CN112542070A - 基于高清头显的轻量型动感飞行模拟训练器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于高清头显的轻量型动感飞行模拟训练器，包括：模拟器飞行仿真计算机，该计算机运行飞行仿真软件；高清头戴式显示器模块；轻量型六自由度运动平台；操纵系统；Unreal视景系统，用于显示虚拟场景和虚拟座舱，该系统运行在视景计算机上，该计算机创建有共享内存区域；同步绘制多功能显示器的显示画面的方法为：模拟器视景计算机根据实装多功能显示器的图像生成逻辑，按照ARGB图像标准绘制多功能显示器的显示画面，然后将所述显示画面转码。本发明的训练器，Unreal视景系统通过共享内存技术实现Open GL技术开发的机载多功能显示软件嵌入Unreal座舱环境的方法，采用链接库回调机制完成操纵系统与仿真模拟器数据交互功能，使原有大型全功能模拟器小型化成为现实。

Description

基于高清头显的轻量型动感飞行模拟训练器
技术领域
本发明属于飞行模拟训练器技术领域，具体地说，涉及基于高清头显的轻量型动感飞行模拟训练器。
背景技术
飞行模拟是一种将真实世界信息和虚拟世界信息与飞行模拟器无缝集成的新技术，是令原本在现实飞行模拟器的一定时间空间范围内，体验到的外界巨大模拟信息的技术。
当前大型多功能模拟器存在部署复杂、场地占用大、保障困难、使用维护复杂以及很多特殊的训练科目无法很好的实施等问题，而且目前的大型模拟器价格昂贵。
目前小型训练器或者桌面级虚拟仿真训练系统，操作体验感差、无沉浸感，训练效果不理想。
因此，急需建设适合飞行员单人训练、编队训练、全天候使用的，新型专用飞行模拟器，可以采用当前最新的VR技术，搭建配套的训练环境，形成轻量型动感飞行模拟训练器。
发明内容
本发明针对现有大型多功能飞行模拟训练器存在部署复杂、场地占用大、保障困难等一系列问题，小型训练器操作体验感差、无沉浸感，训练效果不理想的技术问题，提出了一种基于高清头显的轻量型动感飞行模拟训练器，其具有大型训练器的优点，同时占用空间小，维护成本低。
为实现上述发明目的，本发明采用下述技术方案予以实现：
一种基于高清头显的轻量型动感飞行模拟训练器，包括：
模拟器飞行仿真计算机，该计算机运行飞行仿真软件，用于飞行仿真数据的解算；
高清头戴式显示器模块，用于显示Unreal视景系统，具有200°以上范围的人眼自然视场；
轻量型六自由度运动平台，其长度不大于2米，宽度不大于2米，高度不大于1米；
操纵系统，包括驾驶杆系统、方向舵系统、电动操纵载荷系统以及位置量测量模块，所述位置量测量模块用于对驾驶杆的左右及前后位置量、方向舵位置量进行测量，并发送至所述电动操纵载荷系统；
Unreal视景系统，用于显示输出大地形、环境特效、虚拟座舱、多功能显示器以及多功能显示器的显示画面，该系统运行在视景计算机上，创建有共享内存区域，其包括：
同步绘制多功能显示器的显示画面，以及绘制虚拟座舱、多功能显示器，并将所述显示画面嵌入至所述多功能显示器中；
同步绘制多功能显示器的显示画面的方法为：
模拟器视景计算机根据实装多功能显示器的图像生成逻辑，按照ARGB图像标准绘制多功能显示器的显示画面，然后将所述显示画面转码，包括：按照OpenGL图形绘制标准，将所述显示画面实时序列化为字节流数据，并将字节流数据存放入所述共享内存区域中；
Unreal视景系统从所述共享内存区域中实时读取字节流数据，并且按照ARGB图像标准把字节流数据转换为图像数据，解析为显示画面。
