基于HoLoLens的飞行仿真辅助视景系统设计

金荣深

摘要：本文利用微软Hololens技术，通过Hololens与飞行仿真交互功能开发，完成了飞行仿真辅助视景系统设计。在飞行仿真相关飞机地面模拟试验中，辅助视景系统能够模拟实时、准确、稳定的展示飞机本体变化，同时提高飞行仿真系统的开发、升级效率。

关键词：Hololens;飞行仿真;辅助视景;地面模拟试验

中国分类号：TB472 文献标识码：A

文章编码：1672-7053（2018）06-0138-02

飞行仿真系统是民机飞控系统地面模拟试验不可或缺的试验设备之一，通过实时解算飞机运动方程和飞机发动机模型来更新飞机的飞行状态，其主要包括软硬件系统、I/O设备、飞行运动方程、模型如发动机模型、起落架模型等。飞行仿真系统采用“硬件在回路”与“基于模型驱动”的仿真技术，在飞控系统地面模拟试验的全数字仿真、半物理仿真阶段、交联试验以及适航相关试验中占有非常重要的位置。

现阶段，飞行仿真系统设计完成后，其模型运行情况、系统闭环特性的评估主要依赖于后期的数据分析，如图、表、数等，设计人员缺乏直观的判断依据，且实时仿真过程中，无法实时确认故障时间点和故障类型。因此，需要一种基于飞行仿真系统实时数据的辅助视景设备，供设计人员进行直观评判。

Hololens全息眼镜是微软推出的一款虚拟现实装置，为头戴式增强现实装置，是一种在现实场景中显示全息图像的设备，可以完全独立使用，同时无需线缆连接、无需同步电脑或智能手机。通过Hololens技术，可以与飞行仿真系统进行通讯接口设计，为飞行仿真设计人员提供实时、逼真的辅助视景，直观显示飞机本体状态，并可通过互动实现观察视角的切换。

1系统架构

1.1功能分析

在飞行仿真试验过程中，需要通过HoIoLens眼镜实时显示飞行时的飞机本体状态，并可通过互动实现观察视角的切换，以方便设计人员全方位评判飞行仿真闭环特性。

其主要包括以下功能需求：

1）静态飞机三维模型展示;

2）飞机本体状态展示：根据飞行仿真数据，实时立体展现飞机的飞行状态，如起飞、平飞、降落等;

3）飞机架构可视化：根据飞行仿真数据，及用户和HoIoLens交互的结果，实时展示飞机的系统架构、信号流;

4）模型可视化：根据用户与HoIoLens的交互，逐级展示用户当前想看的分系统模型。

5）数据监控：仿真平台实时对采集的数据存储，提供列表、曲线、图形等多种方式显示监控数据。

实时仿真平台支持多处理、多线程仿真，通过网络系统将主控计算机和仿真平台其他计算机（如控制台计算机、辅助视景、數据处理及分析等）实时连接，实现平台的同步控制和数据交互，其平台实时性是重要指标之一。平台实时性直接影响飞行仿真的闭环特性，以飞行仿真测试为核心的仿真平台，需去除其他设备带来的延迟影响，或将影响降至最低以免影响设计人员判断。

在平台运行之前，需要确定平台整体实时性指标，并形成有效的实时性测试方案，并有相应的测试结果和分析结果。

1.2数据交互分析

接口管理是仿真平台的重要组成部分之一，辅助视景系统需要具备多个接口与其他试验设备、显示设备进行数据交互，如图1所示。其中，综合试验管理系统软件通过TCP/IP通讯方式从飞行仿真设备获得飞行仿真系统封装的飞行状态数据;HoIoLens眼镜通过无线网络的通讯方式获取综合试验管理系统软件计算出的飞机的实时状态，并在眼镜中实时显示飞机的本体状态。

根据飞行仿真的动力学和运动学模型实时结算，其封装打包发送出的飞行状态数据主要包括以下几方面：

1）飞机在机体轴的线加速度、角加速度、角速率等;

