CN101251959A - 基于虚拟操作的通用飞行模拟器 - Google Patents

Abstract

一种基于虚拟操作的通用飞行模拟器，包括虚拟操作通用概念座舱内的脚蹬，油门杆，驾驶杆，声音混成音箱，通用概念座舱内还装有由背投系统组成的视景显示系统，使用触摸方式操作的虚拟开关、旋钮和虚拟仪表，以及用于模型解算和飞行控制解算、加速度解算的显示和解算中心，驾驶员乘坐的抖震座椅。本发明使用了虚拟操作开关和虚拟仪表替代真实物理硬件开关和仪表，可以灵活的切换虚拟开关和仪表软件和飞行控制模型而切换成不同的机型进行飞行训练和游戏。该飞行模拟器体积小，重量轻，便于拆装和组合，适合在普通办公室条件下使用；模拟逼真；价格低廉；通过软件切换机型，通用性强；联网后可以组成不同机型的机群进行对抗训练和游戏。

Description

基于虚拟操作的通用飞行模拟器

技术领域

本发明涉及航空器在地面模拟空中飞行的模拟器，适用于驾驶员的驾驶、战术、对抗训练，以及飞行游戏的操作系统，确切的说是一种基于虚拟操作的通用飞行模拟器。

背景技术

全硬件的模拟器是采用物理硬件实现的，由于体积大、设计复杂、制作、维护和使用费用高，使用数量较少。为了适应各种战术、任务等飞行训练的需要，衍生出各种模拟器，其主要目的是在完成需求功能的前提下，使用低成本部件替代，并能达到高费效比的训练效果。其中基于纯虚拟现实的飞行模拟器，是使用图形工作站的纯虚拟的基于图形的座舱，采用头盔显示飞行场景，带有力反馈或触觉发生器的数据手套进行虚拟开关的操纵和驾驶，实现触觉模拟，具有重量轻、体积小，同一套系统可以通过软件切换成不同的机型进行飞行训练，优点是可以在办公室等条件下使用，存在操作不方便，模拟逼真度低的缺点。2007年9月2日公开的，公开号是CN101034503A的中国专利，公开了一种“轻型飞行模拟器”技术，是以头盔作为视景显示设备，以硬件开关作为模拟器系统的输入，采用简单、小型化的6-3并联机构的运动平台，使用通用计算机作为模型解算中心，以达到减小模拟器体积和重量的目的。这种模拟器的缺点是其显示视景的头盔视角小，仅有40度，与视觉的真实可视方式差别较大，影响了飞行模拟的视觉逼真度，不利于战术飞行训练；其基本开关硬件不能与真实飞机的座舱面板的硬件一一对应，只是通用性的简化，不利于飞行员的实际操作训练；一套基本硬件经简单改装不能即时、实时的模拟不同型号的飞机，限定了飞机型号更改的灵活性，不能达到灵活切换机型的目的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有飞行模拟器的技术缺陷，制造一种能够达到高费效比的飞行和战术训练效果、能够便携跟进训练，用一台通用模拟器，利用软件灵活的切换为另外一种机型，模拟逼真度高的基于虚拟操作的通用飞行模拟器。

本发明目的是由以下技术方案实现的：一种基于虚拟操作的通用飞行模拟器，包括虚拟操作通用概念座舱内的脚蹬5，油门杆7，驾驶杆6，声音混成音箱，其特征在于通用概念座舱内还装有由背投系统10组成的的视景显示系统，使用触摸方式操作的虚拟开关、旋钮和虚拟仪表，以及用于模型解算和飞行控制解算、加速度解算的显示和解算中心，驾驶员乘坐的抖震座椅。

