统

飞行模拟器主要有实像和虚像两种不同的显示方式,实像是由实际光线汇合在一起所成的影像。针对直升机对垂直视场要求较大的特点,考虑采用实像球幕显示的方式。

对于飞行模拟器而言,如果多观察点,则在眼点的定位方面,需要认真考虑。一般直升机模拟器为双观察点,为避免产生较大的失真,一般选择两飞行员中间为眼点。但由于直升机对大的下视场的要求,以及对于全运动模拟器降低重心高度的考虑,眼点的选择通常位于球幕中心的下方,而飞行员眼位如与球心的位置较远,则在观察同一幅场景时,必然会产生较大的失真。在我们研制的飞行模拟器中,需要通过相应算法对其进行非线性失真的校正。具体分析如下:

假设坐标系为(x,y),原眼点的位置位于球心(0,0),眼点在地面的投影为G,移动后的新眼点O′在该坐标系中的坐标为(x0,y0),球心位置距地高度为H。假设球心与球幕上任意一点连线的与水平轴线夹角为α。

如图2中所示,O′点与球幕水平相交于A点,O点与A点连线与地平线相交于G′,OA与水平轴夹角为

(1)

则从OA连线看到实际距离为

(2)

图2　不同眼点的观测示意图Fig.2　Schematic drawing of observing from different eye-points

对于球幕上任意一点B,OB与地平线交于G″点,O′B与地平线交于G‴。

二维坐标系xy中球截面,有表达式:x2+y2=R2,在x′y′坐标系中的表达式为

(3)

β为OB与水平轴的夹角,B点在xy坐标系中的坐标为(R·cosβ,R·sinβ),B点在x′y′坐标系中为(R·cosβ-x0,R·sinβ-y0)。

(4)

式中,忽略了O和O′垂直到地两点之间的距离差别,则观察的实际地速误差百分比为

100%

(5)

球幕半径为3米,x0=0米,Y0=0.45米,假设视景高度H为1 000米,则O′看出无穷远情况下的初始角度,根据式(1),可计算出α为8.63度。当设计眼点偏离球心位置x0=0米,Y0=0.45米,假设球幕上的B的β角度为15度,可以计算得出从该点观测的LGG″为3732,LGG‴,为8 876,δ为138%。在不同的角度条件下可以求得其地速误差。在飞行模拟器中,球心的主要观测范围为水平范围,集中在视野前方,而对于设计眼点,因位于球心的下方,视野范围主要集中在前下方。因此,为了保证设计眼点的视野范围内的实际观测效果,对球幕投影区域的下方,进行非线性缩放,从而对设计眼点,可得到满意的效果。

图像缩放指的是一幅图像的重采样。图像放大和缩小的方法最典型的有几何变换及离散数字图像的连续表示两种方法。

几何变换是将目标图像上的点(x,y)映射成源图像上的点(u,v),将(x,y)处的颜色值取作(u,v)处的颜色值,当(u,v)不是格点时,可用(u,v)邻近若干格点处的颜色值表示。离散数字图像的连续表示法对原始的离散的数字图像用连续函数进行刻划,再根据图像缩放的倍数要求对该连续表示的图像进行重新采样,得到新的离散的数字图像。

线性缩放其变换表达式为

(6)

(7)

κ、λ为分别沿u、v坐标轴方向的缩放比例,

由于眼点低于球心,需要对相关通道的投影图像进行非线性的缩放。采用离散数字图像的连续表示法对图像进行以图像中心线为轴的对称非线性压缩,在水平方向上,保持原有的图像比例,而在垂直方向上,对图像进行非线性压缩(压缩函数见公式(7))。这里仍取x0=0米,Y0=0.45可得到较好的非线性压缩效果。

3.1.1球幕结构

考虑到动感系统对系统重量和转动惯量的限制,采用3米半径实像球幕显示系统,该系统由如下部分组成:成像球幕、球幕上盖、球幕入口、投影仪平台和支架,其外观组成形式如图3所示。

成像球幕的有效视场为水平180°(±90°),垂直:上18°,下60°。为保证有效视场的要求,将成像球幕设计成水平360°,并且在赤道位置按上18°,下60°时向心切下,以便于与上盖及其它结构连接安装。

因成像球幕下视场大,导致成像球幕底部向内收缩,为加强成像球幕的稳定性,在每个球瓣的下方加一基座以增强球幕的稳定性,共八个,基座采用5mm厚的铁板加工制作。由于下视增大基于安全考虑,对基座为0.8米和1.3米两种情况下的几种工作状态的主体结构刚度、强度进行了校核。

