某型直升机试飞模拟器视景系统方案的设计与实现

2018-09-21杨永刚

系统仿真技术 2018年3期

杨永刚

(中国飞行试验研究院,陕西西安 710089)

飞行模拟器在飞行员培训、新机试飞鉴定中发挥着越来越重要的作用,因此建造某型直升机试飞模拟器用于试飞员培训、试飞任务演示演练、专项课题研究等工作,对于保障该型直升机试飞顺利完成具有重要意义。

某型直升机试飞模拟器建设目标是带六自由度运动平台的全任务型模拟器。视景系统是核心系统之一,对该模拟器各种任务的完成起着关键作用。根据未来任务需求、项目经费情况及当前技术状况,该模拟器项目对视景系统提出了很高的要求,以期达到高等级训练模拟器的水平。

1 总体技术指标设计

视景系统主要包括显示系统和图像生成系统。由于直升机具有垂直起降、近地面低速飞行、悬停等特点,因此要求模拟器的显示系统视场角大、分辨率高以及图像生成系统地景数据库的机场核心区域纹理分辨率高,以保证视景系统具有良好的沉浸感,以及在低空低速飞行时目视可以进行高度和速度的准确判断。

视场角具体数值由驾驶员眼点位置和所有舷窗最边缘的位置决定,取为:水平方向,180°;垂直方向,上视20°,侧下视45°,前下视20°。由于当前虚像显示系统垂直视场较小,不能满足要求,因此采用主流的球幕实像系统。参考该机型驾驶舱尺寸、运动系统尺寸及安装维护的需求,球幕半径定为3.5 m[1]。考虑到当前模拟器视景用主流工程投影仪的最高分辨率为1 920×1 200,光通量在6 000 lm左右,为了尽可能提高系统分辨率,经粗算拟采用八通道投影系统来实现。系统总体技术指标如表1所示。

表1 视景系统主要技术指标Tab.1 Major technical index of visual system

2 显示系统设计

2.1 系统光路设计

根据视场角及座舱尺寸,投影仪在球幕顶盖上环绕一圈布局。投影仪上下层投射,每层设置4个通道。上层图像由后面4台投影仪直接投射;对于下层图像,考虑到座舱遮挡关系和投影仪安装方便,在前面4台投影仪镜头前安装反射镜反光投射。投影仪位置及系统光路如图1所示。经计算,当眼点设置在球心处时,水平视场约为200°,垂直视场约为75°(上视25°,侧下视50°,前下视20°)。

图1 投影仪摆放位置及系统光路Fig.1 Projector position and system optical path

用专业光路设计分析软件可得系统分辨率分布(见图2)和系统亮度分布(见图3)。从图3可以看出,由于球幕的形状和投影仪摆放位置的差别,上下2层投影的光程和面积有些差别。对于上层图像,每台投影仪投射面积较小,投射范围内光程比较平均,因此投射区域内分辨率和亮度较高且较平均;下层投射区域相比稍差一些。从图2可以看出,对于下层图像投射区域,系统分辨率小于每像素2.5′(1°=60′,下同);对于上层图像投射区域,系统分辨率小于每像素2.0′,满足系统设计指标。下层图像投射区域最低处亮度大于100 cd·m-2,考虑屏幕增益在0.8左右,系统最低亮度在80 cd·m-2,满足设计要求[2-3]。

图2 系统分辨率分布Fig.2 Resolution distribution of the system

图3 系统亮度分布Fig.3 Light intensity distribution of the system

2.2 投影仪的选择

对投影仪的选择不仅要考虑分辨率和亮度,还要考虑投影仪的色彩还原性、动态分辨率、多台投影仪色彩一致性等参数。综合考虑性能要求及经费,选择了美国科视数字系统公司(下文简称科视)生产的三片数字光处理(DLP)投影仪Matrix WU7K-J。

