一种VR 飞行仿真系统设计

王海勃

（航空工业集团公司洛阳电光设备研究所，河南 洛阳471000）

1 概述

VR 飞行仿真系统能够为用户提供逼真的飞行驾驶感觉，得到近似真实世界相同的体验，包括三维视觉、立体的听觉和触觉等，让体验者产生视觉上的“沉浸感”，仿佛置身“真实”飞行环境中。目前大多训练仿真系统过于强调专业性和与真机的一致性，侧重用户对机上设备的认知和训练，内容单一枯燥；而大多VR 头戴设备的飞行体验还主要以游戏为主，缺乏专业飞行仿真的严谨性，该系统找准市场空白和用户需求，对抗性和专业性兼具，以较低的成本获得最真实的飞行体验。设计一种VR 飞行仿真系统，充分利用VR 高清晰虚拟成像技术和专业飞行摇杆使得飞行和驾驶过程具备高逼真度，同时硬件组成上较为简易，具有很大的灵活性和适应性。

VR 飞行仿真系统硬件组成如图1 所示，主要由VR 头戴显示设备、高性能图形工作站、跟踪定位装置、人机交互设备和其他部件组成。

图1 VR 头戴显示设备组成示意图

2 系统设计

2.1 系统功能

VR 飞行仿真系统具备以下功能：a.VR 显示功能：使用者佩戴VR 眼镜，通过计算机模拟产生一个三维空间的虚拟飞行虚拟环境，可以实时、自然的观察三度空间内的三维视景；b.飞行仿真功能：模拟飞机的真实飞行特性。包括从滑跑、起飞、空中飞行（平飞和机动）到进场、着陆。飞行仿真模块接受发动机仿真子系统给出的推力和力矩，通过飞行摇杆和飞控仿真系统得到飞行员操纵的舵面、刹车等的变化以及襟翼、起落架、减速板等的收放信号，并考虑气象条件、跑道情况等设置，计算飞机的实时位置、飞行状态及大气参数等数据输出到任务过程仿真软件和三位视景仿真软件；c.飞行操纵功能：通过操纵飞行摇杆，能够逼真模拟飞机起降和飞行，手动驾驶及自动驾驶功能；d.视景及特效仿真功能：需要完成对飞机及目标的三维视景建模、对本机座舱内部环境进行三维视景建模，还需要地理环境信息的大地形数字地图支持。利用Unity 3D 开发环境进行建模和仿真：仿真复杂气象环境、干扰环境效果；仿真飞机气流音效、发动机音效、通信设备音效、武器发射效果等各种声音效果；仿真武器爆炸、飞机坠地爆炸等各种爆炸效果；仿真飞机尾迹、发动机加力尾焰、武器发射尾焰及尾烟等各种效果。

2.2 硬件设计

VR 飞行仿真系统各硬件组成如下：a.VR 显示设备：主要用于像源图像的放大和增强沉浸，选用市面上外接式VR 眼镜HTC VIVE 作为头戴显示的主设备。HTC VIVE 是目前市面上相对效果最好的一套头戴显示设备。HTC VIVE 由一个Vive 头戴设备，两个操控手柄和两个定位器组成。内部两个镜片分别为1200*1080 像素屏幕（单个），每秒90 帧的超快刷新率；b.高性能图形工作站：主要用于虚拟场景的生成和渲染（包括模拟座舱、三维视景、数字地图等）以及系统软件的运行；c.飞行仿真操纵机构：包括模拟驾驶杆、模拟油门杆和模拟脚蹬三个部分，模拟驾驶杆、模拟油门杆之间以电缆连接，统一通过1 路USB2.0 总线连接至仿真计算机，模拟脚蹬单独通过1 路USB2.0 总线连接至仿真计算机；d.其他部件：主要用于支持飞行仿真系统运行的各种部件如连接线缆、安装支架、测试显示器等。同时也自行研发了VR 头戴显示设备，可代替HTC VIVE 使用，其外形图如图2 所示。

