基于HoLoLens的飛行仿真輔助視景系統(tǒng)設(shè)計

金榮深

摘要：本文利用微軟Hololens技術(shù)，通過Hololens與飛行仿真交互功能開發(fā)，完成了飛行仿真輔助視景系統(tǒng)設(shè)計。在飛行仿真相關(guān)飛機(jī)地面模擬試驗中，輔助視景系統(tǒng)能夠模擬實時、準(zhǔn)確、穩(wěn)定的展示飛機(jī)本體變化，同時提高飛行仿真系統(tǒng)的開發(fā)、升級效率。

關(guān)鍵詞：Hololens;飛行仿真;輔助視景;地面模擬試驗

中國分類號：TB472 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編碼：1672-7053（2018）06-0138-02

飛行仿真系統(tǒng)是民機(jī)飛控系統(tǒng)地面模擬試驗不可或缺的試驗設(shè)備之一，通過實時解算飛機(jī)運(yùn)動方程和飛機(jī)發(fā)動機(jī)模型來更新飛機(jī)的飛行狀態(tài)，其主要包括軟硬件系統(tǒng)、I/O設(shè)備、飛行運(yùn)動方程、模型如發(fā)動機(jī)模型、起落架模型等。飛行仿真系統(tǒng)采用“硬件在回路”與“基于模型驅(qū)動”的仿真技術(shù)，在飛控系統(tǒng)地面模擬試驗的全數(shù)字仿真、半物理仿真階段、交聯(lián)試驗以及適航相關(guān)試驗中占有非常重要的位置。

現(xiàn)階段，飛行仿真系統(tǒng)設(shè)計完成后，其模型運(yùn)行情況、系統(tǒng)閉環(huán)特性的評估主要依賴于后期的數(shù)據(jù)分析，如圖、表、數(shù)等，設(shè)計人員缺乏直觀的判斷依據(jù)，且實時仿真過程中，無法實時確認(rèn)故障時間點和故障類型。因此，需要一種基于飛行仿真系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)的輔助視景設(shè)備，供設(shè)計人員進(jìn)行直觀評判。

Hololens全息眼鏡是微軟推出的一款虛擬現(xiàn)實裝置，為頭戴式增強(qiáng)現(xiàn)實裝置，是一種在現(xiàn)實場景中顯示全息圖像的設(shè)備，可以完全獨立使用，同時無需線纜連接、無需同步電腦或智能手機(jī)。通過Hololens技術(shù)，可以與飛行仿真系統(tǒng)進(jìn)行通訊接口設(shè)計，為飛行仿真設(shè)計人員提供實時、逼真的輔助視景，直觀顯示飛機(jī)本體狀態(tài)，并可通過互動實現(xiàn)觀察視角的切換。

1系統(tǒng)架構(gòu)

1.1功能分析

在飛行仿真試驗過程中，需要通過HoIoLens眼鏡實時顯示飛行時的飛機(jī)本體狀態(tài)，并可通過互動實現(xiàn)觀察視角的切換，以方便設(shè)計人員全方位評判飛行仿真閉環(huán)特性。

其主要包括以下功能需求：

1）靜態(tài)飛機(jī)三維模型展示;

2）飛機(jī)本體狀態(tài)展示：根據(jù)飛行仿真數(shù)據(jù)，實時立體展現(xiàn)飛機(jī)的飛行狀態(tài)，如起飛、平飛、降落等;

3）飛機(jī)架構(gòu)可視化：根據(jù)飛行仿真數(shù)據(jù)，及用戶和HoIoLens交互的結(jié)果，實時展示飛機(jī)的系統(tǒng)架構(gòu)、信號流;

4）模型可視化：根據(jù)用戶與HoIoLens的交互，逐級展示用戶當(dāng)前想看的分系統(tǒng)模型。

5）數(shù)據(jù)監(jiān)控：仿真平臺實時對采集的數(shù)據(jù)存儲，提供列表、曲線、圖形等多種方式顯示監(jiān)控數(shù)據(jù)。

