虚拟现实技术在通用航空飞行模拟器中的应用

夏 伟，汤 鸿

(中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001)

虚拟现实技术在通用航空飞行模拟器中的应用

夏 伟，汤 鸿

(中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001)

分析目前虚拟现实技术的发展情况，总结其主要的优点及应用领域；分析通用航空飞行模拟器技术的发展情况及市场应用前景；阐述虚拟现实技术应用到飞行模拟器设备中的可行性及实现手段；展望未来增强现实技术与虚拟现实技术融合的混合现实技术在飞行模拟器中的应用。

虚拟现实；飞行模拟器；通用航空；增强现实

0 引言

虚拟现实是以计算机图形显示技术为核心的新技术，在计算机中生成逼真的视觉、听觉一体化的虚拟环境。用户可以使用必要的硬件设备 (如数据衣、数据手套、 数据鞋以及头盔、 立体眼镜等)，自然地与虚拟环境中的客体进行交互，相互影响，产生身临其境的感受和体验。

飞行模拟器具有真实的座舱设备和飞行杆力，人作为一个环节参与到飞行模拟系统中，接受仿真系统提供的各种信息，经过判断和决策对系统进行操纵和控制。使用虚拟现实技术对飞机相关设备及视景系统进行仿真模拟，可以极大地提升受训人员的真实沉浸感，显著提高训练效率。同时，适当的软件配置可以仿真多种机型，会显著降低飞行训练的费用。特别是LED和CRE显示器、高速图形、多媒体等技术的发展，使得VR技术应用于飞行模拟器成为可能。

1虚拟现实技术

虚拟现实这一名词是由美国VPL公司创建人拉尼尔在20世纪80年代初提出的，也称灵境技术或人工环境。这种技术的特点在于计算机产生一种人为虚拟的环境，这种虚拟的环境是通过计算机图形构成的三维数字模型，并编制到计算机中去生成一个以视觉感受为主，也包括听觉、触觉的综合可感知的人工环境，从而使得在视觉上产生一种沉浸于这个环境的感觉，可以直接观察、操作、触摸、检测周围环境及事物的内在变化，并能与之发生“交互”作用，使人和计算机很好地“融为一体”，给人一种“身临其境”的感觉[1]。

一般的虚拟现实系统主要由专业图形处理计算机、应用软件系统、输入设备和演示设备等组成。输入工具和演示设备主要包括：头盔式显示器、跟踪器、传感手套，屏幕式、房式立体显示系统，三维立体声音生成装置[2]。

2 虚拟现实技术在飞行模拟器中的应用

2.1 传统模拟器在通用航空领域使用的局限

飞行模拟器是培养飞行员的一个重要环节，利用高等级的飞行模拟器，可以模拟部分甚至全部飞行科目，可以消除飞行风险，大大提高飞行员的培训效率，降低培训成本。目前研制的模拟器，配备相应的视景系统及座舱仿真系统，这些系统针对特定的机型设计，因而只能用于培养单一机型的飞行员[3]。

在通用航空领域，其行业特点决定了通用航空使用的飞机型号种类多，单一型号飞机保有数量少，很多型号飞机的数量达不到配备特定机型模拟器的要求。据不完全统计，通用航空领域内固定翼飞机和直升机超过百种。同时，即便同种飞行器也会因为客户的选型不同而具有不同的配置，这就必然导致各种不同的模拟器之间存在着功能重复和交叉浪费。而为了保证飞行员的模拟训练，必须开发新型的飞行训练模拟器[4]。

2.2 基于虚拟现实技术的飞行模拟器在通用航空领域的广阔前景

针对通用航空领域飞行员模拟训练的特点，必须开发一种有别于传统模拟器的、通用性强、可兼容多种机型的飞行模拟器。虚拟现实技术的发展，为飞行模拟器的研发提供了一种新的思路。

同传统的飞行模拟器相比，基于虚拟现实的飞行模拟器有着无可比拟的巨大优势。基于虚拟现实技术的模拟器，不需要配置座舱等硬件设备，而是通过虚拟现实的方法，利用软件呈现一个完整的飞行训练环境。可以方便地实现一机多能，即利用一个训练平台完成多种机型飞行任务的训练。目前，飞行模拟器的视景系统及驾驶舱仪表显示系统普遍应用三维建模软件开发，这些完全可以与虚拟现实技术中的头盔显示器结合，为用户营造极具沉浸感的三维驾驶舱环境。

在20世纪90年代，波音777飞机的设计师们就已开始应用虚拟现实技术。按照传统的图纸设计方式，零件总数高达300万件以上的波音777，需要7000余名各类专业设计人员组成200多个产品综合研制小组同时工作。在规模如此庞大的设计工作中，小组之间的衔接不当、错误率、重复工作等现象时有发生；然而，在虚拟现实的三维模型仿真技术的帮助下，波音777的设计错误修改量较过去减少了90%，研发周期缩短了50%，成本降低了60%。

