CN113035010A - 一种虚实场景结合视景系统及飞行模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种虚实场景结合视景系统及飞行模拟装置，数据处理单元根据飞行员的操纵量、头部姿态数据以及设定的偏移值阈值生成虚拟场景，可以最大限度的模拟飞行训练过程中的虚拟场景。视景生成单元根据虚拟场景以及真实视景生成虚实结合的视景，通过将虚拟视景与真实视景结合，能够显著提高飞行模拟的真实性。通过在训练室内设置仿真的驾驶舱，飞行员在训练室能够体会到操纵真实飞机的感受，且驾驶舱内的部件均会出现在虚实结合的画面中，提高了模拟的仿真性。

Description

一种虚实场景结合视景系统及飞行模拟装置

技术领域

本发明涉及飞行模拟显示领域，特别是涉及一种虚实场景结合视景系统及飞行模拟装置。

背景技术

飞行模拟器显示系统为达到满足专业飞行员训练要求，座舱内观察外界场景需要很大的可视范围，其垂直方向需要45度到正负90度，水平需要200 度到360度。传统方案是用直径6米以上的球幕投影，或者拼接屏技术。满足这样的训练要求，系统往往需要3台以上，有时多达10～15台甚至更多的高清投影机，拼接屏则达到数十块之多，并配以同样数量的计算机。成本高重量大不说，而且机械安装和光路设计复杂，造成了在许多场合不得不牺牲性能以适应实际的预算和空间限制。VR(Virtual Reality，虚拟现实)眼镜(也叫VR 头盔)的显示方式，与传统的屏幕或投影显示方式相比，VR眼镜技术具有轻便、立体、3D沉浸感强的明显优势，加上头部跟踪技术，能随着佩戴者头部转动实时呈现虚拟场景的变化，使其显示能力进一步增强。目前市场上成熟产品较多，其中HTC VIVE系列产品，双目可视范围达到110度，分辨率达2560*1440，在仿真应用中使用1台计算机生成画面与头位信号结合，能实现全方位无死角显示。

但是，这种方式存在一个根本性的困难，即无法操纵座舱内的设备。在专业飞行模拟器中，必须配置1:1实物座舱，所有部件设备的外观、质感、力感和空间位置必须与真实飞机一致。在训练中飞行员主要注意力观察座舱外的虚拟场景，同时要分配一定的精力照顾到舱内，根据舱外和仪表指示及时做出相应的设备操作反应，通过反复训练建立正确的条件反射闭环。由于技术结构限制，当人戴上VR眼镜之后，只能看到VR眼镜中的虚拟画面，无法正常看到周围真实世界的任何内容，因此无法正常观察座舱仪表，由于看不到设备的位置和自身肢体，也无法正常操作相应设备。另有一类AR(Augmented Reality，增强现实)产品如微软的hololens系列，采取了透射式屏幕，佩戴者可以在看到显示画面的同时也看到真实世界，但是二者是简单叠加。这样的方式尽管一定程度上达到了同时看到虚拟画面和真实环境的目的，但是真实环境中往往有多余物，如室内布设等，这些对训练环境真实性影响很大；另一方面，虚拟场景与真实场景有些是冲突的，比如虚拟的跑道灯部分会与飞机座舱的仪表板重叠，无法体现实际飞行中座舱实体部分对外界视野的遮挡效果。基于以上缺陷，目前采用VR眼镜交互方式与实际操纵飞机时差异太大，只能用于固定脚本的飞行过程体验，或非专业的游戏，而无法在专业的飞行模拟领域应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种虚实场景结合视景系统及飞行模拟装置，用于提高模拟训练的模拟效果。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种虚实场景结合视景系统，用于飞行员的飞行模拟训练，包括：

数据采集单元，用于采集所述飞行员的操纵量以及头部姿态数据；

数据处理单元，与所述数据采集单元连接，用于根据所述操纵量、所述头部姿态数据以及设定的偏移值阈值生成左眼虚拟场景，根据所述操纵量、所述头部姿态数据以及设定的偏移值阈值生成右眼虚拟场景；

真实视景采集单元，用于采集所述飞行员的左眼真实视景以及右眼真实视景；

视景生成单元，分别与所述数据处理单元以及所述真实视景采集单元连接，用于根据所述左眼虚拟场景以及所述左眼真实视景生成左眼视景，根据所述所述右眼虚拟场景以及所述右眼真实视景生成右眼视景；