實時仿真平臺支持多處理、多線程仿真，通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將主控計算機(jī)和仿真平臺其他計算機(jī)（如控制臺計算機(jī)、輔助視景、數(shù)據(jù)處理及分析等）實時連接，實現(xiàn)平臺的同步控制和數(shù)據(jù)交互，其平臺實時性是重要指標(biāo)之一。平臺實時性直接影響飛行仿真的閉環(huán)特性，以飛行仿真測試為核心的仿真平臺，需去除其他設(shè)備帶來的延遲影響，或?qū)⒂绊懡抵磷畹鸵悦庥绊懺O(shè)計人員判斷。

在平臺運(yùn)行之前，需要確定平臺整體實時性指標(biāo)，并形成有效的實時性測試方案，并有相應(yīng)的測試結(jié)果和分析結(jié)果。

1.2數(shù)據(jù)交互分析

接口管理是仿真平臺的重要組成部分之一，輔助視景系統(tǒng)需要具備多個接口與其他試驗設(shè)備、顯示設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，如圖1所示。其中，綜合試驗管理系統(tǒng)軟件通過TCP/IP通訊方式從飛行仿真設(shè)備獲得飛行仿真系統(tǒng)封裝的飛行狀態(tài)數(shù)據(jù);HoIoLens眼鏡通過無線網(wǎng)絡(luò)的通訊方式獲取綜合試驗管理系統(tǒng)軟件計算出的飛機(jī)的實時狀態(tài)，并在眼鏡中實時顯示飛機(jī)的本體狀態(tài)。

根據(jù)飛行仿真的動力學(xué)和運(yùn)動學(xué)模型實時結(jié)算，其封裝打包發(fā)送出的飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)主要包括以下幾方面：

1）飛機(jī)在機(jī)體軸的線加速度、角加速度、角速率等;

2）飛機(jī)的真空速及機(jī)體軸上的三個速度分量，加入風(fēng)和紊流的擾動影響，積分計算俯仰、滾轉(zhuǎn)、偏航速率等;

3）飛機(jī)壓力高度、馬赫數(shù)、校正空速等;

4）飛機(jī)的滾轉(zhuǎn)角、俯仰角、偏骯角和航向;

5）其他必要數(shù)據(jù)。

在綜合試驗管理系統(tǒng)軟件端以及顯示設(shè)備端開發(fā)相應(yīng)的數(shù)據(jù)解包模塊，將飛行仿真經(jīng)實時網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的打包數(shù)據(jù)實時解包，作為輔助視景系統(tǒng)的重要輸入。整個打解包模塊需具備較好的實時性，并最大限度減少處理時間，以免產(chǎn)生視景卡頓或延時，影響設(shè)計人員判斷。多個仿真節(jié)點之間通過時間戳、標(biāo)志位等進(jìn)行同步計算，計算過程中通過綜合管理軟件實時共享數(shù)據(jù)，仿真節(jié)點作為整個實時仿真網(wǎng)絡(luò)的主機(jī)，與其他節(jié)點組成一個完整的實時仿真回路。在每個計算幀周期開始時刻，仿真節(jié)點計算機(jī)依次發(fā)送計算命令，各節(jié)點收到計算命令后分別開始解算。然后，仿真節(jié)點計算機(jī)從共享數(shù)據(jù)讀取所需數(shù)據(jù)。解算結(jié)束后，刷新共享數(shù)據(jù)，等待下一個解算周期。

同時，綜合試驗管理系統(tǒng)軟件開發(fā)數(shù)據(jù)存儲功能模塊，可將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合存儲，以方便后期進(jìn)行數(shù)據(jù)回放和數(shù)據(jù)處理，以方便故障診斷、定位，方便飛行仿真和輔助視景系統(tǒng)維護(hù)、改進(jìn)。數(shù)據(jù)存儲和采集采用無損旁路采集模式，對原有的通信鏈路為透明傳輸，對仿真平臺不帶來延時，以免影響仿真效果。

