CN115248955B - 基于原理视景交互仿真的飞机教学训练案例开发系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于原理视景交互仿真的飞机教学训练案例开发系统。该系统包括飞机系统原理特性动态仿真开发模块、虚拟座舱视景及交互控制模块、仿真训练案例开发模块，可以灵活、低成本的开发各种机型飞机系统工作原理、交互控制逻辑和实际运行状态的动态仿真教学训练案例。其开发的教学训练案例在飞机系统动态工作原理仿真模型与交互式虚拟座舱模型间数据交互的基础上，能够直观的展现飞机系统内部复杂的工作原理、控制逻辑和工作过程，并可以通过注入故障仿真其异常工作状态。因此，该系统可以有效提升学员对于飞机系统工作原理的理解与学习效果，实现了理论学习与实践学习的结合。
Description
技术领域
本发明涉及飞机系统仿真训练领域，特别涉及一种基于原理-视景交互仿真的飞机教学训练案例开发系统。
背景技术
飞机上的各种机载系统是飞机飞行过程中所必须的支撑系统，是影响飞机使用和安全的关键。因此，飞机机载系统原理、使用及维护相关课程也是飞机教学训练任务的重中之重。然而，在当前的飞机教学训练方法中仍存在很多问题亟待解决。
1、目前飞机机载系统的教学过程中，对于系统工作原理的学习还停留在静态层面，即通过平面图纸或手册示意图向学员讲解起机载系统的工作原理，部分具备实物教学能力情况也难以展示系统内部的工作逻辑和工作过程，学员在将系统的工作原理与实际运行行为对应时较难理解。
2、飞机机载系统种类繁多，结构复杂。以起落架系统为例，其结构就包括阻力杆、侧撑杆、耳轴连杆、反作用连杆、减震支柱、防扭臂、液压收放作动筒、液压锁作动筒、轮轴和机轮等组件。前起落架与后起落架的结构组成又各不相同，而各组件又由大量的零部件构成，机、电、液混合在一起协同工作，仅通过平面图纸或手册示意图来学习其工作原理难度极大。
3、由于航材价格昂贵，使用航材搭建飞机系统的实物教学平台不仅开发成本较高，后期还需要大量的维护保养费用。另外，考虑到成本原因，实物教学平台主要提供一些基本的飞机工作行为的演示及非破坏性故障的演示，不可能对其进行一些破坏性故障实验，教学资源十分有限。再则，实物教学平台一旦定型，基本不能针对新机型的机载系统（如B787、A380等新机型）进行升级，不利于教学资源的更新。
综上所述，当前急需一套新的飞机教学训练案例开发平台，其不仅能够灵活的针对各种机型开发相应的教学训练案例，而且所开发案例能够动态直观的展示各种机载系统内部复杂的工作原理、控制逻辑和工作过程，从而使得飞机系统的教学训练更加灵活、直观和有效。本发明所提出的基于原理视景交互仿真的飞机教学训练案例开发系统就是一种能够很好满足上述需求的新型技术方案。
发明内容
鉴于现有技术存在的问题，本发明提出一种基于原理视景交互仿真的飞机教学训练案例开发系统。采用该方法可以开发具有飞机系统原理特性动态仿真能力和虚拟座舱交互式操作演示能力的教学训练案例，从而解决飞机系统运行维护过程中飞行员和机务人员的理论学习和训练模拟问题，使训练过程更加简单直观，提高训练效果。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案是：一种基于原理视景交互仿真的飞机教学训练案例开发系统，发明内容如下。
一种基于原理视景交互仿真的飞机教学训练案例开发系统，其特征在于：所述系统包括飞机系统原理特性动态仿真开发模块、虚拟座舱视景及交互控制模块、仿真训练案例开发模块，所述飞机系统原理特性动态仿真开发模块和虚拟座舱视景及交互控制模块共同构成飞机系统联合仿真环境，为系统的底层资源平台，仿真训练案例开发模块为系统的上层功能开发平台。
所述飞机系统原理特性动态仿真开发模块，根据飞机构型构建不同飞机系统的动态工作原理仿真模型，不同飞机系统的动态工作原理仿真模型间进行数据互通和互操作。