二屏分屏器，与所述视景生成单元连接，用于根据所述左眼视景以及所述右眼视景生成当前显示画面。

可选地，所述数据采集单元包括：

位移传感器，用于采集位移量；

数据转换模块，分别与所述位移传感器以及所述数据处理单元连接，用于将所述位移量转换为操纵量，并将所述操纵量发送至所述数据处理单元；

惯导，设置在飞行员的头部，与所述数据处理单元连接，用于采集所述飞行员的头部姿态数据。

可选地，所述数据处理单元包括：

第一计算机，与所述数据采集单元连接，用于根据所述操纵量计算飞机的姿态变化量；

所述第一计算机可以调整计算得频率，进而调整所述第二计算机以及所述第三计算机生成的左、右眼虚拟场景的画面帧数。

第二计算机，分别与所述数据采集单元、所述第一计算机以及所述视景生成单元连接，用于根据所述操纵量、所述头部姿态数据以及设定的偏移值阈值生成左眼虚拟场景，并将所述左眼虚拟场景发送至所述视景生成单元；

第三计算机，分别与所述数据采集单元、所述第一计算机以及所述视景生成单元连接，用于根据所述操纵量、所述头部姿态数据以及设定的偏移值阈值生成右眼虚拟场景，并将所述右眼虚拟场景发送至所述视景生成单元。

可选地，所述真实视景采集单元包括：

第一摄像机，与所述视景生成单元连接，用于采集所述飞行员的左眼真实视景，并将所述左眼真实视景发送至所述视景生成单元；

第二摄像机，与所述视景生成单元连接，用于采集所述飞行员的右眼真实视景，并将所述右眼真实视景发送至所述视景生成单元。

可选地，所述视景生成单元包括第一色键与第二色键；

所述第一色键分别与所述数据处理单元、所述真实视景采集单元以及所述二屏分屏器连接，所述第一色键用于根据所述左眼虚拟场景以及所述左眼真实视景生成左眼视景，并将所述左眼视景发送至所述二屏分屏器；

所述第二色键分别与所述数据处理单元、所述真实视景采集单元以及所述二屏分屏器连接，所述第二色键用于根据所述右眼虚拟场景以及所述右眼真实视景生成右眼视景，并将所述右眼视景发送至所述二屏分屏器。

可选地，所述虚实场景结合视景系统还包括数据存储单元，所述数据存储单元与所述数据处理单元连接，所述数据存储单元用于存储设定的偏移值阈值。

为实现上述目的，本发明还提供以下技术方案：

一种虚实场景结合飞行模拟装置，包括上述虚实场景结合视景系统、模拟室、驾驶舱以及虚拟现实眼镜；

所述驾驶舱位于所述模拟室内；

所述虚拟现实眼镜由所述飞行员佩戴，且所述虚拟现实眼镜与所述二屏分屏器连接，所述虚拟现实眼镜用于显示所述当前显示画面。

可选地，所述驾驶舱包括驾驶杆；所述位移传感器固定在所述驾驶杆上，所述位移传感器用于检测所述驾驶杆的位移量。

可选地，所述驾驶舱还包括仪表板，所述虚实场景结合视景系统还包括仪表显示驱动模块；

所述仪表显示驱动模块分别与所述数据处理单元以及所述仪表板连接，所述数据处理单元用于根据所述操纵量计算仪表显示数值，所述仪表显示驱动模块用于驱动所述仪表板显示所述仪表显示数值。

可选地，所述虚实场景结合视景系统还包括数模转换器，所述仪表显示驱动模块与所述仪表板通过所述数模转换器连接。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

1、数据处理单元根据飞行员的操纵量、头部姿态数据以及设定的偏移值阈值生成虚拟场景，可以最大限度的模拟飞行训练过程中的虚拟场景。视景生成单元根据虚拟场景以及真实视景生成虚实结合的视景，通过将虚拟视景与真实视景结合，能够显著提高飞行模拟的真实性。

2、通过在训练室内设置仿真的驾驶舱，飞行员在训练室能够体会到操纵真实飞机的感受，且驾驶舱内的部件均会出现在虚实结合的画面中，提高了模拟的仿真性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明虚实场景结合视景系统的结构示意图；

图2为本发明虚实场景结合飞行模拟装置的结构示意图。

符号说明：

模拟室—1；驾驶舱—2；虚实场景结合视景系统—3；位移传感器—311；惯导—313；数据采集单元—31；数据转换模块—312；数据处理单元—32；第一计算机—321；第二计算机—322；第三计算机—323；第一摄像机—331；第二摄像机—332；第一色键—341；第二色键—342；二屏分屏器—35；仪表显示驱动模块—36。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种虚实场景结合视景系统及飞行模拟装置，用于提高模拟训练的模拟效果。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明虚实场景结合视景系统包括数据采集单元31、数据处理单元32、真实视景采集单元、视景生成单元以及二屏分屏器35。

