基于VR的航空飛行適航保障模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)

閆克明 田磊 劉寶

關(guān)鍵詞： 虛擬仿真系統(tǒng); VR技術(shù); 航空飛行; 適航保障; 模擬訓(xùn)練; 飛行訓(xùn)練

中圖分類號： TN02?34; TP271 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）01?0134?05

Abstract： The virtual simulation system is difficult to provide the real flight experience for pilot training， and has the problems of poor training results and high cost. A new aviation flight airworthiness support simulation training system based on VR technology is designed to solve the above problems. The hardware and software of the system are designed separately. The decoder， controller and memory are mainly designed in the first paragraph of this paper. It selects chip VIS67 as the decoder to reduce system power consumption， high?performance chip MUAS85 as the controller to enhance the encryption function， and chip SLI as the memory to enlarge the storage range. The software design is divided into the steps of athlete detection， training management， training implementation and training results display. The proposed system is compared with traditional virtual simulation system with experiment to detect the training effect. The experimental results show that the aviation flight airworthiness support simulation training system based on VR technology can provide an immersive feeling for pilot， and improve the training effect greatly. The virtual scenarios can be used repeatedly， which can reduce the work cost.

Keywords： virtual simulation system; VR technology; aviation flight; airworthiness support; simulation training; flight training

0 ?引 ?言

近年來，民航業(yè)發(fā)展越來越迅速，國家對于航空飛行員提出了更多的要求。面對日益擴(kuò)增的機(jī)群規(guī)模，飛行員必須要加強(qiáng)訓(xùn)練，但空中訓(xùn)練成本過高，一次訓(xùn)練要花費(fèi)大量的人力、物力、財(cái)力，VR技術(shù)為航空訓(xùn)練帶來了新的選擇方式[1]。利用VR技術(shù)建立宇航員適航保障模擬訓(xùn)練中心，改變了傳統(tǒng)意義上的訓(xùn)練方式。航空訓(xùn)練要求過程嚴(yán)謹(jǐn)，能夠確保飛行員的安全。VR技術(shù)融合了空間科學(xué)技術(shù)，給訓(xùn)練員一種在真實(shí)環(huán)境訓(xùn)練的感覺，再通過循序漸進(jìn)的方式提高訓(xùn)練員的專業(yè)素養(yǎng)。

目前大多數(shù)訓(xùn)練方式都是利用虛擬仿真系統(tǒng)訓(xùn)練飛行員，雖然能夠給員工一定的飛行體驗(yàn)，但是真實(shí)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)差于VR訓(xùn)練系統(tǒng)，訓(xùn)練員缺少沉浸感，訓(xùn)練效果不佳。VR技術(shù)能夠完全模擬航空飛行過程，包括航空服務(wù)、機(jī)艙飛行、緊急情況疏散等等，飛行員在利用VR技術(shù)設(shè)計(jì)的訓(xùn)練系統(tǒng)中，會有一種身臨其境的感覺，學(xué)習(xí)效果也大大提高[2]。

綜上所述，本文基于VR技術(shù)設(shè)計(jì)了一種新的航空飛行適航保障模擬訓(xùn)練系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠通過建立虛擬場景完成實(shí)際訓(xùn)練，使訓(xùn)練效果大大提高，系統(tǒng)不需要飛行員真正飛行，提高了飛行員訓(xùn)練過程的安全性，建立的虛擬場景可以反復(fù)使用，大大降低了成本。系統(tǒng)支持多人同時(shí)工作，飛行員通過一個頭盔就可以完成全部的訓(xùn)練，系統(tǒng)能夠自動切換場景，訓(xùn)練消耗的時(shí)間可得到有效縮短[3]。

1 ?航空飛行適航保障模擬訓(xùn)練系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

航空作業(yè)工作復(fù)雜，飛行員承擔(dān)著重要角色，因此設(shè)計(jì)的適航保障模擬訓(xùn)練系統(tǒng)必須具備極強(qiáng)的訓(xùn)練能力。本文設(shè)立的訓(xùn)練系統(tǒng)硬件通過中心網(wǎng)絡(luò)控制，能夠高效地完成規(guī)定的訓(xùn)練計(jì)劃。

基于VR技術(shù)設(shè)計(jì)的航空飛行適航保障模擬訓(xùn)練系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖如圖1所示。

由圖1可知，一個訓(xùn)練系統(tǒng)能夠同時(shí)訓(xùn)練多個飛行員，訓(xùn)練系統(tǒng)同時(shí)操控控制器、編碼器、Web服務(wù)器和存儲器，由訓(xùn)練電路將各個設(shè)備連到一起，在中心操控系統(tǒng)發(fā)出命令后，各個硬件同時(shí)工作[4]。

