CN110784299B - 一种低延迟多通道视景与飞行仿真同步方法 - Google Patents

一种低延迟多通道视景与飞行仿真同步方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种低延迟多通道视景与飞行仿真同步方法，由飞行仿真计算部分、数据中转部分以及多通道视景处理部分实现。其中飞行仿真计算部分在每一运行帧周期内，计算飞行数据发送到数据中转部分，并等待数据中转部分的同步信号进入下一帧计算。数据中转部使用时间对本帧和上一帧的飞行数据进行插值，以协调频率，向多通道视景处理部分的给每个通道发送相同的飞行数据；多通道视景处理部分使用硬件进行多通道视景程序帧同步，并使用时间戳及线性插值保证数据同步。本发明以非常小的延迟，实现了飞行仿真程序与多通道视景程序的同步，有效解决了主仿真帧周期不稳定和网络抖动等原因造成的视景画面卡顿问题。

Description

一种低延迟多通道视景与飞行仿真同步方法
技术领域
本发明属于飞行仿真、计算机仿真领域，涉及一种低延迟多通道视景与飞行仿真同步方法。
背景技术
飞行模拟设备一般采用分布式仿真的方法，飞行仿真计算机与视景计算机通过网络连接。为了满足训练飞行员的要求，视景系统与飞行仿真系统必须拥有低延迟，从飞行员操作到视景系统响应，延迟必须小于150ms。由于飞行仿真系统和视景图像均有一定的延迟，如果数据同步速度过慢，就会导致视景系统延迟过大。
飞行仿真系统的运行帧率一般并无稳定，加上网络传输抖动，最终导致飞行仿真数据传输周期会有1～2ms的抖动。视景系统的帧周期速率一般为显示器刷新频率，由于采用硬件定时，视景系统帧周期一般比较稳定。但当绘制场景变化较大时，图像生成时间可能会变长，导致某几帧周期不稳。如果直接将飞行仿真数据发送给视景系统，会由于帧周期不匹配导致部分帧数据丢失，造成画面卡顿。另一方面吗，当视景系统帧某几帧周期跳动时，会造成画面跳动。
多通道视景系统一般拥有三个或以上视景通道，多个通道接收的数据如果不同步，会导致视景画面撕裂。
因此，需要一种低延迟的多通道视景与飞行仿真数据同步方法，保证多通道视景可以同步并且稳定的接收到飞行仿真数据，满足飞行模拟训练设备的视景系统需求。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种低延迟多通道视景与飞行仿真同步方法，主要用于飞行模拟设备，能够保证飞行仿真与多通道视景的低延迟数据传输，采用高精度多速率数据同步的方式，以低于4ms的数据处理延迟，将飞行仿真数据同步且稳定的传输至视景计算机，很好的解决了飞行模拟设备视景系统由于数据不同步导致的卡顿、跳动和撕裂问题，并将之用于飞行模拟设备当中，取得了很好的效果。
本发明低延迟多通道视景与飞行仿真同步方法，由飞行仿真计算部分、数据中转部分以及多通道视景处理部分实现；具体方法为：
飞行仿真计算部分中的飞行仿真程序每一运行帧周期内，先计算飞行参数，然后将飞行参数数据发送到数据中转部分，并等待数据中转部分向飞行仿真计算机发送的同步信号。当飞行仿真计算机接收到同步信号后，飞行仿真计算机中的飞行仿真程序进行下一帧，计算飞行参数。
数据中转部分的运行流程为：
(1)初始化计时器，记录帧开始时间。
(2)在帧开始时发送同步信号到飞行仿真计算部分。
(3)等待接收飞行参数。
(4)在数据中转部分内部子循环中处理飞行仿真数据，计算出各个时间点的飞行仿真数据；并逐个发送到多通道视景处理部分的各个视景通道中。
(5)主循环计时器记录当前帧结束运行时间。
(6)使用主循环定时器在计时后等待一定时间后，返回步骤(1)，等待接收飞行仿真计算机中的飞行仿真程序下一帧计算的飞行参数。
多通道视景部分中各个视景通道在收到飞行仿真数据后，进行同步绘制。
本法明的优点在于：
