基于預(yù)測(cè)和雙緩沖區(qū)的直升機(jī)視景仿真

，，

(海軍航空工程學(xué)院 青島校區(qū)科研處軍用虛擬仿真研究與訓(xùn)練中心，山東 青島 266041)

0 引言

現(xiàn)代直升機(jī)以其獨(dú)特的環(huán)境適應(yīng)性在軍事和民用領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，我國(guó)目前正在大力發(fā)展直升機(jī)，直升機(jī)的數(shù)量在迅速增加，需要培養(yǎng)大量的直升機(jī)飛行員。采用模擬訓(xùn)練的手段可以提高效率、節(jié)省經(jīng)費(fèi)、保證安全。視景仿真系統(tǒng)在飛行模擬訓(xùn)練中為飛行員提供逼真的視覺感官體驗(yàn)，提高模擬訓(xùn)練的逼真度，是飛行訓(xùn)練模擬器的重要組成部分。與固定翼飛機(jī)不同，直升機(jī)的起飛降落可以在機(jī)場(chǎng)、平地、樓頂平臺(tái)、艦面等眾多地點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，不局限于機(jī)場(chǎng)跑道，因此對(duì)視景中的細(xì)節(jié)要求更高，同時(shí)要求視景要與飛控緊密配合，將直升機(jī)與場(chǎng)景中地形和目標(biāo)的交互信息回饋給飛控，以配合直升機(jī)在不同的地點(diǎn)降落。目前國(guó)內(nèi)的大部分直升機(jī)視景仿真采用的是MultiGen—Paradigm(后與Engenuity和TerreX公司合并成Presagis公司)的VegaPrime(以下簡(jiǎn)稱VP)作為視景驅(qū)動(dòng)軟件[1-6]，還有一部分采用FlightGear[7]。在直升機(jī)視景仿真的報(bào)道中，大部分的文章著重講述了場(chǎng)景的搭建和控制，關(guān)于飛控?cái)?shù)據(jù)的處理并不多[8-10]，而在工程實(shí)踐中必須解決飛控仿真與視景渲染不同步的問題。

為了解決直升機(jī)視景仿真中飛控與視景不同步和降落問題，本文首次提出了一種基于雙緩沖區(qū)和預(yù)測(cè)機(jī)制的直升機(jī)著艦視景系統(tǒng)的解決方法。該方法首先將直升機(jī)的姿態(tài)信息進(jìn)行采樣處理，使之與視景仿真頻率匹配，以達(dá)到飛控仿真和視景仿真的時(shí)間同步性，然后將處理后的姿態(tài)信息存儲(chǔ)于兩個(gè)緩沖區(qū)中，一個(gè)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)傳送給視景進(jìn)行更新；一個(gè)緩沖區(qū)中的的姿態(tài)信息來(lái)預(yù)測(cè)飛控仿真的下一幀數(shù)據(jù)，然后傳送給視景進(jìn)行碰撞檢測(cè)，最終使直升機(jī)正確降落。接下來(lái)首先對(duì)飛控與視景不同步的原因進(jìn)行分析，并給出相應(yīng)的解決方法，最后給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1 飛控與視景不同步的原因分析

直升機(jī)視景仿真中，飛控系統(tǒng)計(jì)算出飛機(jī)的位置，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)揭暰跋到y(tǒng)，驅(qū)動(dòng)視景模型庫(kù)建立戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境。各系統(tǒng)之間的關(guān)系如圖1所示，視景控制程序收集飛控和其他模塊與視景系統(tǒng)進(jìn)行交互的各種信息，主要包括直升機(jī)和其他目標(biāo)的姿態(tài)位置信息，并把這些信息轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的協(xié)議發(fā)送到視景渲染模塊，將視景渲染模塊反饋回來(lái)的碰撞信息等進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換后發(fā)送給飛控解算；視景控制主程序主要負(fù)責(zé)對(duì)場(chǎng)景中的模型和特效等進(jìn)行統(tǒng)一的控制和管理；視景渲染模塊主要負(fù)責(zé)接收視景驅(qū)動(dòng)發(fā)送過來(lái)的信息，并在場(chǎng)景中作出相應(yīng)的渲染和改變，同時(shí)將需要回應(yīng)的信息發(fā)送給視景控制模塊。