1.1 ?解碼器設(shè)計(jì)

本文選用的解碼器為第三代解碼器VIS67系列產(chǎn)品。該解碼器內(nèi)部有低能耗的處理器，各種數(shù)據(jù)以及代碼由HBV供應(yīng)，多個IPV接口，可以解碼各種格式文件，例如JTB，KNV等。解碼器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

首先進(jìn)入IPV接口的是KNV格式的文件，被解碼后的數(shù)據(jù)會執(zhí)行相應(yīng)的代碼，并被地址寄存器儲存，送到音頻優(yōu)化器進(jìn)行優(yōu)化處理[5]。標(biāo)準(zhǔn)圖像編碼由多個部分組成，其中核心部分能夠把顏色二值重新定義，建立兩種區(qū)別的辦法，稱為有損與無損。解碼器采用變換的方式解碼，通過量化器進(jìn)行嵌入，對比二進(jìn)制編碼，進(jìn)行優(yōu)化分割，取最佳編碼，優(yōu)化抗無碼與運(yùn)行速度[6]。

解碼器電路圖如圖3所示。

圖3的解碼器電路圖應(yīng)用小波核技術(shù)，該技術(shù)基于高效濾波運(yùn)作，解碼器可以做到8層小波轉(zhuǎn)換。在交織運(yùn)作情況下，寬度能做到2 880像素，最大圖像高為5 000像素。加入嵌入式處理器，用于管理控制內(nèi)部硬件[7]。解碼器有兩種運(yùn)作模式，分為編碼與解碼。編碼運(yùn)作模式下，數(shù)據(jù)通過小波進(jìn)行轉(zhuǎn)換，把所有的頻率小波存入儲存器的內(nèi)部;再將每一個數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置，然后分成編碼塊，對這些編碼塊進(jìn)行計(jì)算與建模;最后將運(yùn)算結(jié)果傳輸?shù)絀DS，整個過程叫做編碼逆過程。

解壓系統(tǒng)分四部分，包括6個高速轉(zhuǎn)換器，在解壓中，IHVM對芯片起到了關(guān)鍵的連接作用，是整個系統(tǒng)重要的部分之一，由它操作系統(tǒng)部分初始化。系統(tǒng)工作后，壓縮的數(shù)據(jù)率先存入FPGA里，由控制器把數(shù)據(jù)傳給壓縮系統(tǒng)。在壓縮過程當(dāng)中，源數(shù)據(jù)如果做了丟場處理，則子系統(tǒng)需要進(jìn)行補(bǔ)場，輸出的數(shù)據(jù)會進(jìn)行視頻編碼，同時(shí)會得到視頻信號，監(jiān)視器負(fù)責(zé)播放源端圖像[8]。

1.2 ?控制器設(shè)計(jì)

因?yàn)橛薪獯a協(xié)議的原因，控制器需按照OSJG的規(guī)則輸入控制器信息，接收到的控制命令會按照固定規(guī)則設(shè)定傳輸?shù)念l率，耳機(jī)推動的發(fā)音會向HGM輸出信號。由于控制器聲量小，所以本文加入揚(yáng)聲器，電阻小于20 Ω。

控制器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

控制器采用高性能芯片MUAS85，該芯片增強(qiáng)了干擾、加密、低功率等性能[9]。電路采用可復(fù)位式，供應(yīng)集成芯片內(nèi)部的電壓。內(nèi)部裝有大容量儲存空間，在處理較多數(shù)據(jù)的情況下也可以完全勝任。本文應(yīng)用OCH數(shù)據(jù)邏輯控制系統(tǒng)，電路多達(dá)1 700條，70余個單元，3 V超低供電，程序可現(xiàn)場編入。該控制器安裝多個風(fēng)機(jī)，可以進(jìn)行通風(fēng)控制，實(shí)現(xiàn)誘導(dǎo)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，對周邊的空氣進(jìn)行質(zhì)量檢測，獲取風(fēng)機(jī)工作數(shù)據(jù)，完成控制器內(nèi)部工作。內(nèi)部控制器風(fēng)機(jī)與其他風(fēng)機(jī)發(fā)生命令沖突時(shí)，會以控制器為準(zhǔn)。內(nèi)部結(jié)構(gòu)還同時(shí)擁有多種檢測功能、高溫、CR、斷電等核心技術(shù)，防止問題出現(xiàn)[10]。