本发明克服了现有虚拟现实技术在座舱内开关操作模拟上的困难，使用了虚拟操作开关和虚拟仪表替代真实物理硬件开关和仪表，可以灵活的切换虚拟开关和仪表软件和飞行控制模型而切换成不同的机型进行飞行训练和游戏。模拟器座舱用来营造一个仿真的飞机座舱环境，使得飞行员的各种注意力和操作位置都与真实的座舱相仿或者一致，注意力分配好。飞行员在飞行训练时基本上采用常规操作方法进行飞行操作，对于开关的操作则使用触摸方式进行操作，飞行员不会受到数据手套和头盔等物理硬件的限制，可以便携训练，它满足飞行和战术训练的需要。该飞行模拟器体积小，重量轻，便于拆装和组合，适合在普通办公室条件下使用；模拟逼真；价格低廉；通过软件切换机型，通用性强；联网后可以组成不同机型的机群进行对抗训练和游戏。

背投系统10至少由三台大背投机组成，拼合成一个夹角为135-180度的折幕，背投机由支架11支撑。135度基本与人的可视方式相同，更接近真实；背投机由支架11支撑，可以方便的拆卸和运输，其高度限制在2米之内，满足办公室使用的条件。如果再多加入2到3台背投机，最大可以达到180度视角。

通用概念座舱有底座1、左、右操纵台箱2、3、前仪表板箱4用于虚拟操作的左右操纵台液晶触摸屏8、用于虚拟操作的前仪表板液晶触摸屏9，所述的左右操纵台箱2、3分别包括平式操纵台箱体和立式操纵台箱体，平式和立式操纵台箱体分别安装了触摸屏8和9。通用概念座舱的底座是长方形平板结构，底部安装有6个制动轮；其上部的左右两边用螺栓连接了左右操作台；后部连接有抖震座椅；前部是独立的带有制动轮的前仪表板箱(用于安装液晶触摸)。左右操纵台箱模拟了概念的飞机左右操纵台，侧面有开门，内部放置生成虚拟开关和虚拟仪表的主机，水平和垂直的台面上嵌入虚拟操纵触摸液晶屏，用于飞机系统的开关操作。抖震座椅是体验飞机抖动时的加速度的力感的设备，由飞行控制模型解算的加速度结果作为输入数据。前仪表板箱由支架、四个制动轮、前虚拟仪表显示用的触摸屏液晶屏组成，是一个独立可推动和制动的部件。模拟器使用时先定位视景显示系统和虚拟座舱通用座舱，再将前仪表板箱推到座舱前部进行定位并制动。

使用触摸方式操作的虚拟开关、旋钮和虚拟仪表安装在触摸屏8和触摸屏9上。

显示和解算中心是由逻辑和飞控计算服务器，虚拟仪表前主机，虚拟左、右操纵台主机和视景主机组成。

驾驶员乘坐的抖震座椅采用商用抖震座椅，安装在通用概念座舱的后部，将感受到飞机抖动时的力感输入到逻辑和飞控计算服务器。

虚拟开关、旋钮和虚拟仪表的数据和通用脚蹬5、驾驶杆6和油门杆7的数据，通过接入虚拟仪表前主机进行解算，将解算的结果通过网络接入视景主机，视景主机通过双显卡的三个视频输出口输入到三个背投机，进行飞行大地形的显示，虚拟开关、旋钮和虚拟仪表是用虚拟现实技术制作的软开关和仪表，使用触摸屏进行操纵，给控制模型提供飞机座舱的开关数据和接收解算模型的解算结果数据。

前仪表板箱4由支架、四个制动轮、前虚拟仪表显示用的触摸液晶屏组成。

虚拟开关、旋钮和虚拟仪表采用虚拟现实软件根据实际飞机型号的面板制作，以1∶1的比例显示在触摸屏上，显示虚拟开关、旋钮和虚拟仪表的计算机安装在左右操纵台箱2、3的箱体中，显示前面板虚拟仪表的主机安装在前仪表板箱4体中，通用座舱提供开关操作数据和杆舵油门的数据，从解算中心计算机回传的数据显示在座舱的虚拟仪表中，并配合视景的飞机位置进行坐标解算。