所述数据采集单元31用于采集所述飞行员的操纵量以及头部姿态数据。

其中，所述数据采集单元31包括位移传感器311、数据转换模块312以及惯导313。

所述位移传感器311用于采集位移量。

所述位移传感器311固定在驾驶舱2的操纵杆上，在飞行员操纵驾驶杆时，所述位移传感器311检测到驾驶杆的位移量。

所述数据转换模块312分别与所述位移传感器311以及所述数据处理单元 32连接，所述数据转换模块312用于将所述位移量转换为操纵量，并将所述操纵量发送至所述数据处理单元32。

所述惯导313设置在飞行员的头部，所述惯导313与所述数据处理单元 32连接，所述惯导313用于采集所述飞行员的头部姿态数据。

所述数据处理单元32与所述数据采集单元31连接，所述数据处理单元 32用于根据所述操纵量、所述头部姿态数据以及设定的偏移值阈值生成左眼虚拟场景，所述数据处理单元32根据所述操纵量、所述头部姿态数据以及设定的偏移值阈值生成右眼虚拟场景。

所述数据处理单元32具体包括第一计算机321、第二计算机322以及第三计算机323。

所述第一计算机321与所述数据采集单元31连接，所述第一计算机321 用于根据所述操纵量计算飞机的姿态变化量。

所述第一计算机321进一步与所述数据转换模块312以及所述惯导313 连接。

所述第二计算机322分别与所述数据采集单元31、所述第一计算机321 以及所述视景生成单元连接，所述第二计算机322用于根据所述操纵量、所述头部姿态数据以及设定的偏移值阈值生成左眼虚拟场景，并将所述左眼虚拟场景发送至所述视景生成单元；

所述第三计算机323分别与所述数据采集单元31、所述第一计算机321 以及所述视景生成单元连接，所述第三计算机323用于根据所述操纵量、所述头部姿态数据以及设定的偏移值阈值生成右眼虚拟场景，并将所述右眼虚拟场景发送至所述视景生成单元。

所述真实视景采集单元用于采集所述飞行员的左眼真实视景以及右眼真实视景。

所述真实视景采集单元进一步包括第一摄像机331以及第二摄像机332。

所述第一摄像机331与所述视景生成单元连接，所述第一摄像机331用于采集所述飞行员的左眼真实视景，并将所述左眼真实视景发送至所述视景生成单元。

所述第二摄像机332与所述视景生成单元连接，所述第二摄像机332用于采集所述飞行员的右眼真实视景，并将所述右眼真实视景发送至所述视景生成单元。

所述视景生成单元分别与所述数据处理单元32以及所述真实视景采集单元连接，所述视景生成单元用于根据所述左眼虚拟场景以及所述左眼真实视景生成左眼视景，根据所述所述右眼虚拟场景以及所述右眼真实视景生成右眼视景。

在本实施例中，所述视景生成单元包括第一色键341与第二色键342。

所述第一色键341分别与所述数据处理单元32、所述真实视景采集单元以及所述二屏分屏器35连接，所述第一色键341用于根据所述左眼虚拟场景以及所述左眼真实视景生成左眼视景，并将所述左眼视景发送至所述二屏分屏器35。

具体来讲，所述数据处理单元32与所述第一色键341的背景画面输入端连接，所述真实视景采集单元与所述第一色键341的前景画面输入端连接。所述第一色键341的输出端与所述二屏分屏器35的一个输入端连接。

所述第二色键342分别与所述数据处理单元32、所述真实视景采集单元以及所述二屏分屏器35连接，所述第二色键342用于根据所述右眼虚拟场景以及所述右眼真实视景生成右眼视景，并将所述右眼视景发送至所述二屏分屏器35。

所述数据处理单元32与所述第二色键342的背景画面输入端连接，所述真实视景采集单元与所述第二色键342的前景画面输入端连接。所述第二色键 342的输出端与所述二屏分屏器35的另一个输入端连接。

