CN113706969A - 一种虚实结合的直升机座舱系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种虚实结合的直升机座舱系统，属于虚拟现实领域。本发明采用基于虚拟操控台界面、虚拟POP界面、真实控制面板、头部跟踪控制的“虚实结合”设计方法，实现具有飞行训练和武器控制训练能力的直升机座舱系统。本发明并提供直升机空面作战过程中地形、环境、攻防对抗等方面的三维视景效果演示，实现具有飞行训练和武器控制训练能力的直升机座舱系统。本发明将直升机以爆炸图的方式拆解，使得飞行员对于原理更为清晰。

Description

一种虚实结合的直升机座舱系统

技术领域

本发明属于虚拟现实领域，具体涉及一种虚实结合的直升机座舱系统。

背景技术

武装直升机可以进行空中打击、空面打击、信息攻防对抗，破坏敌方指挥系统，削弱敌方的能动性。随着航空电子技术的快速发展，座舱仪表和控制开关越来越多，直升机飞行员面对的信息量也越来越大。在执行作战任务时，不仅需要执行飞控操作，还需要不断接收各种仪表信息和指挥信息，保持对危险警告和异常信号的快速反应能力，这个时候，提前对直升机熟练的操作训练就显得尤为重要。

但是目前大部分的飞行模拟器都是从国外进口，成本非常高，全任务的飞行模拟器都在千万美元级别，这个时候简化系统成本，构建出具有国产化能力的直升机座舱系统就显得尤为重要。

采用虚拟驾驶舱操控台，虚拟液晶屏及POP，辅助总距杆、油门杆、操控面板等简单的硬件设施，模拟真实飞行和作战时产生的场景，对飞行员进行飞行和攻击训练，使飞行员在执行任务前熟练掌握基本技能。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是如何提供一种虚实结合的直升机座舱系统，以解决进口的飞行模拟器造价昂贵的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提出一种虚实结合的直升机座舱系统，该系统包括：操控台界面软件、POP界面软件、面板控制软件、视景仿真软件、头部跟踪控制软件和教学辅助软件，

操控台界面软件，用于模拟直升机座舱内部环境，包括直升机内部控制系统的人机交互窗口；

POP界面软件模拟直升机的POP界面，通过点击周边键完成POP界面的切换；POP界面包括主菜单、导航、态势、战术信息显示、防空系统和显示在HUD的飞行导航数据信息；

面板控制软件定义界面虚拟控件，与操纵件硬件对应，用于实现操纵件硬件的输入，通过变量绑定与操控台界面软件中的虚拟控制面板绑定，实现学员飞行操作和武器操作；

视景仿真软件提供不同视角的视野，包括驾驶舱内和舱外视角、导弹视角和定点视角；

头部跟踪控制软件模拟学员在驾驶舱内的目视可见目标的变化，完成头部转动与视景变化之间的联动；

教学辅助软件以AR技术为基础，通过固定在显示器上的红外跟踪传感器，配合穿戴在学员头部的光学定位软件，实现飞机爆炸图效果，将飞机全方面拆解。

进一步地，操控台界面软件的人机交互窗口包括操纵面控制器、主起落架的刹车、起落架收放、机炮控制、俯仰、滚转、偏航输入、总距控制、内部应急预警、飞行数据记录、氧气供给开关、除冰开关、应急弹射和主旋翼桨叶切断。

进一步地，操控台界面软件分为前部和中后部两个部分，前部包括虚拟显示器和模拟仪表及简单的开关按键，中后部包括直升机液压系统、应急系统的操作控制。

进一步地，操纵件硬件包括操作杆、油门杆和面板控件。

进一步地，视景仿真软件是以计算机为核心，通过分布交互实时网络，构成的一套人在回路的实时仿真系统，通过立体环绕音响、大视场视景系统，构造了一个虚拟仿真环境，在投影幕布上形成清晰的影像。

进一步地，视景仿真软件包括建立视景模型库、场景驱动、模拟气象条件、武器攻击特效、多种空/地景物及相对运动动态效果，构造逼真的三维环境，接收飞行仿真包解算出的飞行数据，完成场景的实时驱动。仿真模拟飞行过程中的发动机噪声、气流声、轮转和刹车声、提示语音和告警音响，构造全方位的飞行环境。

进一步地，视景仿真软件包括对象建模工具、地形建模工具和特效建模工具；对象建模工具允许用户快速建立高保真的3D实体，地形建模工具从最基本到最精密地形开发所需的必备特性，输出的地形数据库支持所有主流地形格式，并可应用在实时的虚拟三维视景仿真中；特效建模工具能够快速创建和部署精准的3D视景应用。