根据模拟器的结构特点,结合有限元软件的功能,在solidworkssimulasion中,采用二阶实体四面体单元对几何模型进行网格划分。在有限元计算模型中,垂向为Y向,横向为Z向,纵向为X向。计算时,在底部支撑板部位施加固定约束。

依据GJB2021-94《飞行器模拟器六自由度运动系统设计要求》,六自由度运动系统在工作状态的直线、转动加速将对模拟器主体结构施加惯性力。计算载荷主要为惯性载荷,如表1所示。

考虑一定的安全系数,选取2g直线加速度,120°/s2角加速度。

综合考虑球体纵向与侧向相同,计算升降、纵向、俯仰、横滚、偏航5个计算工况0.8mm和1.3mm升降工况模拟器整体变形计算结果如图4、图5所示，其他工况的计算结果由篇幅限制不再赘述，各载荷工况最大位移值见表2。

表2　各载荷工况最大位移值Tab.2　Max.displacement under differentworking payloads

图4　0.8m升降工况模拟器整体变形图Fig.4　Integral deformation of simulator with 8 m support structure under vertical working payload

校核结果表明采用1.3m的基座能达到较好的强度。

图5　1.3m升降工况模拟器整体变形图Fig.5　Integral deformation of Simulator with 1.5 m support structure under vertical working payload

对球幕顶盖进行校核,如图6所示。顶盖最大变形量变形量0.4mm,可以满足强度要求。

图6　2G载荷下顶盖变形图Fig.6　Integral deformation of top cover under 2 g payload

3.1.2光路设计

为了达到系统视场的范围的要求,需要多台投影仪共同投影,且投影仪的投放距离要求相同。为了满足系统对视场角、亮度、分辨率以及均匀性的指标要求,考虑球幕特点以及座舱对光路的遮挡,综合设计球幕增益以及投影仪的摆放位置和投影仪性能指标,以使其最终能满足系统总体指标要求。五台投影器投影仪布局如图7所示。

3.2多通道网络结构

由于系统设计的水平视场角为180度,垂直视场角为80度,从保证投影图像亮度和分辨率以及满足场景运算实时性出发,将整个视景图像分配到5个渲染通道来完成。

图7　投影仪布局图Fig.7　Layout of projectors

多通道视景系统网络结构通常有内部广播和管理节点调度两种机制。结合总体设计要求,增加一台作为视景控制节点,其他5台作为渲染节点,该6台计算机组成一个小的局域网的广播机制。视景控制节点负责与模拟器其他分系统通信,并由其驱动和控制渲染节点,并实现渲染节点的画面同步。图形渲染计算机完成地形数据库可视化渲染,亮度融合及边缘变形等功能。其网络结构如图8所示。

图8　网络结构图Fig.8　Network structure diagram

考虑到系统的可靠性、可维护性以及高效性,系统计算机采用通用的货架产品,并采用市场上成熟的高端图形卡。

3.3视景仿真软件

视景仿真软件是视景系统的核心,主要实现指令的输入和响应、场景驱动与渲染、地景库的管理和动态调度、环境以及特效模拟、碰撞检测等。

该系统软件包含亮度融合及边缘变形软件、视景驱动软件VegaPrime5.0等。基本实现参数如表3所示。

表3　视景计算机系统基本参数Tab.3　Parameters of imagine generator system

3.4视景数据库

视景数据库由专用的视景图像建模工具creator和terravista制作。针对系统需求,先进行地形空间场景、三维目标和各种特殊效果的建模工作,然后将采集到的真实纹理照片和卫星照片进行数字化处理,最后输入到计算机中进行纹理处理和纹理应用,形成具有真实纹理的全三维模型。然后在成像计算机上用VP实时图像开发软件进行场景组织,完成配置文件的生成,然后通过VegaPrime和OpenGL在VC环境下编程实现程序各模块功能,完成视景仿真程序的开发。系统运行时,程序使用ACF配置文件,接收飞行仿真程序的信息和教员台指令,实时构建视点相关场景,动态加载地景库,提供系统所需的渲染图像并输出给显示系统,从而实现系统的完整功能。其显示效果如图9所示。