所述虚拟座舱视景及交互控制模块，通过虚拟座舱展现完整的座舱内部结构、空间范围和主要设备布局，虚拟座舱中的仪表显示及设备操作均与飞机系统原理特性动态仿真开发模块相关联。
所述仿真训练案例开发模块，基于所述飞机系统原理特性动态仿真开发模块和所述虚拟座舱视景及交互控制模块开发飞机系统仿真训练案例资源库。
所述飞机系统原理特性动态仿真开发模块包括飞机系统原理特性动态仿真开发环境组件、动态功能组件、由仿真结果驱动的机载设备图形化功能组件和动态工作原理模型外部控制接口。
基于工控-建模仿真-组态-监控集成开发平台HMI构建所述飞机系统原理特性动态仿真开发环境组件，所述飞机系统原理特性动态仿真开发环境组件构建组态模型，所述组态模型包括实际飞机机载系统的静态原理框架、动态工作行为以及系统间数据传递和控制逻辑。
所述动态功能组件基于HMI动态脚本开发技术建立飞机系统动态工作原理图。
所述由仿真结果驱动的机载设备图形化功能组件基于HMI绘图控件的数据动态定位技术构建动态展示组件，所述动态展示组件包括曲线显示组件和数据显示组件。
所述动态工作原理模型外部控制接口基于反射内存数据映射及操作动态拾取技术模拟系统在不同场景下的各种工作状态或设置故障状态。
所述虚拟座舱视景及交互控制模块包括飞机交互式虚拟座舱和unity3D与HMI间的通信端口。
通过unity3D引擎构建所述飞机交互式虚拟座舱中的3D虚拟视景模型，通过人机交互方式实现对所述飞机交互式虚拟座舱中控制部件的操作，所述控制部件包括面板、操纵杆，所述飞机交互式虚拟座舱还具备实时语音功能。
所述unity3D与HMI间通过特定协议通信，所述飞机交互式虚拟座舱与所述不同飞机系统的动态工作原理仿真模型之间通过特定协议实现数据交互及控制。
所述仿真训练案例开发模块，包括飞机系统教学资源库和基于联合仿真的训练规划和管理功能模块。
基于HTML5 Web SQL本地数据库技术搭建所述飞机系统教学资源库，所述飞机系统教学资源库包括与飞机手册资料相关的文本、图片、视频、动画、语音。
基于HMI组态化开发技术构建所述基于联合仿真的训练规划和管理功能模块，所述基于联合仿真的训练规划和管理功能模块对任务训练的全过程进行设计和编辑，并在无需编程的情况下通过可视化控件创建和编辑任务训练课程及相应的操作指令。
本发明所产生的有益效果在于：（1）本发明所提出的基于仿真的飞机系统教学训练案例开发系统，能够针对不同飞机构型灵活的开发各类教学训练案例，降低开发成本，加快教学资源的更新速度，保证教学前沿性。（2）本发明所提出的飞机系统原理特性动态仿真方法，将飞机系统工作原理教学与实际运行演示教学相结合，通过动态原理模型仿真各飞机系统的工作原理，并将仿真结果映射到交互式虚拟座舱中进行显示，使原理与现象联动起来，使学员不仅“知其然”，也会“知其所以然”。
附图说明
图1为本发明涉及的基于原理视景交互仿真的飞机教学训练案例开发系统的功能框架示意图。
图2为本发明涉及系统所开发的飞机系统教学训练案例的实例示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。
如图1所示，本发明提出的一种基于原理视景交互仿真的飞机教学训练案例开发系统具体由3部分组成，分别为：飞机系统原理特性动态仿真开发模块、虚拟座舱视景及交互控制模块、仿真训练案例开发模块。各模块的基本原理及实施方式具体阐述如下。
1、飞机系统原理特性动态仿真开发模块
飞机系统原理特性动态仿真开发模块是系统的底层资源平台，其可以根据飞机构型灵活的构建不同飞机系统的动态工作原理仿真模型，使其能够正确反映系统的功能、接口关系、工作逻辑和工作过程。在此基础上，通过模型控制接口，可以使各系统动态工作原理模型间进行数据互通且具有互操作性，从而实现对各飞行阶段中飞机系统的工作状态及动态行为的仿真控制及动态展示。具体实施方式如下。