进一步地，头部跟踪控制的实现方式是：将红外感应器通过底座固定到支架上，再固定到显示器上，将反光支架固定到学员佩戴的帽子或头盔上，红外感应器通过USB线连接到主机，与软件进行通讯。

进一步地，该系统的硬件采用统一的USB接口，包括周期变距操纵杆、总距操纵杆、油门杆和部分/控制面板。

进一步地，周期变距操纵杆用于控制直升机姿态，通过推拉杆改变直升机俯仰方向姿态，左右摇杆改变直升机滚转方向姿态，通过俯仰向前向前飞行，向后拉杆来减慢甚至向后飞行；

总距操纵杆能够调整旋翼桨叶的俯仰并由此影响主旋翼的升力；

分离式发动机油门杆位于驾驶员左手下的发动机控制面板上，有共同的旋转轴，上下移动。

(三)有益效果

本发明提出一种虚实结合的直升机座舱系统，采用基于虚拟操控台界面、虚拟POP界面、真实控制面板、头部跟踪控制的“虚实结合”设计方法，并提供直升机空面作战过程中地形、环境、攻防对抗等方面的三维视景效果演示，实现具有飞行训练和武器控制训练能力的直升机座舱系统。

附图说明

图1为本发明虚实结合座舱仿真系统结构示意图；

图2座舱仿真系统软件组成。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本发明属于座舱设计领域，具体涉及一种虚实结合的座舱系统及实现方法，主要针对某型直升机设计一套座舱系统，通过虚实结合的座舱系统使学员高效地完成训练任务。

为了克服进口的飞行模拟器造价昂贵的问题，提出一种虚拟结合的直升机座舱系统及实现方法。

提供直升机座舱的仿真环境，可用于实现基于虚拟操控台界面、虚拟POP界面、真实控制面板、头部跟踪控制的“虚实结合”人机交互仿真，并提供直升机空面作战过程中地形、环境、攻防对抗等方面的三维视景效果演示。

座舱仿真系统的人机交互仿真按照以虚拟软件仿真为主，真实操纵件为辅的“虚实结合”思路来构建。

如图1所示，由操控台界面软件产生虚拟座舱操控台，虚拟座舱操控台包括座舱按键、总距杆、液晶屏等真实座舱中具有的元素。在虚拟操控台中，由POP界面软件负责产生虚拟液晶屏中的人机交互画面，能够通过鼠标点击与虚拟周边键进行交互。真实控制面板通过面板控制软件接入系统，再通过变量绑定与操控台界面软件中的虚拟控制面板绑定，实现学员飞行操作和武器操作，并配合头部跟踪设备，可实现视景跟随学员的头部转动而改变，具备沉浸式的体验。

为了使学员对于飞机的飞行控制原理和武器控制原理了解的更为透彻，构建精细的可拆解的三维模型，配合穿戴式的增强现实设备，将原理展现在学员眼前。

座舱仿真系统软件产生虚拟仿真座舱，包括操控台界面软件、POP界面软件、面板控制软件、视景仿真软件、头部跟踪控制软件和教学辅助软件。

1.操控台界面软件，用于模拟直升机座舱内部环境，主要包括直升机内部控制系统的人机交互窗口，比如操纵面控制器、主起落架的刹车、起落架收放、机炮控制、俯仰、滚转、偏航输入、总距控制、内部应急预警、飞行数据记录、氧气供给开关、除冰开关、应急弹射、主旋翼桨叶切断等。

操控台界面软件分为前部和中后部两个部分，前部主要包括虚拟显示器和模拟仪表及简单的开关按键。中后部包括直升机液压系统、应急系统等不同系统的操作控制。

2.POP界面软件模拟直升机的POP界面，通过点击周边键完成POP界面的切换。

POP界面软件可根据具体的教学训练任务，针对直升机座舱定制化开发，实现具有可交互性的飞行状态和任务状态的显示。主要包括主菜单、导航、态势、战术信息显示、防空系统和显示在HUD的飞行导航数据等信息。

3.面板控制软件定义界面虚拟控件，与操纵件硬件对应，用于实现操纵件硬件的输入，通过变量绑定与操控台界面软件中的虚拟控制面板绑定，实现学员飞行操作和武器操作。

面板控制软件与操纵件硬件对应，用于实现操作杆、油门杆、面板控件等操纵件硬件的输入。

仿真操作组件的物理接口为USB，本方案提供仿真操作组件的通讯接口软件通过调用各仿真件的驱动程序与仿真件通讯，采集仿真操纵组件的控制输入量，影响仿真模型的飞行响应，实现对俯仰操纵、俯仰配平操纵、滚转操纵、滚转配平操纵、偏航操纵、偏航配平操纵、油门操纵、起落架操纵、刹车操纵的控制功能模拟。

