基本信息
- 项目名称：
- 飞行模拟技术开发验证平台
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本作品针对现有模拟器存在的不足和问题，设计研发了一个以多感官虚拟现实技术为核心的，用于对各种与飞行模拟器相关的新技术进行开发、实验、改进的多学科研究平台，即“飞行模拟技术开发验证平台”。 平台研制中，创新地采用了拓展性极强的半虚拟现实座舱技术、新型虚拟现实手部定位技术、头盔式视景设备及防眩晕技术、交流伺服控制力反馈操纵杆、轻巧灵活的平台布局及其机电控制总体方案，实现了对视觉、触觉、动感、力感等多感官的虚拟现实模拟，并且具有拓展性强、轻巧灵活、成本低廉的特点。
- 详细介绍：
- 传统的飞行模拟器成本昂贵、研制周期长、体积庞大、任务模式单一、可维护性差、难以进行功能扩展。基于虚拟现实技术的新技术飞行模拟器体积小巧，通用性强，具有三维视景，成本低廉，但是，受目前虚拟现实技术水平的限制，缺点也比较突出。主要是带上头盔以后飞行员无法看到舱内视景；延时大时容易引起飞行员头晕；开关按钮类操作模拟困难；带力反馈的数据手套影响人的动作；数据手套影响手指触觉；臂力等肢体力反馈等不能完全满足飞行模拟要求等。 为了针对以上所述现有模拟器的缺点，解决现有模拟器存在的问题，我们设计开发了一个以视觉、触觉、动感、力感等多感官虚拟现实技术为核心的，用于开发、实验以及验证模拟器相关技术的多学科研究平台，即飞行模拟技术开发验证平台。 以实现总体目标为导向，我们开展了系统性的研究开发工作，解决了一系列核心技术问题；以攻克关键技术为目标，我们又开展了针对性的关键技术研究工作。在核心技术和关键技术的研究中，我们取得了若干成果，内容分述如下： 1. 虚拟现实技术——半虚拟现实座舱技术及新型虚拟现实手指定位技术 半虚拟现实座舱方案——即不但舱外视景用计算机生成，舱内视景也一律用计算机软件生成（虚拟现实），包括座舱仪表板、开关、飞行员手部等。同时，所有可触摸操作的部分均保持1:1的实物。也就是“眼见为虚，手摸为实”。这样的方案保证了开关类操作的触觉逼真和手指操作力的逼真。 交互技术是虚拟现实系统的关键性技术之一，要实现交互，需要获得用户肢体（手部）的实时位置和方向信息。在现有的技术水平下，一般都是采用数据手套，把手指和手掌伸屈时的各种姿势转换为数字信号送给计算机，供识别与执行实现交互。但由于价格昂贵，使用笨拙，不能满足指端触觉的丰富要求等原因，因此这种方法并未得到广泛应用。 我们提出通过视频技术对手部（指尖，而不是手形）进行捕捉定位的方案，实现数据手套的定位识别功能。其关键是在开关附近埋设摄像头，这样使手指越接近开关时检测精度越高。通过初始摄像机标定后，利用摄像机采集到的图像对特征点进行检测定位，确定用户指尖的图像坐标，并通过指尖特征点位置关系进行手型确定，由手型调整指尖偏差，提高手指定位精度。利用这种视频技术捕捉手指运动，用户不需要佩戴繁琐的跟踪装置，通过架设数部视觉传感器完成数据手套的定位识别功能，简化了整个输入设备，大大降低了交互系统的整体成本，并且可以和半虚拟现实座舱技术进行完美的结合。 2.三维视景显示方案——头盔显示器及防晕眩技术 现有的飞行模拟器一般采用大型液晶显示器，为了保证飞行模拟验证平台体积小巧、视景设备成本低廉，我们设计的视景系统显示设备采用了头盔显示器。舱内舱外的视景均由头盔显示器实现。同时，采用人体头部位置跟踪技术检测操纵人员头部的位置和姿态，配合视景的生成以及半实物虚拟现实座舱的人机交互。 在虚拟现实领域中，由视觉感觉冲突会引起部分恶心、头晕等不适感。这主要是由于存在传感器跟踪延时、视景计算和显示的延时、同步延时、传输过程等延时造成。消除这一影响可以通过预测用户头部运动的位置来实现。