飞行模拟器视景仿真系统的优化设计与实现途径探索
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作者:白小亮
摘 要：飞行模拟器视景仿真是飞行训练中不可或缺的重要组成部分，作为真实天气现象、飞行情况的模拟，不仅能通过真实情境的模拟提升飞行训练内容的真实度，更能通过复杂教学情境训练飞行员的应激反应、复杂问题处理等相关技能，实现结果导向训练成效。因此，飞行模拟器视景仿真系统的功能设计和内容构成布局的合理与否，对于训练成效具有直接影响。本文就飞行模拟器视景仿真系统存在的主要问题提出优化设想，并在此基础上研究实现途径。
关键词：飞行模拟器 视景仿真系统 优化设计 实现途径
中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）03（c）-0002-02
视景系统是用来模拟飞行员的视野，将飞行器之外的包括气象等所有与飞行任务有关的景象全景式呈现在飞行员面前，帮助飞行员判断出飞机飞行的速度、位置、飞行高度、飞行姿态等，并根据计算机成像模拟飞行状况经多屏幕显示出来，帮助飞行员实现飞行训练的专门性系统。飞行模拟器视景仿真系统虽是模拟系统，但对飞行员的实际操作能力的养成提供了前期技能训练手段，因此对于飞行员专业素养的培养和飞行经验的成长具有重要意义。航空飞行是一个集气象、空中状况和地面状况为一体的复杂场景，因此飞行员的训练周期和培养周期相对较长。当前我国已经能够实现民用飞行模拟器自主研发，是世界上为数不多的具有自主研发能力的国家之一，为我国民用航空飞行员的培训和成长做出了突出的贡献。但从目前的视景仿真模拟设计来看，我们依然存在问题亟需优化和提升。本文就目前我国主流视景仿真系统存在的主要问题，提出优化设计设想和研究实现途径。
1 当前我国飞行模拟器视景仿真系统存在的主要问题分析
1.1 视景仿真系统仿真的真实度和实时性不能同步兼顾，影响系统整体真实效果呈现
飞行模拟器视景仿真系统可为飞行人员训练时提供逼真的座舱外景象，能提供飞行任务中约70%的有用信息，因此视景系统的图像生成和显示质量直接影响到训练的效果。以气象仿真为例，当前的气象仿真技术的实现主要基于两种技术手段得以实现：一是根据仿真平台与OpenGL之间的联系，通过OpenGL在仿真平台中实现随机闪电模拟的可行性，仿真平台中将纹理映射技术与传统闪电渲染方法相结合实现随机闪电、雨雪模拟的可行性，能够满足民航飞行模拟器实时性要求。二是基于三维的实体建模方法、基于三维建模和仿真平台软件环境的空中、海面等环境的生成方法、视景仿真软件开发过程以及整体系统的实现等关键技术。但上述两种方法由于快速渲染算法与仿真平台的兼容问题，某种程度上影响了闪电和立体云团模拟特效。
1.2 视景仿真系统的主流显示器显示各有利弊，无法实现生理与物理的完美契合
但当前飞行模拟器视景仿真系统的模拟显示主要依靠显示器显示、投影显示、分光镜准直显示、背投准直显示和头盔显示器显示5种显示系统。其中以头盔显示器最为先进和最具有适应性，HMD视景系统的最大优点是体机小，重量轻，适用于各种狭小空间，而且显示的视景图像可跟随训练者的头部及眼球的运动进行同步更新，因此在理论上不存在观察视野制约，可获得较好的模拟效果。但由于HMD视景系统完全依赖计算机计算的图像处理和计算能力，而且显示器件图像刷新频率能力和头盔制造工艺等条件成为目前头盔显示器的最大制约因素，HMD在佩戴舒适感、人类工效指标和生理舒适度要求仍然存在不小差距，尤其当长时间使用或者画面高频切换时会出现头晕，恶心等不适症状，难以让训练者长期使用。
2 飞行模拟器视景仿真系统的优化设计与实现途径探索
2.1 优化建模与仿真技术视觉呈现功能，加强真实度和实时性同步兼顾能力，提升仿真效果
飞机常见的飞行问题与场景由于飞机的自由度运动制约是可通过方程进行通用设计的，可以建立通用的或者标准的模块，通过软件剪裁和链接的方式，充分利用已有的通用数学模型和模块来实现飞行模拟器视景仿真技术的建模与仿真技术虚拟化的现代化发展特征的。再通过细化常见问题和场景按机理建模技术、辨识建模技术、面向对象建模技术、多视图建模技术、数据可视化建模技术和多媒体建模技术等技术分类建模，通过将各种仿真技术结合在一起，实现一个结构复杂、功能全面的系统仿真，使仿真技术视觉呈现功能得到加强，从而提升视景仿真技术的真实度和实时同步兼顾能力。
2.2 加强人工智能技术和集成评估功能的应用研究，提升视景仿真系统的显示能力的同时兼顾提高飞行模拟器工作效率
飞行模拟器视景仿真系统最终通过显示器与被训者发生直接联系，因此视景仿真系统显示器的显示能力和生理舒适度极为重要。人工智能技术采用了以计算机图形显示技术为核心的新技术，在计算机技术下生成逼真的视、听、触觉于一体的特定范围的虚拟环境。训练者可以使用硬件设备，如头盔、眼镜等穿戴设备，身临其境地在虚拟环境中进行实景演练和交互数据传输，从而能最大限度地降低环境和设备自身所带来的局限，加强现场感受力和体验度，从而比传统的视景仿真系统的显示器提升显示功能和飞行模拟器工作效率。目前我国已经研制出基于飞行模拟器视景仿真系统的VR技术，在显示能力方面具有较大进步，但现有的材料技术、制造工艺还不支持练习者长时间的训练，还需要进一步提升训练者的舒适度。而欧美等飞行技术先进国家已经基于飞行模拟视景仿真系统研制出民航飞行仿真器故障诊断和维护专家系统、飞行仿真器性能评估专家系统、飞机驾驶技术专家系统和飞机作战专家系统等众多集成电子测试系统，如L3公司、CAE公司等飞行模拟器的自检测设备，已成功地提高了飞行模拟器的工作效率。这些都是我们今后需要重点优化的发力点。
3 结语
经过多年的研发，我国飞行模拟器视景仿真系统在军用领域获得较快进步，已经成功跻身先进技术国家行列，而民用飞行模拟器视景仿真系统的研發和训练手段相对滞后，已经严重跟不上不断高速增长的民众出行要求和民航产业发展需要，这是我们今后需要重点解决的问题。本文在充分分析当前我国飞行模拟器视景仿真系统存在的主要的两个问题后，针对视景仿真系统仿真的真实度和实时性不能同步兼顾，和显示器显示弊端，提出飞行模拟器视景仿真系统的优化设计与实现途径：首先，着重优化建模与仿真技术视觉呈现功能，加强真实度和实时性同步兼顾能力，提升仿真效果;其次，加强人工智能技术和集成评估功能的应用研究，提升视景仿真系统的显示能力的同时兼顾提高飞行模拟器工作效率。这两个优化方向若能完美解决则将大大推动我国民航行业的发展和飞行员培养速率。
参考文献
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