控制電路圖如圖5所示。

控制器主要由鍵盤操控。顯示的數(shù)據(jù)可以自行設(shè)定參數(shù)。當(dāng)設(shè)定成功后，控制器會定時(shí)檢查內(nèi)部風(fēng)機(jī)與檢測功能，并開始進(jìn)入工作狀態(tài)。出現(xiàn)緊急情況，例如火災(zāi)，控制器內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)沒有關(guān)閉會助燃，成為明火，必要時(shí)會進(jìn)行煙霧檢測，盡量把損失最小化。如檢測高溫或者陰燃狀態(tài)，控制器會自行關(guān)閉風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，并進(jìn)行全面檢測，找出問題根源[11]。

當(dāng)空氣超標(biāo)時(shí)，會自動開啟風(fēng)機(jī)工作，保證內(nèi)部空氣狀態(tài)。數(shù)據(jù)的傳輸與交互靠通信單元進(jìn)行，內(nèi)部工作環(huán)境復(fù)雜，且無人看守。復(fù)位裝置也可以防止卡機(jī)與程序數(shù)據(jù)丟失。電力線載波方面采用OHK1964解調(diào)器，芯片在工作時(shí)應(yīng)該加入數(shù)條外圍線路。線路功能分別為放大、過濾、整合等。放大后的電路將整合的信號功率過濾掉雜音與偽信號。放大以后的功率被整合線圈中，并被發(fā)送出去，有效地阻止電涌，提升信號強(qiáng)度。

1.3 ?存儲器設(shè)計(jì)

存儲器分為內(nèi)部與外部存儲兩部分，可存儲255 B的用戶數(shù)據(jù)，可向外拓展56 KB（型號不同有區(qū)別），訪問時(shí)需要LGH指令，用于存放被執(zhí)行的數(shù)據(jù)[12]。

存儲器結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

觀察圖6，SLI存儲器還可以進(jìn)行尋址。存儲器內(nèi)的單片機(jī)在物理與邏輯上可以分為兩個地址空間，低于128的儲存空間與高于128的存儲器空間，存儲器片內(nèi)數(shù)據(jù)地址為8位，有效的范圍內(nèi)尋址高達(dá)256個單元，片外采用間接尋址進(jìn)行儲存數(shù)據(jù)，尋址寄存器可分為三種，即R4，G6，SKGJ。其中R4與G6為8位存儲器，有效尋址范圍為256單元，而SKGJ則是16位，有效尋址可達(dá)到76 KB，超過256單元以上尋址范圍，就不可用R4與G6，一般尋址單元為22H～3FH。

專用的存儲器也可以稱做特殊存儲器，主要功能是反映單機(jī)片運(yùn)行狀態(tài)，用于定義與程序的執(zhí)行。存儲器被分散在內(nèi)部的地址中，數(shù)量高達(dá)23個，存儲器不能更改系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，程序計(jì)算器要獨(dú)立運(yùn)行。外部存儲器不屬于內(nèi)部存儲器的范疇，主要存放被執(zhí)行的地址，被執(zhí)行的地址自動加1，尋址系統(tǒng)不能進(jìn)行識別，故而不能尋址，用戶更不能對其讀寫，可通過返回、轉(zhuǎn)移等變更指令內(nèi)容，讓程序繼續(xù)執(zhí)行中心模塊的要求。存儲器電路圖如圖7所示。

由圖7可知，存儲器是通過單操作指令自動累加存儲，也是系統(tǒng)經(jīng)常用到的專用存儲器電路，部分雙操作也需要進(jìn)行累加操作，結(jié)果存放在數(shù)據(jù)庫內(nèi)。數(shù)據(jù)的操作絕大部分都會通過累加器，通過存儲器計(jì)算比較復(fù)雜的程序，提供工作效率，使功能更加全面。為了提高存儲效率，存儲器內(nèi)部加入多個單片機(jī)，集成累加。

2 ?航空飛行適航保障模擬訓(xùn)練系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)的航空飛行適航保障模擬訓(xùn)練系統(tǒng)硬件，對軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，軟件流程圖如圖8所示。