为此，我们提出了一种组合跟踪装置的方案，使用角速度陀螺、加速度计和传统的电磁位置跟踪器来分别提供头部运动的角速度、加速度和位置信息，通过卡尔曼滤波器等算法预测头部运动，并利用数据融合方法产生更高的数据精度和数据可靠性，有效消除由于视景延迟造成的眩晕。 3.高拓展性的视景构建及飞行仿真技术 在虚拟视景的构建和飞行仿真软件的开发上，传统飞行模拟器应用特定的商业软件建模，不可更改。而我们采用了更为灵活的开源平台FlightGear。FlightGear飞行模拟软件是一个自由、开放、联合、协作的开源飞行仿真软件开发平台，拥有完整灵活的通讯接口，完全开放的源码，在此基础上可方便的构建和共享丰富大量的视景，以及各种不同型号的飞机飞行动力学模型和数据、航空电子设备的模拟程序等。 这样的方按保证了我们的飞行模拟器开发验证平台最大的一个优势，就是通用性和拓展性极强。 传统全任务飞行模拟器采用的是大型液晶显示器，硬件数量众多，几乎无法改装。即使改装，仪表开关等硬件仍需保持1：1的座舱实物，改装成本仍是相当昂贵的。我们则采用了半虚拟现实座舱技术，用立体头盔显示器取代了大型液晶屏，这样我们所看到的舱内视景包括座舱，仪表板，开关，飞行员手部等，都由计算机软件生成，大大减少了硬件数量，且可以方便灵活的被更改。可触摸操作的部分仍然保持1：1实物。因此当更换模拟对象时，只需要针对这部分的操作面板进行简单改装，即可实现对新机型的模拟。在虚拟视景的构建和飞行仿真软件的开发上，不同于传统飞行模拟器应用特定并不可更改的商业软件建模，我们采用灵活的开源软件FlightGear构建舱外舱内视景，不但可以修改舱内的外观以适应不同的机型，而且可以修改飞行器操作的动力学特性，来逼真模拟不同种类的飞机飞行特性。再加上我们自主研发的交流伺服力反馈操纵设备，可以自由更改操纵力与操纵位移的关系曲线，使得在模拟飞行中，不但虚拟飞行器的动力学特性满足真实情况，而且驾驶员也能够感受到真实的操纵力。 例如从B737到A320机型的转换 （1）切换动力学模型。我们通过飞行仿真软件中设置的接口调用A320的动力学模型及数据包实现B-737机型的飞行仿真。 （2）切换视景三维模型。我们通过三维建模软件3dsmax构造各种飞机舱内舱外模型，及地景地貌，建立数据库，需要时调用即可。 （3）部分可触摸操纵机构改装。把波音737的驾驶杆A320的驾驶杆，并修改操纵力特性。卸下B737的操纵面板，换上A320的操纵面板。 此外，飞行模拟技术开发验证平台体积轻巧灵活、环保性和维护性好、采购价格和使用成本均十分低廉、功能则接近全任务飞行模拟器，具有极佳的性价比。 4.平台机构、驱动及控制设计——采用6-3UPS六自由度并联机构，采用不带变速装置的直接驱动无刷伺服电机和滚珠丝杠构成纯电动式驱动系统 现有的模拟机一般采用传统的六自由度Stewart并联机构，空间运动范围受到虎克铰等接头构造的限制，还存在位置正解求解困难等问题。而我们的这一设计方案，保证了模拟器使用场地的总高度在普通办公楼层高之内，也保证了模拟器的运动范围足够大和平台接头的简洁、紧凑。同时还保证了并联机构位置和速度等正逆求解简单高效，有利于实时算法的实现。 传统的液压驱动方式技术难度大、设计维护复杂，需要液压泵站等辅助能源，成本较高，而且系统的运动性能还要取决于价格昂贵的大流量电液伺服阀。我们利用不带变速装置的直接驱动无刷伺服电机和滚珠丝杠构成纯电动式驱动系统，代替了传统飞行模拟器所采用的昂贵笨重的液压驱动系统，既满足承载能力、运动精度、快速性等性能指标，也使得整个驱动系统几乎可以免维护。 本系统的运动模拟系统是一个串行的过程，先由操纵杆和油门的位置作为输入，利用飞机动力学方程实时解算出飞机三个平动自由度的线加速度和三个转动自由度的角速度，然后传递给动感模拟算法得出在运动平台有限的工作空间里面上平台的参考运动轨迹，由于运动平台六自由度的Stewart平台，接着可以使用逆运动学计算出每条腿上的参考伸长量，最后利用PID控制算法控制执行器跟踪每条腿的参考伸长量完成运动模拟。 