视景显示系统通过视景主机与显示和解算中心连接，脚蹬5，油门杆7，驾驶杆6，抖震座椅通过逻辑和飞控计算服务器与显示和解算中心连接。

本发明克服了现有虚拟现实技术在座舱内开关操作模拟上的困难，使用了虚拟操作开关和虚拟仪表替代真实物理硬件开关和仪表，可以灵活的切换虚拟开关和仪表软件和飞行控制模型而切换成不同的机型进行飞行训练和游戏。该飞行模拟器体积小，重量轻，便于拆装和组合，适合在普通办公室条件下使用；模拟逼真；价格低廉；通过软件切换机型，通用性强；联网后可以组成不同机型的机群进行对抗训练和游戏。

附图说明

图1是本发明的逻辑结构图；

图2是本发明的总体结构图；

图3是本发明的总体结构示意图；

图4是本发明的系统结构图；

图5是本发明的组成框图。

具体实施方式

如图3所示本发明通用概念座舱的底座是长方形平板结构，底部安装有6个制动轮；其上部的左右两边用螺栓连接了左右操作台；后部连接有抖震座椅；前部是独立的带有制动轮的前仪表板箱(用于安装液晶触摸)。左右操纵台箱模拟了概念的飞机左右操纵台，侧面有开门，内部放置生成虚拟开关和虚拟仪表的主机，水平和垂直的台面上嵌入虚拟操纵触摸液晶屏，用于飞机系统的开关操作。如图1、图2和图4所示，虚拟开关的数据和通用脚蹬、驾驶杆和油门杆的数据，通过接入前仪表板主机进行解算，将解算的结果通过网络接入视景主机，视景主机通过双显卡的三个视频输出口输入到三个背投机，进行飞行大地形的显示。抖震座椅是体验飞机抖动时的加速度的力感的设备，由飞行控制模型解算的抖震加速度结果输入数据。前仪表板箱由支架、四个制动轮、前虚拟仪表显示用的触摸屏液晶屏组成，是一个独立可推动和制动的部件。所述视景显示系统由三台大尺寸背投机(10)组成，被投机安装到被投机支架(11)上，三台背投机构成了角度为135度视角的飞行大地形场景，用于显示飞行时的机场及战术地形等场景。模拟器使用时先定位视景显示系统和虚拟座舱通用座舱，再将前仪表板箱推到座舱前部进行定位并制动。虚拟开关、旋钮和虚拟仪表是用虚拟现实技术制作的软开关和仪表，使用触摸屏进行操纵，给控制模型提供飞机座舱的开关数据和接收解算模型的解算结果数据。

虚拟操作座舱取消了所有的开关和仪表的物理硬件，取而代之的是虚拟开关和虚拟仪表，并使用高精度触摸屏进行操作。操作开关和虚拟仪表跟据实际的飞机型号进行全套制作，根据实际型号的布局进行安排，保证了飞行模拟器的逻辑完整性和操作一致性。其效果是可以保证与真实飞机型号一致的座舱；可以通过切换虚拟开关和虚拟仪表软件，即时的切换为另外一种型号的飞机模拟座舱；降低了硬件的依赖和损耗，维护和使用成本低；同时也降低了重量，可以方便的分解、安装并移动。此种方法实现的座舱可以满足飞行对开关仪表等的操纵需要，同时也极大的降低了研发制造成本、使用成本和维护成本。

本发明中用到了虚拟座舱主机和解算服务器共4台，视景主机1台，它们都安放在虚拟操作座舱的壳体内部，不需要单独的机柜，节省了空间和体积。

本发明的系统，飞行员在飞行训练时基本上采用常规操作方法进行飞行操作，对于开关的操作则使用触摸方式进行操作，飞行员不会受到数据手套和头盔等物理硬件的限制。经过实际制作出的系统试用证明，它满足飞行和战术训练的需要，实用、价格低廉、训练成本低、可以便携训练。