圖1 直升機(jī)著艦中各系統(tǒng)關(guān)系圖

飛控解算出的飛機(jī)六自由度信息一般會(huì)通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸給視景模塊，由于網(wǎng)絡(luò)堵塞或者延遲等原因，會(huì)出現(xiàn)漏幀的情況。假設(shè)飛控的解算頻率和視景的刷新頻率完全一致，那么在Tn,Tn+1,Tn+2時(shí)刻，視景端應(yīng)該收到Fn,Fn+1,Fn+2幀的數(shù)據(jù)，但由于網(wǎng)絡(luò)原因，只收到了Fn,Fn+2幀的數(shù)據(jù)，這種情況下會(huì)導(dǎo)致場(chǎng)景出現(xiàn)卡頓，尤其是飛機(jī)做大坡度飛行時(shí)，使用者會(huì)感覺到場(chǎng)景的抖動(dòng)。

飛行仿真是比較復(fù)雜的系統(tǒng)，一般是根據(jù)自己的時(shí)鐘和仿真步長(zhǎng)進(jìn)行多步長(zhǎng)推進(jìn)的方式進(jìn)行計(jì)算。一般飛行仿真的內(nèi)部解算采用10 ms的周期進(jìn)行。視景系統(tǒng)是通過數(shù)據(jù)來(lái)驅(qū)動(dòng)視景模型的，根據(jù)視景每幀獲取的實(shí)體狀態(tài)進(jìn)行等步長(zhǎng)解算。視景更新頻率為 60 Hz，也就是以16.7 ms為步長(zhǎng)進(jìn)行解算。這樣就存在刷新頻率和數(shù)據(jù)幀不同步問題， 而且?guī)芷谝膊灰粯?，加上每幀?jì)算所花費(fèi)時(shí)間不一樣，再加上網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)，由此引起數(shù)據(jù)讀錯(cuò)幀。在視景解算時(shí)就會(huì)發(fā)生連續(xù)兩幀數(shù)據(jù)讀取是同樣數(shù)據(jù)， 或者有些幀數(shù)據(jù)未被讀取等現(xiàn)象(跳幀)[8]。如圖2上圖所示，在飛控和視景分別以100幀/秒和10幀/秒運(yùn)行的情況下，在理想情況下，當(dāng)視景渲染1，2，3，4，5，6，7，8幀時(shí)，所用到的飛控?cái)?shù)據(jù)分別為1，2，4，5，7，9，10，12幀。這樣飛控與視景渲染達(dá)不到同步，在場(chǎng)景渲染時(shí)會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)等情況，影響用戶的使用；同時(shí)飛控系統(tǒng)需要視景反饋回的碰撞信息進(jìn)行解算，視景在1，2，3，4，5，6，7，8幀所檢測(cè)的碰撞信息分別反饋到了飛控的1，2，5，7，9，10，12，13幀，這種非實(shí)時(shí)反饋的碰撞信息會(huì)嚴(yán)重影響飛控的計(jì)算結(jié)果，導(dǎo)致飛控出現(xiàn)不可預(yù)料的錯(cuò)誤。

圖2 飛控與視景數(shù)據(jù)傳輸示例

2 飛控與視景不同步的解決方法

通過第一節(jié)的分析可以知道，飛控與視景不同步主要是由兩個(gè)原因引起的：一是網(wǎng)絡(luò)傳輸所導(dǎo)致的漏幀和跳幀；二是飛控的計(jì)算頻率與視景的刷新頻率不一致所導(dǎo)致的錯(cuò)幀。針對(duì)這兩種問題，采用不同的方法予以解決：一是在視景控制端利用已知數(shù)據(jù)對(duì)沒有收到的飛控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行模擬推演，保證數(shù)據(jù)的完整性；二是利用雙緩沖區(qū)來(lái)解決錯(cuò)幀問題。