图9　视景显示效果Fig.9　Airport in visual system

4关键技术

4.1成像球幕面形精度控制技术

此技术用于确保成像球幕面形符合高精度指标要求。由于实像显示系统是投影设备直接将图像投射到成像球幕上,若成像球幕的面形曲率不一致将会造成显示图象的扭曲变形。由于成像球幕是由模具糊制而成,要控制直径达6m多,厚度达50mm的球带的面形精度是非常困难的。为了解决这个问题,将每个单元成像球幕块分解为内蒙皮(成像幕)、外蒙皮(外观面)、中间夹层,三部分组成。外表面为4mm厚的玻璃钢,内表面为6mm厚的玻璃钢,中间使用4mm厚的带铁作为加强筋以500mm×500mm田字形排布,中空部分用纸蜂窝填充以便加强球幕强度。在贴敷玻璃钢蜂窝前需先将玻璃钢蜂窝做浸胶处理,待胶干玻璃钢蜂窝结构固定后再贴敷在中间夹层田字筋骨中空区域。

内外蒙皮均使用模具制作而成,内外蒙皮从模具中取出到达到稳定状态时,尺寸会发生收缩变化,其比值成为收缩率。为保证最终产品的精度,需将收缩率反向加到模具上,即将模具的型腔放大χ(1+收缩率)倍。这样就可以减小产品因收缩而带来的误差。产品的材料、大小、形状及加工环境对收缩率都有一定的影响。因为内外蒙皮采用的是复合材料所以其收缩率很难确

定,通过测量以前的实际生产中采用同样配比的复合材料所生产出来的产品的实际尺寸,得出一个收缩率,以此作为参考收缩率。使用MOLDFLOW软件模拟本次产品的成形过程,得出一个理论收缩率。通过对两个产品的形状、大小的对比,结合参考收缩率与理论收缩率最终得出一个较为可靠的实用收缩率的范围。从而最大限度的减小内外蒙皮因收缩而带来的误差以确保其高精度要求。

4.2成像球幕喷涂光学涂料技术

实像显示系统是通过投影设备直接将图像投射到显示幕上,其立体感和纵深感不强,为使成像球幕成像清晰且加大其立体感和纵深感,需在成像球幕上喷涂某种特殊的光学涂料。该涂料具有特定的增益,其配比较为关键。

4.3多通道同步技术

由于采用5个成像通道,多个通道画面的同步显得尤为重要,直接影响系统性能。本系统主要采用软件来实现主从机之间的协调控制,从而保证帧同步。

渲染节点接收到控制节点的数据包,待数据渲染完成后,发送给控制节点渲染完成信息;控制节点在接到所有渲染节点回应信息后,才进行下一步工作,从而保证了几个通道运行的同步。

4.4多通道融合软件

当多通道投影到显示介质时,多通道显示拼接带来通道间图像重叠,必然会存在一个边缘图像融合问题。采用边缘融合的技术,使得相邻通道重叠部分亮度线性减弱,从而使得整幅画面亮度一致。设计投影机位置时,优化了图像的相互匹配位置;同时采用软融合的方法,使得拼接区域平滑,提高图像质量。融合软件安装于渲染计算机中,利用显卡的渲染周期与屏幕刷新周期的时间间隙,进行自动几何校正和自动生成融合区的计算,减少了硬件成本,做到0延时。

5结束语

本文介绍了某直升机飞行模拟器视景系统的设计和实现。研究了直升机模拟器视景系统大下视场要求的特点,对其显示系统、多通道网络结构、视景仿真软件、视景数据库等的设计进行了描述,对其中的关键技术进行了研究,并完成了产品的工程实现。该系统能充分满足直升机模拟器对大下视场范围要求,为飞行员产生身临其境的交互式仿真环境,具有很高的逼真度和可信度,在飞行模拟器大下视场视景系统领域为国内领先水平。

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邓晴莺女(1980-),湖南湘乡人,博士研究生,主要研究领域为计算机系统结构、飞行模拟器设计。

李国翚男(1964-),天津人,教授,主要研究领域为计算机应用技术,生物医学工程。

中图分类号：T 391.9

文献标识码：A

基金项目：国家863项目(2014AA7052002)

Design and Implementation of a Large Down FOV Visual System in a Flight Simulator

DENG Qingyin1,2,LI Guohui1,2,WANG Baoqi1,2,YAO Jianquan1,2

(1.TianjingUniversity,TEDAOrKingHi-TechCO.LTD,Tianjin300072,China;2.BeijingMoregetCreativeTechnologyCO.LTD.,Beijing100029,China)

Abstract：The visual system is an important component of the flight simulator.Visual system of flight simulator requires high real-time ability,large field of view and realistic imaging effect.Based on requirement of a specific helicopter flight simulator,in which a large down FOV is needed.We designed its display system,multi-channel network,visual simulation software and scene database.Some key technology during the system implementation,including Dome processing,multi-channel communication synchronization and edge blending,was explored.The visual system used in the helicopter flight simulator achieves high-quality of visual effect and reachs the domestic leading level.

Key words：visual system; flight simulator; dome; large down FOV