4.视景仿真软件提供不同视角的视野，包括驾驶舱内和舱外视角、导弹视角、定点视角等不同的观察角度。

视景仿真软件是以计算机为核心，通过分布交互实时网络，构成的一套人在回路的实时仿真系统。通过立体环绕音响、大视场视景系统，构造了一个虚拟仿真环境，在投影幕布上形成清晰的影像，为受训者提供听觉、视觉刺激，使其产生身临其境的感觉而达到模拟训练的目的。

视景仿真软件主要包括建立视景模型库、场景驱动、模拟气象条件、武器攻击特效、多种空/地景物及相对运动动态效果等舱外景象，构造逼真的三维环境，接收飞行仿真包解算出的飞行数据，完成场景的实时驱动。仿真模拟飞行过程中的发动机噪声、气流声、轮转和刹车声、提示语音、告警音响等，构造全方位的飞行环境。

视景仿真系统是用于构建和生成虚拟环境的软件工具，支持对象与环境生成，同时支持光影、天气、时间等环境变化模拟，能够支持动态海浪生成，同时支持多海况生成。

该系统包括对象建模工具、地形建模工具和特效建模工具。对象建模工具允许用户快速建立高保真的3D实体，地形建模工具可以从最基本到最精密地形开发所需的必备特性，输出的地形数据库支持所有主流地形格式，并可应用在实时的虚拟三维视景仿真中，特效建模工具能够快速创建和部署精准的3D视景应用。三者配合可以完美覆盖三维视景的整个开发及运行流程，从三维模型、三维地形等元素的精细设计，到三维视景的特效、光影等渲染效果，以及对外的数据交互，运行逻辑等软件开发，驱动视景软件运行。

5.头部跟踪控制软件主要模拟学员在驾驶舱内的目视可见目标的变化，完成头部转动与视景变化之间的联动。

头部跟踪控制软件需要配合红外感应器、反光支架等硬件设备完成头部的三维定位，实时更新六自由度数据输出给视景仿真软件，视景仿真软件实现视角的切换。

头部跟踪控制的实现方式主要是：将红外感应器通过底座固定到支架上，再固定到显示器上，将反光支架固定到学员佩戴的帽子或头盔上，红外感应器通过USB线连接到主机，与软件进行通讯。

6.教学辅助软件以AR技术为基础，帮助学员运用数字化工具，高效率地完成学习任务。教学辅助主要实现方式为通过固定在显示器上的红外跟踪传感器，配合穿戴在学员头部的光学定位软件，实现飞机爆炸图效果，将飞机全方面拆解，同时辅助手势识别，具有交互效果。

软件硬件结合采用灵活的变量绑定模式，硬件采用统一的USB接口，只保留必需的硬件组成部分，如周期变距操纵杆、总距操纵杆、油门杆和部分/控制面板。变量绑定界面主要分为三个部分，分别是检测到的硬件设备、虚拟界面中的功能控件和硬件设备中的控件。

周期变距操纵杆用于控制直升机姿态，通过推拉杆改变直升机俯仰方向姿态，左右摇杆改变直升机滚转方向姿态，通过俯仰向前向前飞行，向后拉杆来减慢甚至向后飞行。

周期变距操纵杆包括很多按钮和苦力帽，允许手不离杆操作直升机的各种系统，包括：机炮扳机、机轮刹车把手、悬停按钮、无线电按钮、仪表灯按钮、解锁按钮、瞄准线控制、配平按钮、自动驾驶断开按钮等。

总距操纵杆能够调整旋翼桨叶的俯仰并由此影响主旋翼的升力，同时，还有一系列按钮、苦力帽和开关，允许控制一些功能，包括：调整自由涡轮转速调节器、吊载按钮、移动探照/着陆灯、外部挂点选择、Shkval视场调节、航路自动驾驶模式切换、目标捕获、刹车等。

分离式发动机油门杆位于驾驶员左手下的发动机控制面板上。有共同的旋转轴，上下移动。油门杆有四个固定位置，分别是慢车、调节器失效、自动和最大四个位置。慢车一般由于执行发动机启动程序和多数系统的功能检测。调节器失效在动力涡轮转速调节器失效时使用，避免发送机超速。自动是动力装置正常操作的主要模式，所有飞行必须在此模式进行，除了特定应急情况下。最大模式用于确保在一台发动机失效时另一台发动机最大功率。

本发明的一种虚实结合的直升机座舱系统及实现方法，采用基于虚拟操控台界面、虚拟POP界面、真实控制面板、头部跟踪控制的“虚实结合”设计方法，实现具有飞行训练和武器控制训练能力的直升机座舱系统。

