虚拟技术在模拟飞行训练中的应用
摘 要： 培养一名飞行员的花费是很大的，如果每次的训练都使用真实的飞机进行作业，不仅其成本高昂而且充满了风险。为了解决该问题，介绍了一种采用飞机动力学、空气动力学和视点变换技术制成的仿真系统，它的优点是其可视的、三维实体的与物理原型无异，使得训练人员具有身临其境的感觉。该系统结构合理而且安全可靠，采用的运动模型和仿真算法满足了系统的实时性和精确度要求，图像显示效果逼真，适合广泛地应用于飞行模拟训练当中。
关键字： 模拟器； 飞行训练； 虚拟仿真； 逼真显示效果
中图分类号： TN964?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）08?0042?03
0 引 言
虚拟现实技术又称为“灵境技术”，它最早可以追溯到20世纪80年代。虚拟现实技术是综合了计算机仿真技术、图形技术、遥感技术和传感技术等诸多领域，营造了一个逼真的三维虚拟环境，人们可以通过一系列的工具与环境中的对象进行交互，从而达到一种身临其境的感觉[1]。
如今，虚拟现实技术已经渗透到生活的各个方面，并在各大领域里发挥着重要的作用[2]。虚拟仿真技术在训练飞行员方面也大有用武之地。目前，很多国家就利用虚拟现实技术开发的飞行训练模拟器使飞行员进入VR世界来进行训练，接下来将讨论虚拟技术在飞行模拟训练中的研究和贡献。
模拟训练具有节能、安全、不受场地与天气影响、花销较低等一系列的优点，因此模拟训练被广泛地应用在军事训练当中[3]。在模拟训练中，虚拟环境的真实性和逼真性会影响到飞行员的训练效果，而人对环境的感知是通过听觉、触觉、视觉、和嗅觉等来获得的，而其中70%的感知是通过视觉来获得的，因此，虚拟环境的建立是模拟器中极为重要的组成部分[4?7]。
1 虚拟仿真平台的结构
该平台的总体方案如图1所示。
在图1中，用于仿真计算的计算机主要完成的仿真工作有：飞机动力学和飞行动力学模型、自动飞行控制系统、导航系统、地形地貌仿真等功能模块，将计算机计算得到的航迹实时显示在平面的数字地图上，并将仿真得到的飞行器的状况、方位和仪表数据等一系列的信息传递给另一台计算机，这时第二台计算机就来计算实时的实景。这台计算机利用得到的信息，使得3D的飞机模型飞行在三维空间中，2台计算机间是通过IPX协议进行通信的。
2 飞机空间运动模型的建立
在建立数据模型的过程中，要采用了气动参数进行动态插值的方法建立飞机运动模型[5]。
2.1 飞机动力学方程
飞机飞行时受到了发动机推力FT、重力g、气动侧力Y、气动升力L和气动阻力D共同作用。根据牛顿第二定律，在地面坐标系下的飞机飞行动力学方程为[5]：
[F=mdVdt=md（ui+vj+wk）dx=m（ui+vj+wk+ω×V）] （1）
[M=r×dF=vr×dVdtdV] （2）
在坐标系下展开式（1）后得到以下方程：
[V=1mRcos（φ+α）cosβ-FTcosβ+Zsinβ-g（cosαcosβsinθ-sinαcosβcosθcos?-sinβcosθsin?）][α=r-tanβ（pcosα-qsinα）+gVcosβ（sinαsinθ+ cosαcosθcos?）-1mVcosβ（Rsin（φ+α）+Y）]
式中：[α]为迎角；[β]为侧滑角； [φ]为偏航角；[θ]为俯仰角；V为飞行速度； p，q，r为飞机角速度在机体轴系中的分量。分解式（2），可以得出以下的飞机绕质心转动的方程：
[p=φ-?sinθq=θcosφ+?cosθsinφr=-θsinφ+?cosθcosφ]
2.2 飞机运动学方程
以上面得到的飞机动力学方程组为基础。在地面坐标系中的地速ue，ve，we可表示为：
[uevewe=ATuvw]
式中[AT]是从地轴系转换到机体轴系的方向余弦矩阵。
2.3 空气动力及力矩
在气动模型中，飞机是使用多维数据来表示的，在开发视景系统时以采用某型运输机飞行仿真气动数据包为基础，采用线性插值的方法得到飞行中的飞机状态的气动参数。
机体轴上的气动力及力矩为：
[FA，x=（CXsinα-CDcosα）QSFA，y=CyQSFA，z=（-CDsinα-CLcosα）QS]
[LA=（Clcosα-CDsinα）QSbwNA=（Cncosα+Clsinα）QSbwMA=CmQScw]
式中：A为空气；bw为机翼翼展；c为机翼平均空气动弦；S为机翼面积；Q为动压。从而得到飞机所受的总力及力矩（沿着机体轴x，y，z）
[Fx=FA，x+FT，x+FG，x+GxFy=FA，y+FT，y+FG，y+GyFz=FA，z+FT，z+FG，z+Gz]
[L=LA+LGM=MA+MT+MGN=NA+NT+NG]
式中：T为发动机；G为起落架（Gx，Gy，Gz为飞机所受重力在机体轴x，y，z上的分量），M，L，N分别为俯仰、滚转、偏航力矩。
3 视景仿真系统的开发
3.1 视景仿真系统的结构
场景生成可以生成地面、高山、流水以及建筑物等的地面场景；模型控制可以用来控制系统中的模型；语音技术能够模仿飞机的声音效果；特殊效果包括风霜雪雨等效果；视点变换可以改变飞行员的观察角度；字体显示可以用来显示显示器上的数据等。如图2所示。
3.2 三维场景建立
虚拟飞行模拟系统的三维场景的建立需要几个步骤：
步骤1：飞行模拟器的机体的绘制。要对飞行器内部的结构数据和外表的一些复杂的线条和面做简化后，用OpenGL对机体外形进行建模。
步骤2：飞行模拟器的实体绘制。首先，要将OpenGL 初始化；其次，计算飞行器的中心位置，并用转移矩阵进行坐标转换，使飞行器到达最佳视觉状态；再次是材质及明暗处理方式；最后是开始绘制飞行器。
步骤3：三维场景层次结构的确定和场景的绘制。在构造飞行系统的三维场景时，根据飞行器与机场景物以及天空背景的交互运动关系决定了层次结构。场景的绘制可以采用与实体绘制相类似的方法。
4 结 语
本系统在结合飞机动力学方程和空气动力学方程所建立的虚拟环境下进行虚拟操作训练，不仅大大降低了开销和危险系数，而且其可视的、三维实体的与物理原型无异，使得训练人员具有身临其境的感觉，便于培训人员考察、判断和训练飞行技能[4]。本系统打破了传统的培训飞行员的方式，给人以直观的感觉，驾驶员可以直接从显示的动画中判断飞行状况是否正常，它具有逼真的三维视觉效果，可以反复在地面进行虚拟操作训练，适应了飞行训练的发展需要。
参考文献
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