所述二屏分屏器35与所述视景生成单元连接，所述二屏分屏器35用于根据所述左眼视景以及所述右眼视景生成当前显示画面。

为了便于数据的存储，本发明虚实场景结合视景系统还包括数据存储单元，所述数据存储单元与所述数据处理单元32连接，所述数据存储单元用于存储设定的偏移值阈值。

进一步地，本发明虚实场景结合视景系统还包括数据出入单元，所述数据输入单元用于接收用户设定的偏移值阈值。

为了迎合大众的需要，提高本发明虚实场景结合视景系统的适用性，本实施例中给出了所述数据输入单元以及所述数据存储单元的下列几种连接方式：

1、所述数据存储单元与所述数据处理单元32连接，所述数据存储单元中存储有设定的偏移值阈值。所述偏移值阈值在所述数据存储单元出厂时由技术人员设定在所述数据存储单元中。因此，所述数据存储单元根据存储的偏移值阈值分为不同的型号。在进行模拟训练时，飞行员根据自身需求选择不同的型号。此时，不需要再额外的设置数据输入单元，以便于降低成本，简化本发明虚实场景结合视景系统的连接关系。

2、所述数据输入单元直接与所述数据处理单元32连接，在进行飞行训练时，由飞行员直接在所述数据输入单元中输入偏移值阈值，数据处理单元32 读取所述数据输入单元接收的偏移值阈值，进一步对数据进行处理。此时，无需额外连接数据存储单元。该连接方式适用于多个飞行员进行短时间训练的情况。不同飞行员直接在数据输入单元中输入偏移值阈值，无需进行数据存储单元的频繁更换。

3、所述数据输入单元与所述数据存储单元连接，所述数据存储单元与所述数据处理单元32连接，所述数据输入单元接收到飞行员设定的偏移值阈值后，所述数据存储单元存储所述偏移值阈值，所述数据处理单元32读取所述数据存储单元中存储的所述偏移值阈值，并对数据进行进一步地处理。

本发明虚实场景结合视景系统进一步公开了以下技术效果：

1、立体显示，沉浸感强，动态可视范围没有限制，满足多机协同训练需要；

2、与传统固定和全动各类飞行模拟器完全兼容，能直接操纵座舱内设备，并准确感知肢体位置；

3、显示整体重量大幅降低，维护使用方便、费效比突出；

4、将虚拟仪表技术综合进显示系统并准确显示，计算机数量不受视场角限制，进一步降低系统造价，提高可靠性。

为实现上述技术效果，本发明还提供了以下技术方案。

图2为本发明虚实场景结合飞行模拟装置的结构示意图，如图1-2所示，本发明虚实场景结合飞行模拟装置包括上述虚实场景结合视景系统3，模拟室 1以及虚拟现实眼镜。

所述驾驶舱2位于所述模拟室1内。

所述模拟室1内壁设置为统一的颜色，且所述模拟室1内壁的颜色与所述第一色键341以及所述第二色键342的设定颜色相同。所述第一色键341以及所述第二色键342在根据背景画面输入端以及前景画面输入端输入的画面生成视景时，能够自动将前景画面中与设定颜色相同的画面滤除，并使用背景画面中相同位置的画面代替，从而实现虚实场景的结合。

所述模拟室1也可以直接用绿幕室代替。此时，所述第一色键341以及所述第二色键342的设定颜色均为绿色。

所述虚拟现实眼镜由所述飞行员佩戴，且所述虚拟现实眼镜与所述二屏分屏器35连接，所述虚拟现实眼镜用于显示所述当前显示画面。

所述虚拟现实眼镜也可使用虚拟现实头盔替代。

所述驾驶舱2包括驾驶杆；所述位移传感器311固定在所述驾驶杆上，所述位移传感器311用于检测所述驾驶杆的位移量。

所述驾驶舱2还包括仪表板，所述虚实场景结合视景系统3还包括仪表显示驱动模块36。

所述仪表显示驱动模块36分别与所述数据处理单元32以及所述仪表板连接，所述数据处理单元32用于根据所述操纵量计算仪表显示数值，所述仪表显示驱动模块36用于驱动所述仪表板显示所述仪表显示数值。

所述虚实场景结合视景系统3还包括数模转换器，所述仪表显示驱动模块 36与所述仪表板通过所述数模转换器连接。

在驾驶舱2中设置仪表板以及操纵杆，模拟真实的驾驶舱2环境。在模拟训练过程中，飞行员可以根据仪表板显示的仪表显示数值操纵驾驶杆。

相对于现有技术，本发明虚实场景结合飞行模拟装置的有益效果与上述虚实场景结合视景系统相同，在此不再赘述。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种虚实场景结合视景系统，用于飞行员的飞行模拟训练，其特征在于，所述虚实场景结合视景系统包括：