2.1 利用推演解決漏幀問題

飛控與視景之間的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，網(wǎng)絡(luò)傳輸會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，而視景刷新時(shí)需要連貫一致的數(shù)據(jù)，否則會(huì)出現(xiàn)場(chǎng)景抖動(dòng)的現(xiàn)象。為了得到與視景刷新同步的數(shù)據(jù)，同時(shí)又不能增加視景端的計(jì)算負(fù)擔(dān)，因此需要在視景端需要利用已經(jīng)收到的數(shù)據(jù)推演出丟失的數(shù)據(jù)，從而保證數(shù)據(jù)的一致性。假設(shè)視景在時(shí)刻收到的飛機(jī)六自由度數(shù)據(jù)為{Lonn,Latn,Altn,Hn,Pn,Rn}，其中Lonn,Latn,Altn代表了飛機(jī)的位置信息，分別是飛機(jī)的經(jīng)度、緯度和高度信息，Hn,Pn,Rn表示飛機(jī)的姿態(tài)信息，分別是航向角、俯仰角和橫滾角信息。視景端同時(shí)還會(huì)收到飛控傳過來(lái)的飛機(jī)速度數(shù)據(jù)Vn={Vx,Vy,Vz,Vh,Vp,Vr},Vx,Vy,Vz分別是飛機(jī)速度的北向分量，東向分量和天向分量；Vh,Vp,Vr分別是飛機(jī)的偏航角速度，俯仰角速度和橫滾角速度。而在tn+1時(shí)刻沒有收到數(shù)據(jù)。此時(shí)視景端需要根據(jù)已經(jīng)收到的飛機(jī)位置姿態(tài)信息和速度信息推算出飛機(jī)在tn+1時(shí)刻的位置姿態(tài)信息。因?yàn)轱w機(jī)的位置是用經(jīng)度、緯度和高度來(lái)描述的，而飛機(jī)的速度信息卻是以飛機(jī)起飛點(diǎn)為原點(diǎn)，北向?yàn)閄方向，東向?yàn)閅方向，天空為Z方向的笛卡爾坐標(biāo)系來(lái)描述的，因此需要進(jìn)行坐標(biāo)變換才能使二者的坐標(biāo)一致。利用函數(shù)f(x)表示從經(jīng)緯度坐標(biāo)到北東天坐標(biāo)的變換，則在北東天坐標(biāo)系下的飛機(jī)位置如公式(1)所示。

Dn’={X,Y,Z,H,P,R}=f(Dn)=

{f(Lonn,Latn,Altn),Hn,Pn,Rn}

(1)

用函數(shù)f’(x)表示從北東天坐標(biāo)系到經(jīng)緯度坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，則視景端在tn+1時(shí)刻的飛機(jī)六自由度數(shù)據(jù)如公式(2)所示。

Dn+1=f’(f(Dn)+An)

(2)

2.2 利用雙緩沖區(qū)解決錯(cuò)幀問題

飛控與視景是一個(gè)雙向交互的過程，如果視景只是接收飛控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行飛機(jī)姿態(tài)的定位和顯示，那么問題變的相對(duì)簡(jiǎn)單，可只對(duì)視景接收到的飛機(jī)姿態(tài)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后送渲染端進(jìn)行顯示即可，在很多工程應(yīng)用上都如此處理；而在飛控需要視景實(shí)時(shí)反饋的碰撞檢測(cè)結(jié)果作為飛控的輸入量進(jìn)行解算時(shí)，整個(gè)過程成為一個(gè)需要實(shí)時(shí)反饋的系統(tǒng)，這樣視景系統(tǒng)不但需要處理接收到的數(shù)據(jù)，還需要保證將當(dāng)前飛機(jī)與場(chǎng)景中發(fā)生碰撞的信息實(shí)時(shí)返回。本文通過在飛控和視景控制端加入了雙數(shù)據(jù)緩沖區(qū)來(lái)解決這個(gè)問題，如圖2下圖所示，在飛控的數(shù)據(jù)傳送給視景之前，先將其數(shù)據(jù)放入雙緩沖區(qū)中，在緩沖區(qū)中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使得飛控發(fā)送給視景的數(shù)據(jù)和飛控接收到的視景數(shù)據(jù)都滿足要求，能夠同步。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，如圖3所示，緩沖區(qū)1存放用來(lái)進(jìn)行視景渲染的飛機(jī)信息，通過插值計(jì)算使飛控解算頻率與渲染頻率匹配；緩沖區(qū)2存放用來(lái)進(jìn)行碰撞檢測(cè)的飛機(jī)信息，通過預(yù)測(cè)算法使飛控解算頻率與渲染頻率匹配。視景中放置兩架飛機(jī)，一架用來(lái)渲染，一架“影子飛機(jī)”只用來(lái)進(jìn)行碰撞檢測(cè)的計(jì)算，不在場(chǎng)景中進(jìn)行渲染，這樣既可以保證在渲染時(shí)按照渲染端的頻率進(jìn)行更新，又可以保證碰撞檢測(cè)的實(shí)時(shí)性。