进一步的，Unreal视景系统采用渲染的方式将所述显示画面嵌入至所述多功能显示器图像中，包括：对所解析的显示画面创建Unreal视景系统中的材质文件，并且在Unreal视景系统的主循环中，对材质文件进行实时重绘，实现将显示画面嵌入到Unreal虚拟座舱中。
进一步的，所述模拟器飞行仿真计算机还包括采用链接库回调机制与所述操纵系统和Unreal视景系统进行数据交互。
进一步的，所述采用链接库回调机制包括回调触发步骤和回调响应步骤，其中：
回调触发步骤包括：由链接库内部的事件逻辑触发，调用数据接收端的函数接口，将数据消息通过所述函数接口传入至数据接收端中的缓存队列中；
回调响应模块包括：使用数据接收端的委托订阅机制，在回调函数中触发每种数据消息对应的委托事件，同时传递对应的数据参数至数据发送端，实现数据发送端与数据接收端的实时响应，其中，所述数据发送端为操纵系统，所述数据接收端为模拟器飞行仿真计算机，或者，所述数据发送端为Unreal视景系统，所述数据接收端为模拟器飞行仿真计算机，或者，所述数据发送端为模拟器飞行仿真计算机，所述数据接收端为Unreal视景系统。
进一步的，链接库内部的事件逻辑包括来自于操纵系统的操作指令、来自于Unreal视景系统的虚拟按键指令或者来自于模拟器飞行仿真计算机的飞行参数。
进一步的，所述模拟器视景计算机使用OpenGL图形库绘制显示画面，实现机载多功能显示软件，将图像数据以ARGB标准进行转码，存储在创建的共享内存中，所述Unreal视景系统使用DirectX图形库解析绘制显示画面。
进一步的，所述轻量型六自由度运动平台在三轴的俯仰、横滚、航向角度范围为-20°～+20°，角度变化速度在-30°～+30°范围内，三轴的加速度在-0.5g～+0.5 g范围内，在三轴方向的移动范围在-20厘米～+20厘米范围内，三轴的位移速度在-0.5m/s～+0.5m/s范围内，角加速度在-200°/s2～+200°/s2范围内。
进一步的，所述模拟器飞行仿真计算机还包括：
将飞机运动参数发送至自适应洗出算法；
自适应洗出算法利用刚体运动学由飞机质心线加速度计算出训练人员头部比力，并通过两个自适应高通滤波器和一个低通滤波器进行运动学反解，分别洗出轻量型六自由度运动平台的突发动感信息以及纵向和侧向的持续动感信息；
洗出算法输出的动感信息和理论位姿信息进行叠加，得到位姿信息，将所述位姿信息通过坐标转换计算出电动缸的位置和速度，并通过执行控制单元转换为伺服驱动器可识别的脉冲信号，进而控制电动缸的伸缩运动，并带动所述轻量型六自由度运动平台随动。
进一步的，所述理论位姿信息由特效仿真模块输出，所述模拟器飞行仿真计算机与自适应洗出算法之间通过UDP网络通信。
进一步的，所述模拟器飞行仿真计算机还包括向所述电动操纵载荷系统发送飞行状态指令，所述操纵负荷系统根据飞行状态指令计算生成2个通道的伺服电机的控制指令和控制数据，并通过RTEX总线驱动伺服电机运动，所述伺服电机用于驱动驾驶杆动作，同时读取伺服电机的运行状态；所述2个通道的伺服电机的位置和状态信息通过以太网反馈到所述模拟器飞行仿真计算机，由所述模拟器飞行仿真计算机更新飞行状态。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明的基于高清头显的轻量型动感飞行模拟训练器，Unreal视景系统通过共享内存技术实现OpenGL技术开发的机载多功能显示软件嵌入Unreal座舱环境的方法，采用链接库回调机制完成操纵系统与仿真模拟器数据交互功能，使原有大型全功能模拟器小型化成为现实，无需建设实物座舱和大型视景设备系统，克服实装飞机和大型多功能模拟器维护的缺陷、科目训练的缺陷。
结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1 是本发明提出的基于高清头显的轻量型动感飞行模拟训练器的一种实施例原理图；