（1）飞机系统原理特性动态仿真开发环境组件是基于工控-建模仿真-组态-监控集成开发平台HMI来构建的。根据不同机载系统的领域特性及建模需求，构建能够准确反映实际飞机机载系统的静态原理框架、动态工作行为及系统相互间数据传递和控制逻辑的组态模型，例如液压、燃油、起落架、环控、电源、防除冰等机载系统。
（2）具备动态功能组件（开关、阀门、管路、机械结构等），并可在此基础上建立形象的飞机系统动态工作原理图。具体为，通过图形、颜色动态切换等方式，在动态工作原理图中直观的体现飞机各系统的运行状态以及相应开关、阀门、管路、机构等的状态。该部分功能由HMI动态脚本开发技术实现。
（3）具备可由仿真结果驱动的机载设备图形化功能组件，其中除上述动态功能组件外，还包括多种曲线显示组件、数据显示组件等其他形式的动态展示组件。该部分功能由基于HMI绘图控件的数据动态定位技术实现。
（4）具备动态工作原理模型的外部控制接口，可以通过外部数据驱动的方式或在动态原理模型上通过点击活门、开关等功能组件的方式来模拟系统在不同场景下的各种工作状态或设置故障状态。该部分功能由反射内存数据映射及操作动态拾取实现。
2、虚拟飞机座舱视景及交互控制模块
虚拟飞机座舱视景及交互控制模块是系统另一个底层资源平台。通过视景仿真技术构建飞机交互式虚拟座舱，能够展现完整的座舱内部结构、空间范围和主要设备布局。其中，虚拟座舱中的仪表显示及设备操作均与飞机系统原理特性动态仿真模块相关联。具体实施方式如下。
（1）飞机交互式虚拟座舱的3D虚拟视景模型通过unity3D引擎构建，能够提供定点、主/副驾驶位等多种视角，具有视景缩放、平移及部分关键区域突出显示等功能，可通过人机交互方式实现对虚拟座舱中的面板、操纵杆等控制部件的操作，并提供与操作相对应的实时语音功能。其中，通过对图像、声音和控制逻辑参数的设置，视景、语音及操作均可保证与真实飞机座舱一致。
（2）具备unity3D与HMI间的通信端口，二者间可通过特定协议进行数据互通，使飞机交互式虚拟座舱与上述原理特性动态仿真模型间具备数据交互及控制能力。具体为，座舱虚拟视景模型可以读写动态原理仿真模型中的发动机、环境、油量、灯光、导航等各类系统变量及基本飞行数据和舵面数据，并显示在座舱仪表中，也可以将飞机交互式虚拟座舱中的各种操作实时的反应到动态原理仿真模型的各飞机系统的工作状态中。此外，动态原理仿真模型中通过点击功能组件设置的故障状态也可以在飞机交互式虚拟座舱内触发相应的故障现象。
3、仿真训练案例开发模块
仿真训练案例开发模块面向飞机系统基本理论及仿真实践教学，能够在上述两个模块组成的飞机系统联合仿真环境基础上，开发飞机系统仿真训练案例资源库。其所开发的仿真教学训练案例为自主学习型课程，可以实现对部件认知、系统功能、系统组成、工作原理、接口关系、正常操作、非正常操作、操作测试和故障检查等多个层面的自主学习和仿真训练。具体实施方式如下。
（1）具备飞机系统教学资源库，可按不同科目或系统进行组织。包括飞机手册等技术文档相关的文本、图片、视频、动画、语音等内容，涵盖培训大纲中规定的全部知识点。同时，教学资源库中提供补充注入接口，可由用户自主更新教学资源。该部分功能由HTML5Web SQL本地数据库技术实现。
（2）具备基于联合仿真的训练规划和管理功能，可以对任务训练的全过程进行设计和编辑，并能够在无需编程的情况下通过可视化控件简单快速地创建和编辑任务训练课程及相应的操作指令。该部分功能由HMI组态化开发技术实现。