圖8中，基于VR的航空飛行適航保障模擬訓(xùn)練系統(tǒng)共分為四步：首先系統(tǒng)會對運(yùn)動員身體狀況進(jìn)行全方位檢測，判斷運(yùn)動員是否適合進(jìn)行VR訓(xùn)練，如果適合進(jìn)行VR訓(xùn)練，則可以進(jìn)入下一項(xiàng)工作，如果不適合VR訓(xùn)練，則要停止工作;然后利用安全管理單元對訓(xùn)練過程進(jìn)行管理;接著對運(yùn)動員做具體的訓(xùn)練，設(shè)立模擬空間，讓飛行員通過頭盔感受訓(xùn)練，模擬空間中設(shè)置多種訓(xùn)練模式，包括緊急情況處理、機(jī)艙內(nèi)部服務(wù)訓(xùn)練以及飛行訓(xùn)練等，讓飛行員能夠在每次訓(xùn)練中都有切實(shí)的感受;最后將飛行員的訓(xùn)練結(jié)果顯示在中壓系統(tǒng)中，記錄在數(shù)據(jù)庫中，以便于每次作對比，分析訓(xùn)練效果，根據(jù)每個飛行員的訓(xùn)練效果給出更為具體的訓(xùn)練方案[13]。

3 ?驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

3.1 ?實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h4>

為了檢測本文研究的基于VR航空飛行適航保障模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的實(shí)際效果，與傳統(tǒng)訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行對比，分析實(shí)驗(yàn)花費(fèi)成本和訓(xùn)練效果。

3.2 ?實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

3.3 ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)上述參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，選取20名年齡相同，身體狀況相似的訓(xùn)練員，隨機(jī)分為兩組，每組10人，第一組采用傳統(tǒng)訓(xùn)練系統(tǒng)，第二組采用本文研究的訓(xùn)練系統(tǒng)，一段時(shí)間后，分析訓(xùn)練效果，并記錄花費(fèi)成本，根據(jù)上述結(jié)果對兩種系統(tǒng)的性能進(jìn)行具體的分析。訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)效果如圖9所示。

圖9的訓(xùn)練次數(shù)共分為7次。觀察圖9可知，第1次本文訓(xùn)練系統(tǒng)得到的訓(xùn)練結(jié)果就好于傳統(tǒng)訓(xùn)練系統(tǒng)。使用傳統(tǒng)系統(tǒng)，飛行員在第1次訓(xùn)練僅能掌握14.75%的內(nèi)容，而使用本文系統(tǒng)，飛行員在第1次訓(xùn)練就能掌握74.98%的內(nèi)容。到了第7次訓(xùn)練，使用本文系統(tǒng)訓(xùn)練的飛行員基本可以掌握所有訓(xùn)練內(nèi)容，而使用傳統(tǒng)系統(tǒng)訓(xùn)練的飛行員僅掌握50.25%的訓(xùn)練內(nèi)容。因此，本文設(shè)計(jì)的訓(xùn)練系統(tǒng)訓(xùn)練效果更好，更適合飛行員進(jìn)行訓(xùn)練?；ㄙM(fèi)成本實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

分析表2可知，在第一次訓(xùn)練時(shí)，基于VR的航空飛行適航保障模擬訓(xùn)練系統(tǒng)花費(fèi)成本就要低于傳統(tǒng)系統(tǒng)。隨著次數(shù)的增加，傳統(tǒng)訓(xùn)練系統(tǒng)花費(fèi)成本始終在不斷增加，而本文訓(xùn)練系統(tǒng)花費(fèi)的成本卻和第1次訓(xùn)練花費(fèi)的成本一致，都是0.8萬元。傳統(tǒng)系統(tǒng)每一次訓(xùn)練都要重新設(shè)置和啟動，而本文設(shè)定的系統(tǒng)僅需要設(shè)置1次就可以反復(fù)訓(xùn)練使用。由此可見，基于VR的航空飛行適航保障模擬訓(xùn)練系統(tǒng)成本更低，更加經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，值得使用。

4 ?結(jié) ?語

飛行適航保障模擬訓(xùn)練是每一個飛行員必須要經(jīng)歷的訓(xùn)練步驟。傳統(tǒng)方法采用虛擬仿真系統(tǒng)來訓(xùn)練飛行員，這種訓(xùn)練方法花費(fèi)成本很高，且真實(shí)感差。VR技術(shù)是一種先進(jìn)的智能技術(shù)，飛行員只要帶上頭盔就能有身臨其境的飛行體驗(yàn)，避免訓(xùn)練過程受傷，提高了安全性。本文基于VR技術(shù)設(shè)計(jì)的飛行適航保障模擬訓(xùn)練系統(tǒng)使飛行員擁有了一個更加科學(xué)、規(guī)范的訓(xùn)練方式，為以后的安全飛行打下了良好的基礎(chǔ)。本研究從一定意義上來講是一種創(chuàng)新使用方式，為航空訓(xùn)練提供了更廣闊的發(fā)展空間。

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