图2是Unreal视景系统的框架设计示意图；
图3是实施例一中Unreal视景系统的示意图；
图4是实施例一中轻量型六自由度运动平台的工作原理示意图；
图5是实施例一中轻量型六自由度运动平台的工作原理示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖”、“横”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
实施例一
本实施例提出了一种基于高清头显的轻量型动感飞行模拟训练器，如图1所示，包括：
模拟器飞行仿真计算机，该计算机运行飞行仿真软件，用于飞行仿真数据的解算；
高清头戴式显示器模块，用于显示Unreal视景系统输出的画面，具有200°以上范围的人眼自然视场；
轻量型六自由度运动平台，其长度不大于2米，宽度不大于2米，高度不大于1米；
操纵系统，包括驾驶杆系统、方向舵系统、电动操纵载荷系统以及位置量测量模块，位置量测量模块用于对驾驶杆的左右及前后位置量、方向舵位置量进行测量，并发送至电动操纵载荷系统；
如图2所示，Unreal视景系统，用于显示输出大地形、环境特效、虚拟座舱、多功能显示器以及多功能显示器的显示画面，该系统运行在视景计算机上，创建有共享内存区域，其包括：
同步绘制多功能显示器的显示画面，以及绘制虚拟座舱、多功能显示器，并将显示画面嵌入至多功能显示器中；
因为多功能显示器中的图像绘制算法涉及大量的涉密内容，因此该模块采用共享内存技术，实现多功能显示器中的图形显示逻辑与图形绘制逻辑的完全分离。
同步绘制多功能显示器的显示画面的方法为：
模拟器视景计算机根据实装多功能显示器的图像生成逻辑，按照ARGB图像标准绘制多功能显示器的显示画面，然后将显示画面转码，包括：按照OpenGL图形绘制标准，将显示画面实时序列化为字节流数据，并将字节流数据存放入共享内存区域中；
Unreal视景系统从共享内存区域中实时读取字节流数据，并且按照ARGB图像标准把字节流数据转换为图像数据，解析为显示画面。本方案区别于传统的仅简单的绘制多功能显示器显示的部分典型画面，在Unreal视景中传统方法绘制的多功能显示器的显示画面相比实装缺少太多，无法与实装完全一致。本方案采用共享内存技术以及采用将图片数据转换为模拟器视景计算机和Unreal视景系统均支持的ARGB图像标准，实现了Unreal视景系统对多功能显示器画面进行实时绘制，也即，如图3所示，本方案中的Unreal视景系统中的多功能显示器可以实时动态显示画面，并且实现机载多功能显示软件完美嵌入到Unreal视景系统中，确保了显示与实装完全一致，既可以得到大型动感模拟器的生理体验，沉浸感又超越大型模拟器，同时具有部署方便、针对性强、沉浸感强、使用简单，价格低，可灵活实现多人协同技战术对抗训练，可以满足单兵训练、编队训练，重点实现甲板起飞降落、复杂条件起降、空中加油、编队飞行、自由空战等当前市场研制的大型多功能模拟器、D级模拟器等解决不好的模拟训练科目，因此本发明及相关技术的提出可以实现正在意义上的轻量型多功能模拟系统。
本实施例的飞行模拟训练器将虚拟现实与实物操作相结合，采用高清头戴式显示器模块，提供200度以上范围的人眼自然视场，延时小于15ms，解决一般头盔显示器分辨率不高、画面质感和距离感不强、刷新更不上等问题。同时可以解决大型模拟训练器设置大显示屏占用空间大、成本高、维护费高等一系列问题。操纵系统中设置实物的驾驶杆系统、方向舵系统以及位置量测量模块等，可以训练实物操作，提升训练效果。