2）飞机的真空速及机体轴上的三个速度分量，加入风和紊流的扰动影响，积分计算俯仰、滚转、偏航速率等;

3）飞机压力高度、马赫数、校正空速等;

4）飞机的滚转角、俯仰角、偏肮角和航向;

5）其他必要数据。

在综合试验管理系统软件端以及显示设备端开发相应的数据解包模块，将飞行仿真经实时网络发送的打包数据实时解包，作为辅助视景系统的重要输入。整个打解包模块需具备较好的实时性，并最大限度减少处理时间，以免产生视景卡顿或延时，影响设计人员判断。多个仿真节点之间通过时间戳、标志位等进行同步计算，计算过程中通过综合管理软件实时共享数据，仿真节点作为整个实时仿真网络的主机，与其他节点组成一个完整的实时仿真回路。在每个计算帧周期开始时刻，仿真节点计算机依次发送计算命令，各节点收到计算命令后分别开始解算。然后，仿真节点计算机从共享数据读取所需数据。解算结束后，刷新共享数据，等待下一个解算周期。

同时，综合试验管理系统软件开发数据存储功能模块，可将网络数据进行综合存储，以方便后期进行数据回放和数据处理，以方便故障诊断、定位，方便飞行仿真和辅助视景系统维护、改进。数据存储和采集采用无损旁路采集模式，对原有的通信链路为透明传输，对仿真平台不带来延时，以免影响仿真效果。

在飞行仿真中，实际操作并模拟一个飞行起落，实现辅助视景动态展示飞机全过程参数状态响应。设计人员在辅助视景中，可以通过手势与HoIoLens的互动实现观察视角的变换，借助MR演示技术，创造沉浸式的体验方式，让设计员体验到真实飞行感受，以直接评估仿真结果;通过操作可视化集成软件，在LED虚拟现实大屏上同步显示HoIoLens眼镜中的内容，从而让参观者能同步观看到HoIoLens中显示的飞机本体状态;综合试验管理系统软件通过TCP/IP通讯方式从飞行仿真设备获得飞行仿真数据;可视化集成软件从综合试验管理系统软件中读取相关的飞行数据，并实时显示在大屏中相应的小窗口中。

1.3开发点分析

为了保证开发进度，使用构建Windows应用程序所需的工具，包括Windows混合现实应用程序。同时，由于Windows混合现实开发没有单独的SDK，使用Windows 10 SDK（版本1511或更高版本）的Visual Studio开发。

主要针对飞机三维模型进行逐点开发，包括架构显示.可视化、交互、视角以及状态监测等方面，如下图2所示。

2开发实现

2.1飞机三维模型静态展示

将某型号飞机三维模型导入到HoIoLens中，并在HoIoLens中静态展示，展示效果如图3所示。

通过手势与HoIoLens互动，可以实现模型的旋转、放大、缩小等操作。

2.2与飞行仿真交互

在Hololens已导入的飞机三维模型基础之上，结合HoIoLens获取到的仿真飞行数据，实时渲染飞机模型的当前的状态（如上升、平飞、下降等），同时通过手势动作，操作飞机观察视角的切换。如图4所示。

HoIoLens展示的飞机本体状态，可通过微软的专用数据导出软件，同步显示在显示大屏上。

3结论

本文从飞行仿真试验直观显示的需求出发，利用微软hololens技术，完成了Hololens与飞行仿真交互功能开发。根据静态飞机三维模型，详细设计了展示功能，并根据飞行仿真数据实时交互，实时立体展现飞机的飞行状态，如起飞、平飞、降落等。同时，完成了飞机架构可视化设计，根据飞行仿真数据，及用户和HoIoLens交互的结果，实时展示飞机的系統架构、信号流。

在飞行仿真相关试验中，辅助视景系统能够模拟实时、准确、稳定的展示飞机本体变化，为飞行仿真设计人员提供直观的模型评判依据，以方便设计人员全方位评判飞行仿真闭环特性。同时，有助于辅助设计人员完成飞行仿真的模型开发、升级，改进飞行仿真设计，充分提高开发效率。

参考文献

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