数据采集单元，用于采集所述飞行员的操纵量以及头部姿态数据；

数据处理单元，与所述数据采集单元连接，用于根据所述操纵量、所述头部姿态数据以及设定的偏移值阈值生成左眼虚拟场景，根据所述操纵量、所述头部姿态数据以及设定的偏移值阈值生成右眼虚拟场景；

真实视景采集单元，用于采集所述飞行员的左眼真实视景以及右眼真实视景；

视景生成单元，分别与所述数据处理单元以及所述真实视景采集单元连接，用于根据所述左眼虚拟场景以及所述左眼真实视景生成左眼视景，根据所述所述右眼虚拟场景以及所述右眼真实视景生成右眼视景；

二屏分屏器，与所述视景生成单元连接，用于根据所述左眼视景以及所述右眼视景生成当前显示画面。

2.根据权利要求1所述的虚实场景结合视景系统，其特征在于，所述数据采集单元包括：

位移传感器，用于采集位移量；

数据转换模块，分别与所述位移传感器以及所述数据处理单元连接，用于将所述位移量转换为操纵量，并将所述操纵量发送至所述数据处理单元；

惯导，设置在飞行员的头部，与所述数据处理单元连接，用于采集所述飞行员的头部姿态数据。

3.根据权利要求1所述的虚实场景结合视景系统，其特征在于，所述数据处理单元包括：

第一计算机，与所述数据采集单元连接，用于根据所述操纵量计算飞机的姿态变化量；

第二计算机，分别与所述数据采集单元、所述第一计算机以及所述视景生成单元连接，用于根据所述操纵量、所述头部姿态数据以及设定的偏移值阈值生成左眼虚拟场景，并将所述左眼虚拟场景发送至所述视景生成单元；

第三计算机，分别与所述数据采集单元、所述第一计算机以及所述视景生成单元连接，用于根据所述操纵量、所述头部姿态数据以及设定的偏移值阈值生成右眼虚拟场景，并将所述右眼虚拟场景发送至所述视景生成单元。

4.根据权利要求1所述的虚实场景结合视景系统，其特征在于，所述真实视景采集单元包括：

第一摄像机，与所述视景生成单元连接，用于采集所述飞行员的左眼真实视景，并将所述左眼真实视景发送至所述视景生成单元；

第二摄像机，与所述视景生成单元连接，用于采集所述飞行员的右眼真实视景，并将所述右眼真实视景发送至所述视景生成单元。

5.根据权利要求1所述的虚实场景结合视景系统，其特征在于，所述视景生成单元包括第一色键与第二色键；

所述第一色键分别与所述数据处理单元、所述真实视景采集单元以及所述二屏分屏器连接，所述第一色键用于根据所述左眼虚拟场景以及所述左眼真实视景生成左眼视景，并将所述左眼视景发送至所述二屏分屏器；

所述第二色键分别与所述数据处理单元、所述真实视景采集单元以及所述二屏分屏器连接，所述第二色键用于根据所述右眼虚拟场景以及所述右眼真实视景生成右眼视景，并将所述右眼视景发送至所述二屏分屏器。

6.根据权利要求1所述的虚实场景结合视景系统，其特征在于，所述虚实场景结合视景系统还包括数据存储单元，所述数据存储单元与所述数据处理单元连接，所述数据存储单元用于存储设定的偏移值阈值。

7.一种虚实场景结合飞行模拟装置，其特征在于，所述虚实场景结合飞行模拟装置包括权利要求1-6中任一项所述的虚实场景结合视景系统、模拟室、驾驶舱以及虚拟现实眼镜；

所述驾驶舱位于所述模拟室内；

所述虚拟现实眼镜由所述飞行员佩戴，且所述虚拟现实眼镜与所述二屏分屏器连接，所述虚拟现实眼镜用于显示所述当前显示画面。

8.根据权利要求7所述的虚实场景结合飞行模拟装置，其特征在于，所述驾驶舱包括驾驶杆；所述位移传感器固定在所述驾驶杆上，所述位移传感器用于检测所述驾驶杆的位移量。

9.根据权利要求7所述的虚实场景结合飞行模拟装置，其特征在于，所述驾驶舱还包括仪表板，所述虚实场景结合视景系统还包括仪表显示驱动模块；

所述仪表显示驱动模块分别与所述数据处理单元以及所述仪表板连接，所述数据处理单元用于根据所述操纵量计算仪表显示数值，所述仪表显示驱动模块用于驱动所述仪表板显示所述仪表显示数值。

10.根据权利要求7所述的虚实场景结合飞行模拟装置，其特征在于，所述虚实场景结合视景系统还包括数模转换器，所述仪表显示驱动模块与所述仪表板通过所述数模转换器连接。

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