通用航空市场中，固定翼飞机与直升机种类繁多，与它们相应的真实性及沉浸感俱佳的D级飞行模拟器远超过了航空器的价格，因此，通用航空市场中C级或D级飞行模拟器的数量非常稀少。通航运营公司为了保证飞行的安全，只能引入低端的飞行训练器，这种训练器不具有运动系统，视景系统采用实像技术，显示效果较差，这些都降低了飞行训练的有效性。通过向飞行训练器中引入虚拟现实技术，配以相关的运动平台技术，能在极大降低飞行训练器价格的同时，显著地提升飞行的沉浸感，这也必然伴随飞行训练效率的提高。

美国军方的AVCATT系统将增强现实概念引入飞行模拟器 ,该系统使用光学透视式头盔显示器和真实座舱,通过精确的头部位置跟踪器实现了对直升机的模拟驾驶。

2.3 虚拟现实飞行模拟器的基本组成

基于头盔式显示器的虚拟现实飞行模拟器系统,如图1所示,主要由头盔式显示器、计算机、数据手套、力感装置、话筒和耳机等组成。飞行员通过模拟操纵杆的力感装置进行飞行操纵，同时感受操纵力，利用数据手套操纵视景系统中虚拟仪表板上的按钮和开关。头盔上的空间定位装置实时测量飞行员的头位，并在头盔式显示器中显示相应空间方位的图像。

将上述系统安装到运动台上，根据飞机姿态及速率变化信号驱动运动台运动，可以更逼真地进行飞行模拟训练。

在计算机中可以安装多个机型的飞行仿真驱动软件及多个场景软件，根据培训需要，可自由选择培训机型和培训场景，大大提高飞行模拟器使用的灵活性[1]。

3 虚拟现实技术在直升机飞行模拟器研制中的应用特点

直升机是通用航空飞行器的一个重要组成部分，其飞行特性的复杂性对飞行模拟器中虚拟现实技术的使用提出了更高的要求。

直升机旋翼是直升机主要的升力和操纵部件，相对于固定翼飞机，旋翼具有出很强的非定常特性，主要表现为：

1)由于桨叶的旋转，即使在定常前飞状态，桨叶的相对来流和迎角也是随时间变化的，旋翼流场和气动特性是非定常的；

2)旋翼始终工作在自身产生的尾迹附近，旋翼尾迹对流场和气动特性有重要影响，在某些飞行状态下，还会出现严重的桨-涡干扰现象；

3)在大速度飞行状态，旋翼前行侧桨叶的桨尖附近会出现跨音速流动，这种跨音速呈现严重非定常和三维特点。在后行侧，由于桨叶挥舞和变距输入，桨叶通常工作在很高的迎角状态，容易导致动态失速[5]。

为保证模拟器的逼真度，要求模拟器系统总延迟一般不超过140毫秒，但直升机严重的非定常特性，导致飞行动力学仿真模型复杂度提高，会对模拟器全系统的延迟特性产生影响。因此需要在保证仿真逼真度的前提下，对直升机飞行动力学模型进行适当程度的简化，并选用高性能的虚拟现实硬件设备。

4 未来前景展望

增强现实技术(AR)和虚拟现实技术(VR)是两种类似的技术，它既允许用户看到真实世界，同时也能看到叠加在真实世界上的虚拟对象，是把真实环境和虚拟环境结合起来的一种系统，既可减少构成复杂场景的开销(因为部分虚拟环境由真实环境构成)，又可对实际物体进行操作(因为部分物体是真实环境)。增强现实技术能够把虚拟信息(物体、图片、视频、声音等等)融合在现实环境中，将现实世界丰富起来，构建一个更加全面、更加美好的世界。虚拟现实让用户在虚拟世界中有一种身临其境的体验，而增强现实则是一种用变化的视角看现实世界的技术[4]。

基于虚拟现实的飞行模拟器解决了操纵过程中的触觉反馈问题。但对于飞行员最为关注的操纵系统力反馈等特性，单纯使用VR虚拟技术可能无法达到令人满意的要求，而AR技术与VR技术融合的混合现实技术恰恰是解决这个问题的良好方案，通过具有力反馈功能的现实操纵系统结合混合现实技术生成的3D图像，完全可以营造出更加逼真的飞行环境[1]。

5 结论

虚拟现实技术在通用航空飞行模拟器领域具有广泛的市场前景，通过相应的技术手段，VR技术完全可以替代现有的飞行模拟器相关模块，极大地改善飞行学员的驾驶沉浸感，进而提升飞行培训的效率。飞行模拟器运营方可以显著降低设备成本，提高培训的经济性。

[1] 马登武，吴国良.虚拟现实技术在飞行仿真中的应用[J].MODERN DEFENCE TECHNOLOGY, 28(6).

[2] 罗 斌，姚 鹏，翁冬冬，等.基于混合现实的新型轻量级飞行模拟器系统[J].系统仿真学报，2009(7).

[3] 戴树岭，雷小永，梅继红.虚拟仿真飞机座舱系统[J].系统仿真学报,2002(4):488-492.

[4] 胡小强.虚拟现实技术与应用[M].北京：高等教育出版社，2004.

[5] 王适存，徐国华.直升机旋翼空气动力学的发展[J].南京航空航天大学学报，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 伟(1981-)，男，江西鄱阳人，高级工程师，主要研究方向：直升机飞控及模拟器。

1673-1220(2017)01-070-03

V217.4

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