方向舵位置量可采用3个13位绝对光电编码器完成测量，该器件直接与位于现场的电动操纵载荷计算机连接。驾驶杆上的HOTAS量也由工业现场总线进行采集处理。
Unreal视景系统和模拟器视景计算机绘制图像采用的图像库不同，模拟器视景计算机使用OpenGL图形库实现机载多功能显示软件，Unreal视景系统使用的DirectX图形库，本方案中通过使用ARGB作为统一图形绘制以及解析标准， Unreal视景系统通过共享内存技术实现OpenGL技术开发的机载多功能显示软件嵌入Unreal座舱环境的方法, 实现DirectX图形库和OpenGL图形库综合显示。
此外，采用链接库回调机制完成操纵系统与仿真模拟器数据交互功能，使原有大型全功能模拟器小型化成为现实，无需建设实物座舱和大型视景设备系统，克服实装飞机和大型多功能模拟器维护的缺陷、科目训练的缺陷。
Unreal视景系统采用渲染的方式将显示画面嵌入至多功能显示器图像中，包括：对所解析的显示画面创建Unreal视景系统中的材质文件，并且在Unreal视景系统的主循环中，对材质文件进行实时重绘，实现将显示画面嵌入到Unreal虚拟座舱中。
对于一些非常重要的数据，如训练者的操作指令，关系到飞行安全，需要提高数据传输的可靠性，确保模拟器飞行仿真计算机收到指令并且执行。本方案中的模拟器飞行仿真计算机还包括采用链接库回调机制与操纵系统和Unreal视景系统进行数据交互。
链接库回调机制对于数据传输可靠，且数据接收端在接收到数据之后及时响应，确保数据及时传送。
作为一个优选的实施例，采用链接库回调机制包括回调触发步骤和回调响应步骤，其中：
回调触发步骤包括：由链接库内部的事件逻辑触发，调用数据接收端的函数接口，将数据消息通过函数接口传入至数据接收端中的缓存队列中；通过利用C++编程语言的多态和继承特性，实现通过一个回调函数接口，传递所有的数据消息。
回调响应模块包括：使用数据接收端的委托订阅机制，在回调函数中触发每种数据消息对应的委托事件，同时传递对应的数据参数至数据发送端，实现数据发送端与数据接收端的实时响应。
其中，数据发送端可以为操纵系统，数据接收端为模拟器飞行仿真计算机，操纵系统将其采集的用户的操纵指令，通过回调机制发送给模拟器飞行仿真计算机，由模拟器飞行仿真计算机执行相应的飞行指令。
数据发送端还可以为Unreal视景系统，数据接收端为模拟器飞行仿真计算机，用户可以通过Unreal视景系统输入，如通过Unreal视景系统的鼠标点击虚拟按键，以选择不同的飞行模式等，并通过回调机制发送给模拟器飞行仿真计算机，然后由模拟器飞行仿真计算机执行相应的模式。
此外，数据发送端还可以为模拟器飞行仿真计算机，数据接收端为Unreal视景系统。模拟器飞行仿真计算机将解析的飞行参数通过回调机制发送给Unreal视景系统进行显示。
回调机制由链接库内部的事件逻辑触发，本实施例中触发链接库内部的事件逻辑包括来自于操纵系统的操作指令、来自于Unreal视景系统的虚拟按键指令或者来自于模拟器飞行仿真计算机的飞行参数等。
由于本实施例中轻量型六自由度运动平台的尺寸非常小，平台长度小于2米，宽度小于2米，高度小于1米，为了在当前小尺寸的平台中能够同时实现训练者真实的飞行生理体验，经过计算，轻量型六自由度运动平台在三轴的俯仰、横滚、航向角度范围为-20°～+20°，角度变化速度在-30°～+30°范围内，三轴的加速度在-0.5g～+0.5 g范围内，在三轴方向的移动范围在-20厘米～+20厘米范围内，三轴的位移速度在-0.5m/s～+0.5m/s范围内，角加速度在-200°/s2～+200°/s2范围内。本方案能够逼真的模拟飞机六个自由度的动感变化。