圖3 雙緩沖區(qū)示意圖

為了達(dá)到頻率匹配，視景和飛控中的數(shù)據(jù)都自帶幀號(hào)，若當(dāng)前視景渲染到n幀，飛控解算到m幀，緩沖區(qū)1由一個(gè)10幀的隊(duì)列組成，所收到的數(shù)據(jù)分別為{Dm,Dm+1,Dm+2,Dm+3,Dm+4,Dm+5,Dm+6,Dm+7,Dm+8,Dm+9}，用來(lái)渲染的數(shù)據(jù)為{DDn,DDn+1,DDn+2,DDn+3,DDn+4,DDn+5}，則它們之間的關(guān)系為：

(3)

其中:C1+C2=1,C3+C4=1,C6+C7=1,C8+C9=1。從公示(3)可以看出，利用線性插值算法可從緩沖區(qū)1中計(jì)算出需要渲染的數(shù)據(jù)。這樣可保證飛控發(fā)送過來(lái)的數(shù)據(jù)能夠與視景的渲染速度相匹配，如果視景渲染幀速或飛控的解算頻率發(fā)生改變，則相應(yīng)修改公式(3)即可。為了保證數(shù)據(jù)的一致性，緩沖區(qū)1中的數(shù)據(jù)采用滑動(dòng)窗口進(jìn)行，按照“先進(jìn)先出”的原則，采用隊(duì)列存儲(chǔ)緩沖區(qū)1的數(shù)據(jù)。利用緩沖區(qū)計(jì)算的時(shí)候，使用者操作后的效果在視景上顯現(xiàn)時(shí)會(huì)延遲0.01秒，這種延遲不會(huì)影響使用者的主觀感受。

緩沖區(qū)2用來(lái)計(jì)算當(dāng)前幀的碰撞檢測(cè)，本文中采用的LOS碰撞檢測(cè)，該檢測(cè)需要提供檢測(cè)線的起點(diǎn)和終點(diǎn)形成檢測(cè)線，而檢測(cè)線的起點(diǎn)和終點(diǎn)依附在飛機(jī)尾部上，因此是隨著飛機(jī)實(shí)時(shí)更新的。假設(shè)視景在第n幀接收到碰撞檢測(cè)請(qǐng)求，會(huì)在第n+1幀將檢測(cè)結(jié)果返回。如果將當(dāng)前幀的碰撞檢測(cè)請(qǐng)求直接發(fā)送給視景，則結(jié)果需要在下一幀才能收到，延遲了一幀。為了解決這個(gè)問題，我們?cè)O(shè)立了第二個(gè)緩沖區(qū)。假設(shè)收到飛控的當(dāng)前幀數(shù)據(jù)為第i幀，則在第二個(gè)緩沖區(qū)中存放的五幀數(shù)據(jù)分別為{Di-4,Di-3,Di-2,Di-1,Di}。首先根據(jù)公式(3)計(jì)算出這五幀數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的三幀渲染數(shù)據(jù){DDn-2,DDn-1,DDn}；然后利用飛機(jī)當(dāng)前幀的位置和加速度預(yù)測(cè)出下一幀飛機(jī)的位置姿態(tài)。公式如下：

DDn+1=DDn+C0Vn+C1Vn-1

(4)