2.3 软件组成

VR 飞行仿真系统软件部分由飞行仿真软件、任务过程仿真软件和三维视景仿真软件组成。各软件模块功能如下：a.飞行仿真软件：用来模拟飞机的全部飞行特性。包括从滑跑、起飞、空中飞行（平飞和机动）到进场、着陆及着陆后滑跑的全过程。能够体现飞机的航程和续航时间、仿真飞机的起降性能、挂装武器能力、仿真飞机的高度- 速度范围、重量、机动性能（爬升率、盘旋过载、加速、盘旋角速度、过载范围）等；b.任务过程仿真软件：该软件用于支持飞机完成完整的飞行及攻击任务过程，支持综合航电设备仿真、模拟座舱显示、传感器仿真、简单武器仿真等；c.三维视景仿真软件：主要包括飞机、目标三维模型仿真；视景仿真，区域不小于100km×100km；人文环境仿真，村庄、城市、铁路、河流等；复杂气象环境、干扰环境、对抗环境效果仿真；飞机气流音效、发动机音、通信设备音效、武器发射效果等各种声音效果。

图2 VR 头戴显示设备外观图

3 关键技术

3.1 面向任务的开放式系统架构设计技术

该项目需要适应商业货架化研制要求，该设备能够完整逼真模拟飞机基本飞行和导航攻击任务全过程。为完成该集成设计技术，在软件设计方面，需采用多核多线程动态调度技术、组件化模型接口设计技术、复杂模型动态调度与扩展使用技术等组件化封装和集成相关技术，对包括系统主运行框架、各航电系统模型、武器模型、目标模型、视景模型在内的各类模型进行了独立封装，满足独立开发需要，最后各组件构成完整整体，完成系统运行。采用如下技术途径：a.插件式架构设计，其最大的好处就是利用标准的高级语言实现了平台插件框架结构，最大限度的将逻辑和业务分离，同时不增加编码人员的负担。集中开发中公用的，零散的，不具备复用条件的代码块和代码段，按照一定的标准重构和封装成轻量级的插件通用模块（包括常用的算法组件和界面组件），使开发出的插件既能灵活组合到各种系统，又能单独拆开使用，真正实现“积木式”的软件开发模式；b.功能单一原则，开放式系统架构设计技术要求模块功能单一原则，即某一模块只完成自己特有的功能，与其他模块只通过接口进行交互，不涉及其他功能的任何逻辑和操作。这样做的好处使得模块功能集中并保持独立，最大限度的低耦合，高内聚；c.采用成熟且认可度较高的第三方库，开放式系统架构设计中那些与平台相关的操作和算法，如文件和数据库读写，坐标转换和矩阵变换等，尽量采用经过项目验证完全正确的插件或库，防止由于引入错误代码带来的系统错误，一旦出现非常难定位。

3.2 三维视景建模与大地形显示

系统需要完成对飞机及目标的三维视景建模、对本机座舱内部环境进行三维视景建模，尤其是还需要真实地理环境信息的大地形数字地图支持，主要内容包括：a.建立可快速替换的视景软件框架，该框架由三个独立封装组件完成，三个组件分别是：视景运行组件、平视显示组件、多功能显示组件，通过这种封装方式，有效的将地形环境信息封装到独立的组件中，便于替换；b.项目前期借用当前可用地形环境，减少首次开发难度，同时加快项目其他方面的进度推进；后期再通过第三方获取真实飞机模型和真实地形数据信息，完成数据的独立封装，便于替换；c.为视景部分运行建立独立线程，使主框架运行与视景部分运行独立，确保系统运行的实时性要求。

3.3 航电系统和任务过程模拟

要完成飞行仿真的任务全过程模拟，需要展开以下方面的工作：a.多功能显示器画面信息提供：由于飞机任务操作需要在多功能显示器上显示和交互，需要在多功能显示器上体现具备一定品质特征（包括噪声特性、对比度、亮度等）的图像画面，并叠加周遍键字符信息后显示。通过视景软件成功获取到图像，进行相关算法处理后，进而成功模拟出相关图像；b.平显画面的嵌入：飞行数据和主要信息都在平显上进行显示，需要在视景视点的前方叠加平显画面，要求亮度合适，定位正确，显示不能延迟卡顿；c.地形碰撞检测：该检测的主要目的是为图像搜索范围提供位置与范围信息；d.显控操作：显控操作是用户直接接触飞机座舱的操作过程，该过程需要按照POP 的操作流程进行，同时，显控内部存在复杂的控制逻辑，调度各分系统工作。

4 结论

设计了一款VR 飞行仿真系统，沉浸感强，能够给用户带来浸入式体验，采用高性能图形工作站，高刷新率、低延迟渲染，最大限度防止眩晕感；同时采用全金属油门杆和驾驶杆，最大程度上模拟真实驾驶感觉。该系统可用于完成基本驾驶、起飞降落、动作演练、特情处置、任务训练等体验内容。