Matrix WU7K-J投影仪采用DLP技术及氙灯光源,原始分辨率为1 920×1 200,具有6 300 lm的光通量。Matrix WU7K-J采用色彩纯度滤镜,可以提供优异的色彩饱和度、色彩匹配度和黑度,实现白天和黑夜的景观融合。系统级亮度恒定输出、系统色彩一致性匹配等功能可以保证多通道投影仪具备亮度及色彩均匀性。Christie TWIST具备图像变形、边缘融合、RGB色彩匹配、gamma曲线控制和灰度跟踪等功能。该投影仪拥有丰富的可选镜头配件,支持定焦(0.67∶1.00,1.2∶1.0)和变焦(最小1.16∶1.00,最大10.4∶1.0)镜头系列。本方案投影仪镜头选用定焦镜头,投影比为1.2∶1.0。

投影仪安装支架及安装结构部分采用加固设计,以保证投影仪位置不会出现移动、安装结构不会变形以及画面校正和融合的效果保持不变。

2.3 自动融合校正系统

三通道以上的投影显示系统采用人工调整融合校正难度很大,并且效果不理想、维护性差。目前自动融合校正技术已经成熟,经过一次激光标定测量完成自动校正和融合处理后,后期如出现投影画面的错位畸变,用户只需要一个简单的操作,10 min左右即可完成维护工作。对本项目带运动平台的八通道投影系统而言,自动融合校正技术无疑是理想的选择。

本系统采用科视最新的TrueIMAGE自动调节技术,由科视的软件和TWIST硬件实现。它由高精度摄像头(模拟人眼)、投影仪(内置TWIST)和软件系统组成一个回路,通过高清摄像头采集投影系统拼接效果。控制软件对采集的图像实时分析,并通过以太网连接到多台投影仪,实现对投影仪的控制。调节投影仪内部的色彩、亮度、几何和融合等参数,自动完成八通道球面投影系统的几何校正和拼接边缘融合。在系统运行过程和生命周期里,一键式完成多通道投影系统几何拼接和边缘融合的系统维护,最终使投影系统拼接融合效果完美。

八通道球幕自动融合系统采用了2组激光矩阵系统和4个高清摄像头。激光矩阵系统用来在球幕上打点标定,摄像头用来拍摄激光点和投影仪投射的校正画面。激光矩阵系统固定在龙门架两侧的上方。该自动融合系统对激光点的布置如图4所示,总计20个点,用全站仪测得每个点以眼点为中心的直角坐标。高清摄像头布置在球幕顶盖上,其中2个布置在中间,另外2个分别布置在两边,以实现对球幕显示区域的全覆盖。每个摄像头观察到的画面如图5所示。每台投影仪的视场角设置如表2所示。设置完成之后即可用软件进行自动融合计算,20 min左右即可完成计算并自动保存,最终效果非常好,基本消除了融合带和畸变。

图4 激光点布置正视展开图Fig.4 Elevation of laser point layout

图5 摄像头观察到的画面Fig.5 Camera pictures

表2 投影仪视场角的设置Tab.2 Settings of projector field angle

2.4 夜航光学融合系统

由于现行投影仪工作时不能达到全黑状态,因此在模拟器夜航训练时多通道投影仪融合部分会有不规则亮带产生,严重影响训练质量。因此,在本视景系统中设计了夜航光学融合系统,以消除这些不规则亮带。夜航光学融合系统是用多层可见光滤波器和光衍射方法消除亮带,在观看连续画面时,达到亮度一致。

夜航光学融合系统由安装支架、压片、可见光滤波器、运动机构、主控制盒和控制软件等组成,如图6所示。

图6 夜航光学融合系统组成和执行单元结构Fig.6 Night flight optical fusion system composition and execution unit structure

2.5 球幕

成像球幕的有效视场为:水平方向,200°(±100°);垂直方向,上25°,下50°。因此,为了达到有效视场的要求,将成像球幕设计成水平210°,并且在赤道位置按上25°、下50°时向心切下,方便与上盖及其他结构的连接安装。

成像球幕内表面半径为3 500 mm,内层厚度为50 mm;外表面材料为4 mm厚的玻璃钢,内表面材料为6 mm厚的玻璃钢,中间使用10 mm厚的钢板作为加强筋,以500 mm×500 mm田字形排布,中空部分用纸蜂窝填充以加强球幕强度。为便于运输安装,将成像球幕设计成分瓣形式,成像球幕的分瓣形式为:将整个成像球幕分为6块,中间4块每块40°,两侧2块每块为25°。