5. 系统集成技术 飞行模拟技术开发验证平台是一个复杂的多学科交叉研究领域，上述的机电系统，视景系统，飞行动力学系统，控制系统需实现无缝高效的集成。系统的控制核心由是两台高性能微机工作站组成，一台实时求解飞机动力学方程并通过洗出算法转换成模拟器上平台的运动参数实现运动平台的控制；另一台则根据飞机运动数据实时变换虚拟视景的绘制和渲染，实现景物与飞机的运动一致。考虑到UDP协议比TCP/IP 协议实现简单，省去了建立连接和拆除连接的过程，取消了重发检验机制，能够达到较高的通信速率,工作站之间的数据传输采用基于局域网的UDP通信。利用微软的DirectX技术开发游戏杆底层的驱动实现输入杆位移的实时获取并作为系统的输入参数。虚拟现实头部跟踪设备采用高精度电磁传感器Liberty实现头部运动检测。主显示设备采用头盔VR1280，双通道1280X1024高分辨率显示，在机场漫游中获得很好的立体效果。手部运动信号的输入及可视化采用CyberGlove系统。虚拟手的开发需要在OpenGL环境中调用VirtualHand SDK进行手形的精确控制和仿真。目前我们在Visual C++开发环境下，结合多线程技术、多媒体技术、进程间通信、Socket通信、动态链接库技术、数据库技术等已基本完成了原型系统的集成。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 设计目的 针对现有飞行模拟器的不足，对虚拟现实技术展开研究，实现视觉、触觉、听觉、动感、力感的模拟。 基本思路 1提出半虚拟现实座舱技术，克服现有虚拟现实技术在舱内开关、手柄类操作模拟上的困难，实现视觉和操纵触觉的同步与交互； 2提出点接触式和非接触式的手指定位技术，消除数据手套的异物感和对触觉的影响； 3采用虚拟现实的立体头盔作为视景设备，舱内外视景都由头盔显示，实现视觉模拟，确保体积小、成本低； 4研制基于真实外形、带力反馈的驾驶杆、脚蹬、油门杆等主操纵模拟系统，确保飞机三轴主操纵的力反馈和操纵杆位置的正确性； 5采用纯电动运动平台，实现6自由度全动感运动模拟，使动感模拟功能不低于传统模拟机，降低驱动系统成本和使用限制。采用边置式运动平台布局，降低结构高度。 创新点 拓展性极强的半虚拟现实座舱技术、新型虚拟现实手部定位技术、头盔式视景设备及防眩晕技术、交流伺服控制力反馈操纵杆、轻巧灵活的平台布局及其机电控制总体方案 技术关键 半虚拟现实座舱技术、基于图像视频采集处理的手部识别定位技术、头部跟踪技术及防眩晕技术、基于开源软件和底部核心软件的视景构建和飞行仿真技术、运动平台机电控制技术 技术指标 触觉、动感、力感、防眩晕、改装灵活、虚实一致、环保性(优)，视觉(良+)，场地要求(小)，动力要求(低),图像处理(易)
科学性、先进性
- 科学性的成果 半虚拟现实座舱技术及新型虚拟现实手指定位技术、头盔三维视景显示方案及防晕眩技术、高拓展性的视景构建及飞行仿真技术、六自由度并联平台机构、无刷伺服电机和滚珠丝杠构成纯电动式直接驱动系统及其控制算法、系统集成技术 先进性和优势 1通用性和拓展性极强。传统飞行模拟器采用大型液晶显示器和实物座舱，硬件数量众多，几乎无法更改，一台模拟器只能模拟一个型号的飞机。我们的半虚拟现实座舱技术和头盔显示方案，除可触摸操作部分仍保持1：1实物，其他舱内视景包括座舱、仪表板、手部都由软件生成在头盔显示器中，大大减少了硬件数量，改装灵活。此外我们采用模块化面向对象的开源飞行仿真平台构建不同机型的飞机动力学模型，配合自主研发的交流伺服力反馈操纵设备，可方便的根据不同机型更改操纵力特性。这样，同一平台经少量改动即可模拟多种型号的飞机特性。 2飞行模拟技术开发验证平台体积轻巧、环保性和维护性好、价格和使用成本均十分低廉、功能则接近全任务飞行模拟器，性价比高。
获奖情况及鉴定结果