本方法结合增强现实技术，可将直升机以爆炸图的方式拆解，使得飞行员对于原理更为清晰。

本方法通过变量绑定和驱动定制开发的方式实现软件和硬件的耦合，具有通用性的特点。

本发明提出了一种虚实结合的直升机座舱系统及实现方法，采用基于虚拟操控台界面、虚拟POP界面、真实控制面板、头部跟踪控制的“虚实结合”设计方法，并提供直升机空面作战过程中地形、环境、攻防对抗等方面的三维视景效果演示，实现具有飞行训练和武器控制训练能力的直升机座舱系统。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种虚实结合的直升机座舱系统，其特征在于，该系统包括：操控台界面软件、POP界面软件、面板控制软件、视景仿真软件、头部跟踪控制软件和教学辅助软件，

操控台界面软件，用于模拟直升机座舱内部环境，包括直升机内部控制系统的人机交互窗口；

POP界面软件模拟直升机的POP界面，通过点击周边键完成POP界面的切换；POP界面包括主菜单、导航、态势、战术信息显示、防空系统和显示在HUD的飞行导航数据信息；

面板控制软件定义界面虚拟控件，与操纵件硬件对应，用于实现操纵件硬件的输入，通过变量绑定与操控台界面软件中的虚拟控制面板绑定，实现学员飞行操作和武器操作；

视景仿真软件提供不同视角的视野，包括驾驶舱内和舱外视角、导弹视角和定点视角；

头部跟踪控制软件模拟学员在驾驶舱内的目视可见目标的变化，完成头部转动与视景变化之间的联动；

教学辅助软件以AR技术为基础，通过固定在显示器上的红外跟踪传感器，配合穿戴在学员头部的光学定位软件，实现飞机爆炸图效果，将飞机全方面拆解。

2.如权利要求1所述的虚实结合的直升机座舱系统，其特征在于，操控台界面软件的人机交互窗口包括操纵面控制器、主起落架的刹车、起落架收放、机炮控制、俯仰、滚转、偏航输入、总距控制、内部应急预警、飞行数据记录、氧气供给开关、除冰开关、应急弹射和主旋翼桨叶切断。

3.如权利要求1所述的虚实结合的直升机座舱系统，其特征在于，操控台界面软件分为前部和中后部两个部分，前部包括虚拟显示器和模拟仪表及简单的开关按键，中后部包括直升机液压系统、应急系统的操作控制。

4.如权利要求1所述的虚实结合的直升机座舱系统，其特征在于，操纵件硬件包括操作杆、油门杆和面板控件。

5.如权利要求1所述的虚实结合的直升机座舱系统，其特征在于，视景仿真软件是以计算机为核心，通过分布交互实时网络，构成的一套人在回路的实时仿真系统，通过立体环绕音响、大视场视景系统，构造了一个虚拟仿真环境，在投影幕布上形成清晰的影像。

6.如权利要求6所述的虚实结合的直升机座舱系统，其特征在于，视景仿真软件包括建立视景模型库、场景驱动、模拟气象条件、武器攻击特效、多种空/地景物及相对运动动态效果，构造逼真的三维环境，接收飞行仿真包解算出的飞行数据，完成场景的实时驱动。仿真模拟飞行过程中的发动机噪声、气流声、轮转和刹车声、提示语音和告警音响，构造全方位的飞行环境。

7.如权利要求6所述的虚实结合的直升机座舱系统，其特征在于，视景仿真软件包括对象建模工具、地形建模工具和特效建模工具；对象建模工具允许用户快速建立高保真的3D实体，地形建模工具从最基本到最精密地形开发所需的必备特性，输出的地形数据库支持所有主流地形格式，并可应用在实时的虚拟三维视景仿真中；特效建模工具能够快速创建和部署精准的3D视景应用。

8.如权利要求1所述的虚实结合的直升机座舱系统，其特征在于，头部跟踪控制的实现方式是：将红外感应器通过底座固定到支架上，再固定到显示器上，将反光支架固定到学员佩戴的帽子或头盔上，红外感应器通过USB线连接到主机，与软件进行通讯。

9.如权利要求1所述的虚实结合的直升机座舱系统，其特征在于，该系统的硬件采用统一的USB接口，包括周期变距操纵杆、总距操纵杆、油门杆和部分/控制面板。

10.如权利要求9所述的虚实结合的直升机座舱系统，其特征在于，周期变距操纵杆用于控制直升机姿态，通过推拉杆改变直升机俯仰方向姿态，左右摇杆改变直升机滚转方向姿态，通过俯仰向前向前飞行，向后拉杆来减慢甚至向后飞行；

总距操纵杆能够调整旋翼桨叶的俯仰并由此影响主旋翼的升力；

分离式发动机油门杆位于驾驶员左手下的发动机控制面板上，有共同的旋转轴，上下移动。

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