驾驶杆系统由焊接箱体、叉型接头、前端摇臂、前腔连杆、后腔连杆、齿轮固定机构、电机连杆机构和减速器电机模块组成，驾驶杆操纵还包括人感系统，该系统通过力传感器、位移传感器、速度传感器、伺服电机、伺服放大器、工业控制计算机、控制软件以及有关的连接电缆组成；方向舵组件主要由底座、立柱管、壳体、小上盖、脚蹬机构、脚踏机构、脚蹬皮带套、脚蹬支座、脚蹬载荷机构、脚蹬动作器、编码器机构、脚踏板等组成，并且脚蹬的长度可根据飞行员的身高调整；油门杆包括油门手柄、行程控制、支架设计，能够方便的安装在运动平台结构之上。
轻量型六自由度运动平台及操纵系统整体设计部署，形成通用的动感飞行模拟驾驶设备，利用VR高清头盔搭载Unreal视景系统可以满足直升机、固定翼飞机各机型的飞行训练和任务训练。
在六台电动缸的驱动下，上平台实现纵移、横移、升降、横摇、纵摇、航向六个自由度的运动，模拟飞行器的运动。
模拟器飞行仿真计算机还包括：
将飞机运动参数（位置、姿态角、线速度）发送至自适应洗出算法；
如图4所示，自适应洗出算法利用刚体运动学由飞机质心线加速度计算出训练人员头部比力，并通过两个自适应高通滤波器和一个低通滤波器进行运动学反解，分别洗出轻量型六自由度运动平台的突发动感信息以及纵向和侧向的持续动感信息；
洗出算法输出的动感信息和理论位姿信息进行叠加，得到位姿信息，将位姿信息通过坐标转换计算出电动缸的位置和速度，并通过执行控制单元转换为伺服驱动器可识别的脉冲信号，进而控制电动缸的伸缩运动，并带动轻量型六自由度运动平台随动。
理论位姿信息由特效仿真模块输出，模拟器飞行仿真计算机与自适应洗出算法之间可通过UDP网络通信。
模拟器飞行仿真计算机还包括向电动操纵载荷系统发送飞行状态指令，如图5所示，操纵负荷系统根据飞行状态指令计算生成2个通道的伺服电机的控制指令和控制数据，并通过RTEX总线驱动伺服电机运动，伺服电机用于驱动驾驶杆动作，同时读取伺服电机的运行状态；2个通道的伺服电机的位置和状态信息通过以太网反馈到模拟器飞行仿真计算机，由模拟器飞行仿真计算机更新飞行状态。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于高清头显的轻量型动感飞行模拟训练器，其特征在于，包括：
模拟器飞行仿真计算机，该计算机运行飞行仿真软件，用于飞行仿真数据的解算；
高清头戴式显示器模块，用于显示Unreal视景系统输出的画面，具有200°以上范围的人眼自然视场；
轻量型六自由度运动平台，其长度不大于2米，宽度不大于2米，高度不大于1米；
操纵系统，包括驾驶杆系统、方向舵系统、电动操纵载荷系统以及位置量测量模块，所述位置量测量模块用于对驾驶杆的左右及前后位置量、方向舵位置量进行测量，并发送至所述电动操纵载荷系统；
Unreal视景系统，用于显示输出大地形、环境特效、虚拟座舱、多功能显示器以及多功能显示器的显示画面，该系统运行在视景计算机上，创建有共享内存区域，其包括：
同步绘制多功能显示器的显示画面，以及绘制虚拟座舱、多功能显示器，并将所述显示画面嵌入至所述多功能显示器中；
同步绘制多功能显示器的显示画面的方法为：
模拟器视景计算机根据实装多功能显示器的图像生成逻辑，按照ARGB图像标准绘制多功能显示器的显示画面，然后将所述显示画面转码，包括：按照OpenGL图形绘制标准，将所述显示画面实时序列化为字节流数据，并将字节流数据存放入所述共享内存区域中；
Unreal视景系统从所述共享内存区域中实时读取字节流数据，并且按照ARGB图像标准把字节流数据转换为图像数据，解析为显示画面。
2.根据权利要求1所述的轻量型动感飞行模拟训练器，其特征在于，Unreal视景系统采用渲染的方式将所述显示画面嵌入至所述多功能显示器图像中，包括：对所解析的显示画面创建Unreal视景系统中的材质文件，并且在Unreal视景系统的主循环中，对材质文件进行实时重绘，实现将显示画面嵌入到Unreal虚拟座舱中。