基于以上实施方式，图2给出了一个由该系统开发的飞机系统教学训练实例，但本发明的实施方式不局限于图2。图2中，该飞机系统教学训练实例的具体形式为可操作的应用软件，其软件界面由4部分功能显示界面组成，分别为“教学资源目录”、“飞机系统教学资源”、“飞机系统动态工作原理图”和“飞机交互式虚拟座舱”。其中，“教学资源目录”功能显示界面中以条目形式列出飞机系统教学的所有学习科目，可通过点击对应条目打开相应学习科目的教学资源；“飞机系统教学资源”功能显示界面以文本、图片、视频、动画、语音形式显示飞机手册等技术文档；“飞机系统动态工作原理图”功能显示界面中显示飞机系统原理特性动态仿真开发模块所构建的与当前选择学习科目相对应的飞机系统的动态工作原理仿真模型；“飞机交互式虚拟座舱”功能显示界面中显示虚拟飞机座舱视景及交互控制模块所构建的飞机交互式虚拟座舱的3D虚拟视景模型。
Claims (3)
1.一种基于原理视景交互仿真的飞机教学训练案例开发系统，其特征在于：所述系统包括飞机系统原理特性动态仿真开发模块、虚拟座舱视景及交互控制模块、仿真训练案例开发模块，所述飞机系统原理特性动态仿真开发模块和虚拟座舱视景及交互控制模块共同构成飞机系统联合仿真环境，为系统的底层资源平台，仿真训练案例开发模块为系统的上层功能开发平台；
所述飞机系统原理特性动态仿真开发模块，根据飞机构型构建不同飞机系统的动态工作原理仿真模型，不同飞机系统的动态工作原理仿真模型间进行数据互通和互操作；
所述虚拟座舱视景及交互控制模块，通过虚拟座舱展现完整的座舱内部结构、空间范围和主要设备布局，虚拟座舱中的仪表显示及设备操作均与飞机系统原理特性动态仿真开发模块相关联；
所述仿真训练案例开发模块，基于所述飞机系统原理特性动态仿真开发模块和所述虚拟座舱视景及交互控制模块开发飞机系统仿真训练案例资源库；
其中，所述飞机系统原理特性动态仿真开发模块包括飞机系统原理特性动态仿真开发环境组件、动态功能组件、由仿真结果驱动的机载设备图形化功能组件和动态工作原理模型外部控制接口；
基于工控-建模仿真-组态-监控集成开发平台HMI构建所述飞机系统原理特性动态仿真开发环境组件，所述飞机系统原理特性动态仿真开发环境组件构建组态模型，所述组态模型包括实际飞机机载系统的静态原理框架、动态工作行为以及系统间数据传递和控制逻辑；
所述动态功能组件基于HMI动态脚本开发技术建立飞机系统动态工作原理图；
所述由仿真结果驱动的机载设备图形化功能组件基于HMI绘图控件的数据动态定位技术构建动态展示组件，所述动态展示组件包括曲线显示组件和数据显示组件；
所述动态工作原理模型外部控制接口基于反射内存数据映射及操作动态拾取技术模拟系统在不同场景下的各种工作状态或设置故障状态。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述虚拟座舱视景及交互控制模块包括飞机交互式虚拟座舱和unity3D与HMI间的通信端口；
通过unity3D引擎构建所述飞机交互式虚拟座舱中的3D虚拟视景模型，通过人机交互方式实现对所述飞机交互式虚拟座舱中控制部件的操作，所述控制部件包括面板、操纵杆，所述飞机交互式虚拟座舱还具备实时语音功能；
所述unity3D与HMI间通过特定协议通信，所述飞机交互式虚拟座舱与所述不同飞机系统的动态工作原理仿真模型之间通过特定协议实现数据交互及控制。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述仿真训练案例开发模块，包括飞机系统教学资源库和基于联合仿真的训练规划和管理功能模块；
基于HTML5 Web SQL本地数据库技术搭建所述飞机系统教学资源库，所述飞机系统教学资源库包括与飞机手册资料相关的文本、图片、视频、动画、语音；
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| Title |
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