本发明可以将整套模拟器系统限制在(长×宽×高)4×3×2米的空间之内，每一个大的部分都可以拆卸成两个人可以抬起的部件，从而实现了体积小，便携训练的目标。

实现上述技术特点的整体技术方案，包括虚拟操作座舱，视景系统，通用驾驶杆、油门杆、脚蹬，虚拟操作开关和虚拟仪表生成，视景生成等部分。

虚拟操作座舱制作时，要保证前面板可以安装42寸液晶显示器，左操作台可以安装4块(水平的前后2块，垂直的前后2块)17寸宽屏液晶显示器。并且各显示器安装框架独立设计，可以独立取下，对显示器进行安装和固定。安装好框架后，可以将框架作为整体安装到概念座舱中。制作虚拟仪表和虚拟开关面板时，根据不同型号的飞机的操纵台和仪表板的形状制作虚拟操纵台和仪表板，其中的开关和仪表基本采用1∶1的样式进行制作，其在显示器中显示的形象是立体的，动作与真实座舱设备完全一致，以保证操作上的移植性和逻辑上的完整性。制作各种不同飞机训练的模型时，根据训练机型的需求，制作各种需要的机型的几何模型，并根据需要制作对应的机场模型，在视景系统中制作全球数据库地形，并制作好其大地形加载驱动，制作好调整地形和切换飞机模型的接口。虚拟开关和虚拟仪表具体制作时，各个开关和仪表采用虚拟现实技术，进行制作。制作时，将现代飞机的开关操纵方式进行分类提炼，一般情况下，开关对应操作有：扳动操作、旋转操作、按压操作方式。在虚拟现实开关和仪表板中加入相应的虚拟操作热区，并对操作热区与开关样式进行绑定算法处理，以达到在使用触摸操作时，与实际的操作方式一致(扳动、旋转、按压操作)。定义各种操作开关和仪表的接口时，根据实际的开关和仪表的情况，把开关的输出数据和仪表的输入数据定义为虚拟操作座舱的接口，并为接口定义合理的数据结构用于实施存储其对应的标识和值。可以为不同的机型定义不同的接口，使用接口操作程序控制数据的输入和输出，用于飞机系统逻辑的计算和操纵。用程序调整各个虚拟面板的位置时，将制作好的各个面板和仪表板，根据对应型号飞机的布置位置在显示器中进行布置。定义接口操作的中间件时，采用中间件技术，通过公共的数据结构和接口，向结算中心发送开关数据和接受仪表的输入数据(解算后的数据)。不同机型切换时，在预先定义好的输入输出接口和中间件中，将具体机型的虚拟开关和虚拟仪表加入，并读取接口定义数据库中具体机型的数据，可以生成相应机型的接口数据结构。在结算中心中，调整飞行控制率解算执行模型为需要的机型，调整解算逻辑为需要的机型的解算逻辑，系统即可调整完毕。同时，调整新机型的指令通过网络传送到视景系统，视景根据实际需求，调整对应的大地形和相应的飞机模型即可。从而虚拟操作座舱调整为另外机型，视景也相应的变为需要的大地形，即可用调整后的机型进行飞行和战术训练。

如果再多加入2到3台背投机，最大可以达到180度视角。

如图5所示，虚拟操作座舱使用三台图形主机(或者图形工作站)生成左右操纵台的虚拟开关和前仪表板中的虚拟仪表，各个图形主机之间通过网络连接到解算中心的主机上，以发送系统需要的开关量(模拟器系统输出量)，并接收解算后的仪表的显示量(模拟器系统的输入量)，保证系统在逻辑上的完整性。油门杆、驾驶杆和脚蹬等电路通过USB硬件接口连接到解算中心，通过对硬件进行数据采集，将采集后的数据供给解算中心的飞行动力学解算算法，将解算后的飞机的位置、速度、加速度等数据通过网络传输给视景主机，视景主机进行计算显示与当前飞机对应的大地形的位置，从而使得飞行的视景能够连续的运动，提供给用户视觉的运动感觉。解算中心主机同时将解算出的飞机的加速度值通过USB物理接口传输给抖震座椅，使得座椅发生相应的抖动。将解算的飞机的声响信息通过声卡与音箱的连接发送给音箱，产生飞行过程中的声响模拟。