为保证安装连接后的球幕几何质量,采取如下措施:所有球瓣的竖向连接缝与水平连接缝呈丁字布局;所有球瓣内表面四周预留宽20 mm、深0.5 mm的凹槽,待球幕拼装完成后,再用预浸玻璃布和环氧树脂填上并打磨至与内表面齐平,这样可以避免成像球幕长期使用后在拼缝处出现裂纹。为保证连接强度,所有球瓣的四周连接面处预埋厚度为15 mm的胶木板,在球瓣的底部预埋10 mm厚的L形钢板。

球幕现场安装完成后,球幕内表面接缝采用玻璃纤维和环氧树脂进行处理,以保证球幕接缝的长期稳定不开裂。球幕内表面涂覆专用正投屏幕涂料,球体的外表面涂覆乳白色复合胶衣。

3 图像生成系统

对于模拟器视景系统而言,显示系统和图像生成系统同样重要。显示系统负责场景的显示,图像生成系统负责场景的生成绘制。显示效果逼真、沉浸感强的视景系统既要显示设备好,又要有丰富逼真场景图像源。目前主流的图像渲染软件平台有Mantis、Genesis、EPX、VegaPrime等,软硬件一体化设计,以达到最好的效果。本系统图像生成系统选用了Quantum 3D公司的最新一代图形工作站系统IDX7000,八通道输出。

IDX7000提供工业级的最高实时计算性能,每个图形渲染单元支持2个NVIDIA公司的最新Fermi架构图形处理器(GPU)。应用英伟达同步处理技术(NVSYNC),IDX7000 支持本色的高分辨率多输入投影仪。

IDX7000机柜安置在有空调系统的密闭空间内,以保证工作的温度湿度环境及防尘。采用不间断电源(UPS)以保证系统安全稳定,图像生成系统到投影仪的信号传输采用高清数字视频接口(DVI)光纤传输器,保证视频信号远距离传输的质量。

3.1 仿真软件

IDX7000系统所用的视景仿真软件Mantis可应用于实时视觉仿真、声音仿真、虚拟现实及其他可视化领域的软件环境。

Mantis应用客户/服务器软件结构具有高带宽、低延时的特点,图形和仿真处理分离。Mantis使用Intel、Microsoft和NVIDIA的最优技术来获得最高性能和可视化逼真度。IDX7000的Mantis使用的关键技术有数据流单指令多数据扩展指令集2(SSE2TM)、超线程、顶点缓存、广泛像素和顶点填充。大部分的Mantis功能由主机接口控制。

对于直升机模拟器视景系统,Mantis具有以下功能模块:

(1)保证帧率的载入管理,自动细节等级(LOD)切换。

(2)高级分页的几何和纹理数据库。

(3)可选的、优先的实时阴影。

(4)高级海洋模块。

(5)直升机旋翼涡流特效。

飞控程序和视景程序的数据交换接口软件由CIGI3.0程序实现,如眼点控制、碰撞检测、地形高度反馈等[4]。

3.2 三维地形数据库

由于直升机模拟器对视景系统的要求苛刻,因此除了显示系统满足高分辨率要求外,还要开发高精度的机场地景库。本项目核心机场中心外围10 km内采用了分辨率为0.1 m高清航片,10 km以外采用分辨率为1 m卫片。用Terra Vista软件进行大地景的开发,共设6级LOD,实现从高空到地面纹理精细度的渐变,给飞行员提供准确的目视高度判断。另外,对机场跑道及跑道周边建筑进行了大量的高清拍照取材,用Creator软件建立了精细逼真的多个细节层次的建筑模型,并进行了大量的优化。同时,在跑道周边根据实际位置加入了一定数量不同种类的动态树木和草模型。在视景软件的支持下,跑道可设置积水、积雪效果,丰富训练场景。综合以上这些方面,该机场地景库较好地满足了直升机模拟器低空任务训练对高精度地景纹理的需求[5-6]。高精度机场数据库部分区域效果如图7所示。