1、本发明低延迟多通道视景与飞行仿真同步方法，以非常小的延迟，实现了飞行仿真程序与多通道视景程序的同步，有效解决了主仿真帧周期不稳定和网络抖动等原因造成的视景画面卡顿问题；
2、本发明低延迟多通道视景与飞行仿真同步方法，很好的解决了飞行仿真与视景程序运行频率的协调问题，减少了因此带来的延迟；
3、本发明低延迟多通道视景与飞行仿真同步方法，使用TCP/IP网络通讯，实现了不同视景通道之间的同步。
附图说明
图1本发明低延迟多通道视景与飞行仿真同步方法流程图；
图2本发明低延迟多通道视景与飞行仿真同步方法中帧速率不同的协调方法示意图；
图3本发明低延迟多通道视景与飞行仿真同步方法中最大延迟计算示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明低延迟多通道视景与飞行仿真同步方法，由飞行仿真计算部分、数据中转部分以及多通道视景处理部分三部分完成；各部分之间采用千兆以太网连接，网络抖动<1ms。
本发明低延迟多通道视景与飞行仿真同步方法，具体方法如下：
A、所述飞行仿真计算部分用来进行飞行仿真计算，由飞行仿真计算机实现。在进行某机型的飞行模拟器研发时，飞行仿真计算机采用Windows系统，运行于高性能服务器，频率60Hz，帧周期抖动小于2ms。
飞行仿真计算机完成飞机的飞行参数计算，包括飞机经纬度、飞机速度、高度、姿态角等信息。在飞行仿真计算机中的飞行仿真程序每一运行帧周期内，飞行仿真计算机先计算飞行参数，然后将飞行参数数据通过以太网发送到数据中转部分，并等待数据中转部分向飞行仿真计算机发送的同步信号。当飞行仿真计算机接收到同步信号后，飞行仿真计算机中的飞行仿真程序进行下一帧，计算飞行参数。
B、所述数据中转部分由数据中转计算机实现，运行于Dell R7610服务器。
由于飞行仿真计算中的飞行仿真程序与多通道视景部分中的视景程序可能会拥有不同的运行频率，因此首先需要设置数据中转计算机中数据中转程序的运行频率，来对飞行仿真程序与视景程序频率进行协调，从而减少或者消除由于帧周期不匹配带来的视景系统卡顿和异常。飞行仿真程序与视景程序频率的协调工作，具体方法为：
根据飞行仿真程序频率和视景程序频率确定协调频率，如果两种频率的最小公倍数满足数据中转程序运行要求(一般取≤300HZ)，则使用最小公倍数的整数倍为协调频率，否则选取飞行仿真程序频率的整数倍频率。
如图2所示，如视景帧周期为Tp，飞行仿真帧周期为Ts，如果频率存在最小公倍数，则存在正整数Ks和Kp，使得协调周期Tm＝Ts/Ks＝Tp/Kp，此时，由于频率协调产生的延迟Tmd＝0。如果不存在最小公倍数，由于最大延迟Tmd与协调周期Tm正相关，因此需取尽可能高的协调频率，使得协调周期Tm尽量小，此时由于协调产生的延迟Tmd<Tm/2。
在本发明具体实施方式中，飞行仿真频率为60Hz，视景刷新频率为60Hz，取300Hz为协调频率。
本发明中数据中转部分的运行流程为：
1、初始化主循环计时器，记录帧开始时间t0；
2、在帧开始时发送同步信号到飞行仿真计算机；
3、等待接收飞行参数，为了保证数据在网络传输发生抖动时，仍能可靠地接收到数据，设置1～3ms的接收等待时间裕度。若在接收等待时间内未收到数据，则视为数据接收超时，则将异常信息输出到数据中转计算机，并显示于数据中转计算机屏幕上。
4、处理飞行仿真数据；
当数据中转计算机接收到飞行仿真数据后，由数据中转程序发送到数据中转部分内部子循环中，在子循环中处理飞行仿真数据，并逐个发送到多通道视景处理部分的各个视景通道中。多通道视景处理部分具体处理方式如下：
上述子循环频率设置为协调频率300Hz，数据中转每接收一次飞行参数，需要发送5次数据到视景计算机，