其中:C0+C1=1,Vn=DDn-DDn-1,Vn-1=DDn-1-DDn-2。將預(yù)測(cè)到的數(shù)據(jù)發(fā)送給視景中的“影子飛機(jī)”，然后將視景發(fā)送回來(lái)的碰撞檢測(cè)結(jié)果作為輸入量傳送給飛控進(jìn)行解算。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如果直接將飛控?cái)?shù)據(jù)賦值給視景，我們記錄了視景渲染幀數(shù)和飛控計(jì)算幀數(shù)，他們的關(guān)系如圖4所示，其中橫軸是視景渲染幀數(shù)，縱軸是飛控計(jì)算幀數(shù)。若兩者的仿真頻率完全匹配，則該圖中應(yīng)該是一條直線，而現(xiàn)在卻是折線，因此幀率是不匹配的，而且由于幀率不匹配，出現(xiàn)了錯(cuò)幀和漏幀，圖中圓圈所示是一處非常典型的錯(cuò)漏幀情況。

圖4 視景渲染幀數(shù)與飛控仿真幀數(shù)關(guān)系圖

圖5 采樣后數(shù)據(jù)、非采樣數(shù)據(jù)和真實(shí)數(shù)據(jù)之間的對(duì)比

以飛行高度數(shù)據(jù)為例，設(shè)置飛控仿真頻率為100幀/秒，視景渲染頻率為50幀/秒，得到根據(jù)視景渲染頻率采樣插值后的數(shù)據(jù)和沒有采樣直接接收的兩組數(shù)據(jù)，圖5顯示了這兩組數(shù)據(jù)與直接按照50幀/秒的頻率得到的飛控?cái)?shù)據(jù)圖，其中橫軸是仿真時(shí)間，縱軸是分別是三組數(shù)據(jù)，線段1是按照50幀/秒的頻率得到的飛控?cái)?shù)據(jù)(即真實(shí)數(shù)據(jù))；線段2是根據(jù)視景渲染頻率采樣插值后的數(shù)據(jù)；線段3是沒有采樣直接接收的數(shù)據(jù)。圖5上圖是原始圖，下圖是局部細(xì)節(jié)放大后的圖像。從中可以看出，線2比線3更接近真實(shí)數(shù)據(jù)，即根據(jù)視景渲染頻率采樣插值后的數(shù)據(jù)比沒有采樣直接接收的數(shù)據(jù)更接近原始數(shù)據(jù)。以50個(gè)數(shù)據(jù)為一組，取100組，將這兩組數(shù)據(jù)與真實(shí)數(shù)據(jù)之差的方差進(jìn)行對(duì)比，如圖6上圖所示，其中曲線1表示根據(jù)視景渲染頻率采樣插值后的數(shù)據(jù)與真實(shí)數(shù)據(jù)之差的方差，曲線2是直接接收的數(shù)據(jù)與真實(shí)數(shù)據(jù)之差的方差；可以看出，曲線1數(shù)據(jù)與真實(shí)數(shù)據(jù)之差的方差更小，因此本文的采樣算法是成功的。用同樣的方法，以50個(gè)數(shù)據(jù)為一組，取100組，計(jì)算預(yù)測(cè)到的飛控?cái)?shù)據(jù)與真實(shí)數(shù)據(jù)之差的方差，其結(jié)果如圖6下圖所示，本文的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)越來(lái)越收斂與真實(shí)數(shù)據(jù)，因此預(yù)測(cè)算法也是成功的。

圖6 方差分析圖

4 結(jié)束語(yǔ)

該方法目前已應(yīng)用于多個(gè)直升機(jī)模擬訓(xùn)練項(xiàng)目中，有效解決了由于飛控與視景不同步所引起的場(chǎng)景抖動(dòng)問題，并且能夠保證直升機(jī)在多個(gè)地點(diǎn)正常降落，目前該方法已成功應(yīng)用于通用直升機(jī)著艦系統(tǒng)，取得了非常好的效果。下一步將在飛控?cái)?shù)據(jù)預(yù)測(cè)中進(jìn)一步優(yōu)化算法，使預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)更接近真實(shí)值。