在飛行仿真中，實際操作并模擬一個飛行起落，實現(xiàn)輔助視景動態(tài)展示飛機(jī)全過程參數(shù)狀態(tài)響應(yīng)。設(shè)計人員在輔助視景中，可以通過手勢與HoIoLens的互動實現(xiàn)觀察視角的變換，借助MR演示技術(shù)，創(chuàng)造沉浸式的體驗方式，讓設(shè)計員體驗到真實飛行感受，以直接評估仿真結(jié)果;通過操作可視化集成軟件，在LED虛擬現(xiàn)實大屏上同步顯示HoIoLens眼鏡中的內(nèi)容，從而讓參觀者能同步觀看到HoIoLens中顯示的飛機(jī)本體狀態(tài);綜合試驗管理系統(tǒng)軟件通過TCP/IP通訊方式從飛行仿真設(shè)備獲得飛行仿真數(shù)據(jù);可視化集成軟件從綜合試驗管理系統(tǒng)軟件中讀取相關(guān)的飛行數(shù)據(jù)，并實時顯示在大屏中相應(yīng)的小窗口中。

1.3開發(fā)點分析

為了保證開發(fā)進(jìn)度，使用構(gòu)建Windows應(yīng)用程序所需的工具，包括Windows混合現(xiàn)實應(yīng)用程序。同時，由于Windows混合現(xiàn)實開發(fā)沒有單獨的SDK，使用Windows 10 SDK（版本1511或更高版本）的Visual Studio開發(fā)。

主要針對飛機(jī)三維模型進(jìn)行逐點開發(fā)，包括架構(gòu)顯示.可視化、交互、視角以及狀態(tài)監(jiān)測等方面，如下圖2所示。

2開發(fā)實現(xiàn)

2.1飛機(jī)三維模型靜態(tài)展示

將某型號飛機(jī)三維模型導(dǎo)入到HoIoLens中，并在HoIoLens中靜態(tài)展示，展示效果如圖3所示。

通過手勢與HoIoLens互動，可以實現(xiàn)模型的旋轉(zhuǎn)、放大、縮小等操作。

2.2與飛行仿真交互

在Hololens已導(dǎo)入的飛機(jī)三維模型基礎(chǔ)之上，結(jié)合HoIoLens獲取到的仿真飛行數(shù)據(jù)，實時渲染飛機(jī)模型的當(dāng)前的狀態(tài)（如上升、平飛、下降等），同時通過手勢動作，操作飛機(jī)觀察視角的切換。如圖4所示。

HoIoLens展示的飛機(jī)本體狀態(tài)，可通過微軟的專用數(shù)據(jù)導(dǎo)出軟件，同步顯示在顯示大屏上。

3結(jié)論

本文從飛行仿真試驗直觀顯示的需求出發(fā)，利用微軟hololens技術(shù)，完成了Hololens與飛行仿真交互功能開發(fā)。根據(jù)靜態(tài)飛機(jī)三維模型，詳細(xì)設(shè)計了展示功能，并根據(jù)飛行仿真數(shù)據(jù)實時交互，實時立體展現(xiàn)飛機(jī)的飛行狀態(tài)，如起飛、平飛、降落等。同時，完成了飛機(jī)架構(gòu)可視化設(shè)計，根據(jù)飛行仿真數(shù)據(jù)，及用戶和HoIoLens交互的結(jié)果，實時展示飛機(jī)的系統(tǒng)架構(gòu)、信號流。

在飛行仿真相關(guān)試驗中，輔助視景系統(tǒng)能夠模擬實時、準(zhǔn)確、穩(wěn)定的展示飛機(jī)本體變化，為飛行仿真設(shè)計人員提供直觀的模型評判依據(jù)，以方便設(shè)計人員全方位評判飛行仿真閉環(huán)特性。同時，有助于輔助設(shè)計人員完成飛行仿真的模型開發(fā)、升級，改進(jìn)飛行仿真設(shè)計，充分提高開發(fā)效率。

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