Claims (10)

1、一种基于虚拟操作的通用飞行模拟器，包括虚拟操作通用概念座舱内的脚蹬(5)，油门杆(7)，驾驶杆(6)，声音混成音箱，其特征在于通用概念座舱内还装有由背投系统(10)组成的的视景显示系统，使用触摸方式操作的虚拟开关、旋钮和虚拟仪表，以及用于模型解算和飞行控制解算、加速度解算的显示和解算中心，驾驶员乘坐的抖震座椅。

2、根据权利要求1所述的一种基于虚拟操作的通用飞行模拟器，其特征在于背投系统(10)至少由三台大背投机组成，拼合成一个夹角为135-180度的折幕，并由支架(11)支撑。

3、根据权利要求1所述的一种基于虚拟操作的通用飞行模拟器，其特征在于通用概念座舱有底座(1)、左、右操纵台箱(2)、(3)、前仪表板箱(4)用于虚拟操作的左右操纵台液晶触摸屏(8)、用于虚拟操作的前仪表板液晶触摸屏(9)，所述的左右操纵台箱(2)、(3)分别包括平式操纵台箱体和立式操纵台箱体，平式和立式操纵台箱体分别安装了触摸屏(8)和(9)。

4、根据权利要求1所述的一种基于虚拟操作的通用飞行模拟器，其特征在于使用触摸方式操作的虚拟开关、旋钮和虚拟仪表安装在触摸屏(8)和触摸屏(9)上。

5、根据权利要求1所述的一种基于虚拟操作的通用飞行模拟器，其特征在于显示和解算中心是由逻辑和飞控计算服务器，虚拟仪表前主机，虚拟左、右操纵台主机和视景主机组成。

6、根据权利要求1所述的一种基于虚拟操作的通用飞行模拟器，其特征在于驾驶员乘坐的抖震座椅采用商用抖震座椅，安装在通用概念座舱的后部，将感受到飞机抖动时的力感输入到逻辑和飞控计算服务器。

7、根据权利要求1或4所述的一种基于虚拟操作的通用飞行模拟器，其特征在于虚拟开关、旋钮和虚拟仪表的数据和通用脚蹬(5)、驾驶杆(6)和油门杆(7)的数据，通过接入虚拟仪表前主机进行解算，将解算的结果通过网络接入视景主机，视景主机通过双显卡的三个视频输出口输入到三个背投机，进行飞行大地形的显示，虚拟开关、旋钮和虚拟仪表是用虚拟现实技术制作的软开关和仪表，使用触摸屏进行操纵，给控制模型提供飞机座舱的开关数据和接收解算模型的解算结果数据。

8、根据权利要求3所述的一种基于虚拟操作的通用飞行模拟器，其特征在于前仪表板箱(4)由支架、四个制动轮、前虚拟仪表显示用的触摸液晶屏组成。

9、根据权利要求1或4所述的一种基于虚拟操作的通用飞行模拟器，其特征在于虚拟开关、旋钮和虚拟仪表采用虚拟现实软件根据实际飞机型号的面板制作，以1∶1的比例显示在触摸屏上，显示虚拟开关、旋钮和虚拟仪表的计算机安装在左右操纵台箱(2)、(3)的箱体中，显示前面板虚拟仪表的主机安装在前仪表板箱(4)体中，通用座舱提供开关操作数据和杆舵油门的数据，从解算中心计算机回传的数据显示在座舱的虚拟仪表中，并配合视景的飞机位置进行坐标解算。

10、根据权利要求1所述的一种基于虚拟操作的通用飞行模拟器，其特征在于视景显示系统通过视景主机与显示和解算中心连接，脚蹬(5)，油门杆(7)，驾驶杆(6)，抖震座椅通过逻辑和飞控计算服务器与显示和解算中心连接。

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