3.根据权利要求1所述的轻量型动感飞行模拟训练器，其特征在于，所述模拟器飞行仿真计算机还包括采用链接库回调机制与所述操纵系统和Unreal视景系统进行数据交互。
4.根据权利要求3所述的轻量型动感飞行模拟训练器，其特征在于，所述采用链接库回调机制包括回调触发步骤和回调响应步骤，其中：
回调触发步骤包括：由链接库内部的事件逻辑触发，调用数据接收端的函数接口，将数据消息通过所述函数接口传入至数据接收端中的缓存队列中；
回调响应模块包括：使用数据接收端的委托订阅机制，在回调函数中触发每种数据消息对应的委托事件，同时传递对应的数据参数至数据发送端，实现数据发送端与数据接收端的实时响应，其中，所述数据发送端为操纵系统，所述数据接收端为模拟器飞行仿真计算机，或者，所述数据发送端为Unreal视景系统，所述数据接收端为模拟器飞行仿真计算机，或者，所述数据发送端为模拟器飞行仿真计算机，所述数据接收端为Unreal视景系统。
5.根据权利要求4所述的轻量型动感飞行模拟训练器，其特征在于，链接库内部的事件逻辑包括来自于操纵系统的操作指令、来自于Unreal视景系统的虚拟按键指令或者来自于模拟器飞行仿真计算机的飞行参数。
6.根据权利要求1所述的轻量型动感飞行模拟训练器，其特征在于，所述模拟器视景计算机使用OpenGL图形库绘制显示画面，实现机载多功能显示软件，将图像数据以ARGB标准进行转码，存储在创建的共享内存中，所述Unreal视景系统使用DirectX图形库解析绘制显示画面。
7.根据权利要求1-6任一项所述的轻量型动感飞行模拟训练器，其特征在于，所述轻量型六自由度运动平台在三轴的俯仰、横滚、航向角度范围为-20°～+20°，角度变化速度在-30°～+30°范围内，三轴的加速度在-0.5g～+0.5 g范围内，在三轴方向的移动范围在-20厘米～+20厘米范围内，三轴的位移速度在-0.5m/s～+0.5m/s范围内，角加速度在-200°/s2～+200°/s2范围内。
8.根据权利要求1-6任一项所述的轻量型动感飞行模拟训练器，其特征在于，所述模拟器飞行仿真计算机还包括：
将飞机运动参数发送至自适应洗出算法；
自适应洗出算法利用刚体运动学由飞机质心线加速度计算出训练人员头部比力，并通过两个自适应高通滤波器和一个低通滤波器进行运动学反解，分别洗出轻量型六自由度运动平台的突发动感信息以及纵向和侧向的持续动感信息；
洗出算法输出的动感信息和理论位姿信息进行叠加，得到位姿信息，将所述位姿信息通过坐标转换计算出电动缸的位置和速度，并通过执行控制单元转换为伺服驱动器可识别的脉冲信号，进而控制电动缸的伸缩运动，并带动所述轻量型六自由度运动平台随动。
9.根据权利要求8所述的轻量型动感飞行模拟训练器，其特征在于，所述理论位姿信息由特效仿真模块输出，所述模拟器飞行仿真计算机与自适应洗出算法之间通过UDP网络通信。
10.根据权利要求1-6任一项所述的轻量型动感飞行模拟训练器，其特征在于，所述模拟器飞行仿真计算机还包括向所述电动操纵载荷系统发送飞行状态指令，所述操纵负荷系统根据飞行状态指令计算生成2个通道的伺服电机的控制指令和控制数据，并通过RTEX总线驱动伺服电机运动，所述伺服电机用于驱动驾驶杆动作，同时读取伺服电机的运行状态；所述2个通道的伺服电机的位置和状态信息通过以太网反馈到所述模拟器飞行仿真计算机，由所述模拟器飞行仿真计算机更新飞行状态。
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