- 参加学校第十一届科技节，获特等奖。
作品所处阶段
- 已研制成功飞行模拟技术开发验证平台原型机。各项核心、关键技术、研究成果和创新点都在原型机中得到体现。
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物、录像、现场演示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 飞行模拟技术开发验证平台的技术特点在于广泛采用新型虚拟现实技术，实现视觉、触觉、力感、动感的模拟，成功的以软件代替大量硬件，使其具有很强的通用性、灵活性和可拓展性。此外该平台体积小、环保性和维护性好。其采购价格和使用成本均十分低廉、只相当于传统模拟器的几十分之一，而功能则接近传统模拟器，因此具有极佳的性价比。 该平台既是一个以飞行模拟相关技术为核心的综合技术研究和验证平台，也是一个以飞行模拟器为研究工具的高拓展性多学科研究平台。在此之上可开展各种技术研究工作。如虚拟现实技术研究；先进机电控制技术研究；航空器飞行仿真建模、人素工程研究、操纵性及人机工程等设计评估。 飞行模拟技术开发验证平台还可对特定机型进行改装，可作为传统昂贵的高端模拟器的低成本补充和搭配，成为地面飞行模拟训练器及飞行模拟器等教学设备，可承担地面飞行模拟训练、航空器性能与运行品质评估、航前准备、航后评估、事故再现、新机飞行程序和训练大纲制订等工作，大大节省经费。该平台还可进一步应用于航海、地面车辆等驾驶训练模拟器。
同类课题研究水平概述
- 国外概况 自50年代来，随着计算机和微电子技术的发展，模拟器技术有了很大的发展：模拟式计算机逐步由数字计算机代替；运动平台由三自由度发展到六自由度；视景系统采用投影屏幕由计算机成像；飞机系统数学建模越来越精细。70年代末，美英等国均建成飞行模拟仿真试验中心。目前国际上研究热点集中在： 1模拟器运动系统控制和动感模拟算法的研究，特别是对飞机受大气扰动后发生剧烈运动的动感模拟增强算法的研究。 2飞行器系统数学模型的高逼真度建模，包括非常规布局飞行器的动力学建模、飞机各分系统建模、综合自然环境和复杂大气扰动的建模等。 3新技术条件下模拟器视景系统研究，特别对视景生成的延迟补偿方法的研究。 4模拟器的人机工程研究，特别针对运用了新技术后出现的“仿真病”的研究。 5基于虚拟现实技术的具备可重配置能力的低成本模拟器研究。 以上研究热点，不少是在采用了新技术方案研制模拟器的过程中出现的。传统全任务模拟器一般采用基于大屏幕或球幕的视景系统，采用真实飞机座舱，并使用液压驱动的运动系统，逼真度高，功能强大，但安置、使用、维护的成本非常高。近年来出现了一类新技术飞行模拟器，采用头盔显示器等虚拟现实技术实现视景模拟；采用带指力/握力反馈的数据手套实现触觉模拟；座舱采用可重配置的结构以保证模拟不同型号飞机；飞行仿真软件亦可根据不同机型在线配置。这类模拟器逼真度虽不如传统型模拟器，且存在视景延时等问题，但使用、维护成本低廉。鉴于航空应用部门愈发繁重的飞行培训任务，新技术模拟器可对传统模拟器进行有力补充。 国内概况 国内的研究起步较晚，尽管发展较快，但其研究水平与国外相比尚有很大差距。国内1975年开始研制歼6飞机飞行模拟器，是我国自行研制的第一台功能较完善的模拟器，带闭路电视视景系统，音响系统和三自由度运动系统，可设置不同的大气扰动气象条件，并可设置数十种故障模式。90年代，国内先后研制成功了运7飞行模拟器，运12飞行模拟器，歼8飞行模拟器等，技术达到或接近国外同期水平。2002年北京蓝天航空科技有限公司研制成功新舟60飞行模拟器，于2003年通过民航总局C级模拟器认证，是我国设计的第一台符合国际等级的模拟器，首次全面实现复杂航电设备的仿真，开发了具有自主知识产权的飞行数据包。国内训练型模拟器除军机模拟器是自行研制外，民机模拟器依然主要依赖进口。