a、使用接收到的当前帧和上一帧的飞行数据，按时间将这两帧均分成Ks个时间点，令分别为1、2、3、…、Ks，然后采用线性插值的方法，计算出各个时间点的经纬度、飞机速度、高度、姿态角等飞行仿真数据。本发明具体实施方式中，由于上述子循环频率设置为协调频率300Hz，数据中转每接收一次飞行参数，需要发送5次数据到视景计算机，因此ks＝5，则5个时间点分别为Tm0＝0,Tm1＝1/300，Tm2＝2/300，Tm3＝3/300，Tm4＝4/300、Tm5＝5/300。
b、将步骤a插值计算出的每组飞行数据，分发到多通道视景处理部分的每个视景通道；
c、在子循环中，使用子循环定时器记录运行时间，确保子循环频率为300Hz；
d、判断子循环是否将数据按设置的频率发送完毕，若全部发送完毕，则进入步骤4；否则回到a，在子循环中进行下一次的数据处理和发送；
5、主循环计时器记录当前帧结束运行时间t1，当前帧运行的时间即为tr＝t1-t0。
6、使用主循环定时器在计时后等待ts秒后，返回步骤1，等待接收飞行仿真计算机中的飞行仿真程序下一帧计算的飞行参数。由于飞行仿真运行频率设置为60Hz，因此需要等待的时间ts即为1/60-tr秒，则本帧的运行时间即为ts+tr＝1/60秒。
C、所述多通道视景部分由视景计算机实现，运行于Dell图形工作站，图像刷新频率60Hz。
由于数据中转计算机以300Hz的频率将飞行仿真发送到各个视景通道，因此多通道视景计算机在一个视景绘制周期中，可以均匀地从数据中转程序收到5帧经过插值计算的飞行仿真数据。各个视景通道在收到飞行仿真数据后，添加接收到数据的时刻作为时间戳，并缓存最近3帧收到的数据。
保证各个通道的数据同步后，各个通道还需要同步绘制视景画面，才能保证画面不出现撕裂。各个视景通道之间使用Nvidia Sync II同步卡进行垂直同步，利用NvidaQuadro P5000专业显卡，来实现多个通道同时绘制。
各个视景通道接受到的飞行数据时间不同，但抖动不超过2ms，小于视景运行周期1/60s。而数据中转计算机以300Hz的频率将平滑的飞行参数发送过来，因此各个通道同一时间接收到的数据时间差很少超过1/300s，从而保证不同通道使用数据的同步性。在最不利的情况下，各个通道接收的数据可能会出现不同步。为了保证画面在这种情况下依然足够平滑，在进行绘制前，利用缓存的飞数据，使用时间戳进行线性插值估算出当前时刻的飞行参数，然后再进行绘制。
最后对整个仿真过程进行分析，以确定选取协调频率为300Hz时，飞行仿真程序与视景程序同步时的最大延迟。帧误差Td为飞行仿真开始时间Ts0到视景绘制结束时间Tp1，如图3所示，具体过程为：
a、由于飞行仿真频率位60Hz，飞行仿真计算延迟为Ts_end-Ts_beg<1/60s；
b、飞行仿真数据传输到数据中转程序的时间延迟为Tm_beg-Ts_end<1ms；
c、数据中转程序处理延迟包括频率协调延迟和数据处理延迟两部分，由于飞行仿真与视景程序刷新频率均为60Hz，因此协调延迟为0。数据中转程序结束时间记为Tm1，则数据中转程序延迟为Tm_end-Tm_beg<Tm＝1/300s；
d、数据中转到视景程序的传输延迟为Tp_beg-Tm_end<1ms；
e、视景程序绘制延迟为Tp_end-Tp_beg<1/60s；
f、总延迟Td<1/60+0.001+1/300+0.001+1/60<38.667(ms)
由此可见，本发明飞行仿真程序与视景程序同步时的最大延迟小于150ms，满足模拟机使用要求。

Claims (10)

1.一种低延迟多通道视景与飞行仿真同步方法，其特征在于：由飞行仿真计算部分、数据中转部分以及多通道视景处理部分实现；具体方法为：
飞行仿真计算部分由飞行仿真计算机实现；飞行仿真计算部分中的飞行仿真程序每一运行帧周期内，先计算飞行参数，然后将飞行参数数据发送到数据中转部分，并等待数据中转部分向飞行仿真计算机发送的同步信号；当飞行仿真计算机接收到同步信号后，飞行仿真计算机中的飞行仿真程序进行下一帧，计算飞行参数；
数据中转部分的运行流程为：
(1)初始化计时器，记录帧开始时间；
(2)在帧开始时发送同步信号到飞行仿真计算部分；
(3)等待接收飞行参数；
(4)在数据中转部分内部子循环中处理飞行仿真数据，计算出各个时间点的飞行仿真数据；并逐个发送到多通道视景处理部分的各个视景通道中；
(5)主循环计时器记录当前帧结束运行时间；
(6)使用主循环计时器在计时后等待一定时间后，返回步骤(1)，等待接收飞行仿真计算机中的飞行仿真程序下一帧计算的飞行参数；
多通道视景部分中各个视景通道在收到飞行仿真数据后，进行同步绘制。
2.如权利要求1所述一种低延迟多通道视景与飞行仿真同步方法，其特征在于：数据中转部分中，设置接收等待时间裕度；若在接收等待时间内未收到数据，则视为数据接收超时，则将异常信息输出到数据中转计算机，并显示于数据中转计算机屏幕上。
3.如权利要求1所述一种低延迟多通道视景与飞行仿真同步方法，其特征在于：所述在数据中转部分内部子循环中处理飞行仿真数据方式如下：
子循环频率设置为协调频率300Hz，数据中转每接收一次飞行参数，需要发送5次数据到视景计算机，处理方式如下：
a、使用接收到的当前帧和上一帧的飞行仿真数据，按时间将两帧均分成5个时间点分别为tm0=0,tm1=1/300，tm2=2/300，tm3=3/300，tm4=4/300、tm5=5/300，然后采用线性插值的方法，计算出各个时间点的飞行仿真数据；
b、将步骤a插值计算出的每组飞行仿真数据，分发到多通道视景处理部分的每个视景通道；
c、使用子循环定时器记录运行时间，确保子循环频率为300Hz；
判断子循环是否将数据按设置的频率发送完毕，若全部发送完毕，则进
入步骤(4)；否则回到a，在子循环中进行下一次的数据处理和发送。
4.如权利要求1所述一种低延迟多通道视景与飞行仿真同步方法，其特征在于：在仿真同步开始前，设置数据中转部分的数据中转程序的运行频率，来对飞行仿真程序与视景程序频率进行协调，具体方法为：
根据飞行仿真程序频率和视景程序频率确定协调频率，若两种频率的最小公倍数满足数据中转程序运行要求，则使用最小公倍数的整数倍为协调频率，否则选取飞行仿真程序频率的整数倍频率。
5.如权利要求1所述一种低延迟多通道视景与飞行仿真同步方法，其特征在于：多通道视景部分中各个视景通道在收到飞行仿真数据后，添加接收到数据的时刻作为时间戳，并缓存最近3帧收到的数据；在进行绘制前，利用缓存的飞行仿真数据，使用时间戳进行线性插值估算出当前时刻的飞行参数，然后再进行绘制。
6.如权利要求1所述一种低延迟多通道视景与飞行仿真同步方法，其特征在于：飞行仿真计算部分、数据中转部分以及多通道视景处理部分之间采用千兆以太网连接，网络抖动<1ms。
7.如权利要求1所述一种低延迟多通道视景与飞行仿真同步方法，其特征在于：飞行仿真计算机采用Windows系统，运行于高性能服务器，频率60Hz，帧周期抖动小于2ms。
8.如权利要求1所述一种低延迟多通道视景与飞行仿真同步方法，其特征在于：数据中转部分由数据中转计算机实现，运行于Dell R7610服务器。
9.如权利要求1所述一种低延迟多通道视景与飞行仿真同步方法，其特征在于：多通道视景部分由视景计算机实现，运行于Dell图形工作站，图像刷新频率60Hz。
10.如权利要求1所述一种低延迟多通道视景与飞行仿真同步方法，其特征在于：多通道视景部分中各个视景通道之间使用Nvidia Sync II 同步卡进行垂直同步，利用NvidaQuadro P5000 专业显卡，来实现多个通道同时绘制。
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