航空发动机
主办单位:中国航空工业集团公司
国际刊号:1672-3147
国内刊号:21-1359/V
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基于虚拟现实技术的航空发动机机务训练系统

论文导读:虚拟现实技术(VirtualReality)。而且构建于仿真软件基础之上的软件系统还具备可重用性、经济性、智能性等特点。 航空发动机是飞机的“心脏”。机务训练系统的效果表现取决于操作逻辑和发动机的数学模型。
关键词:虚拟现实,航空发动机,仿真,训练系统

  引言
  虚拟现实技术(VirtualReality),又称灵境技术,是90年代科学界和工程界所关注的技术。它的兴起,为人机交互界面的发展开创了新的研究领域。为智能工程的应用提供了新的界面工具,为各类工程的大规模数据可视化提供了新的描述方法。虚拟现实实际上是由计算机生成的具有沉浸感的环境,对操作者生成诸如视觉、听觉、味觉等各种感官信息,给操作者一种身临其境的感觉。VR技术的特点在于,虚拟环境是通过计算机图形构成的三维空间,或是把其它现实环境编制到计算机中去产生逼真的“虚拟环境”,从而使用户在视觉上产生一种沉浸在虚拟环境中的感觉。这种技术的应用,改进了人们利用计算机处理多工程数据的方式,尤其在需要处理大量抽象数据时,其效果更为明显。它已经渗透到多个领域,并在应用中带来了巨大的经济效益。长期以来,复杂装备的操作训练一般结合实装进行,受到场地、人员、装备维护保养状态的限制,具有效率低、成本高、训练内容片面等特点。将虚拟现实技术应用到复杂装备的操作训练,能有效克服结合实装进行训练所带来的问题,而且构建于仿真软件基础之上的软件系统还具备可重用性、经济性、智能性等特点,因此虚拟现实技术应用于武器操纵训练得到了世界各国的普遍重视一些系统陆续投入使用并取得了良好的效果。
   航空发动机是飞机的“心脏”,在实际使用过程中,机务培训、判别发动机的性能、各种飞行前检查等项工作的顺利开展是保证飞机飞行安全、提高战斗力的重要保障。目前,此类工作大多数是结合实装或是基于硬件形式的训练模拟器展开的,具有代价昂贵、维护复杂等限制。利用虚拟现实技术和仿真技术,建立数字化飞机和发动机,可以创建出真实感和沉浸感较强的航空发动机试车环境,为各种机务工作提供模拟试车服务,提高保障人员的操作水平和操作技能,将产生较大的军事和经济效益。
  1 发动机试车虚拟技术简介
  利用虚拟现实技术创建航空发动机的试车环境,包括飞机、座舱、机场等的物理模型和机务操作逻辑、发动机的数学仿真模型。机务操作可以在虚拟的座舱内进行,操作响应和发动机的数学模型在后台运行,既能保障操作与视景上的沉浸感,又能保证发动机性能的准确性。
  虚拟现实技术的实现手段有很多。从底层的实现层面来讲,有OpenGL和DirectX技术。从高层的实现手段上讲,分两个方面:一是虚拟现实建模技术;二是虚拟现实驱动技术。虚拟现实的建模软件有:MAYA、3D MAX、Creator等。虚拟现实驱动软件有:VEGA、OPENGVS、VTree、VRtools、EON等。这些高层的虚拟现实软件一般是将底层的实现方法封装,给用户提供了基于现实的对象的描述,使用起来方便快捷。本文采用了在虚拟现实技术界有名的软件:MultiGen公司的视景仿真软件Creator和Vega来实现。
  MultiGen Creator产品是世界上领先的实时三维数据库生成系统,它可以用来对战场仿真、娱乐、城市仿真和计算可视化等领域的实景数据库进行产生、编辑和查看。MultiGen Creator不仅仅是一个基本的建模工具,也是一个模型数据的组织软件。它可以用来创建低多边形数的模型来简化和减少实时应用的程序要求,并且提供了一个用户界面用于建造模型、地形和场景,最终生成符合OpenFlight(.flt)文件格式标准的层次视景数据库。OpenFlight文件再调入Vega,成为实时应用的一部分。
  
  图1 Vega和Creator的程序结构图
  Vega是MultiGen-Paradigm公司最主要的工业软件,主要用于虚拟现实技术中的实时场景生成、声音仿真及科学计算可视化等领域。Vega是在SGI Performer基础上发展起来的软件环境,它把常用的软件工具和高级仿真功能结合起来,可使用户以简单的操作,迅速的创建、编辑和运行复杂的仿真程序。免费论文网。Vega软件具有好的图形环境界面,完整的C语言应用程序接口API,丰富的实用库函数及大量的功能模块,可满足多种仿真要求。
  Creator和Vega属于工业级的虚拟仿真软件,功能强大,而且二者均是同一公司的产品,兼容性极强,适合作为发动机试车虚拟仿真的软件平台。
  2 航空发动机试车环境的建立
   发动机的试车环境,包括飞机、座舱、动态仪表,当然也包括机场、建筑和车辆。
  2.1 数字化飞机及座舱
   飞机和座舱的数字化模型是用Creator建立的,建模包含实体建模和地形建模两部分。实体建模主要是飞机、座舱、周边建筑的模型构造。地形建模主要指的是机场建模,包括机场的草地、树木等。免费论文网。建模所用的素材为机场的航拍照片和飞机等有关的数码照片、结构尺寸图。在建模时要注意处理好显示精度与显示速度的关系。过度强调建模精度,会给计算机系统带来大量的数据处理与显示问题,严重影响虚拟现实的刷新速度(每秒刷新帧数)。为了保障飞机的现实效果,飞机模型采用了三级LOD(Level of Detail)控制模型在不同距离上显示不同细节等级的节点,既保证了飞机在近距离的精度(达到照片级的显示效果),又保证了系统在漫游时的显示速度。模型中的可动部件,采用了DOF(Degree of Freedom)节点来控制,如飞机的襟翼,发动机喷口的收放调节等,都需要建立不同的DOF来控制其运动轨迹。图2是中度等级的LOD的显示效果,整个场景的显示速度保持在20帧每秒以上(测试计算机配置为:CPU为PVI2.4G,显卡是NIVIDA Geforce FX 5700LE)。
  
  图2 飞机和机场的数字化模型
  2.2试车的动态仪表
  视景驱动采用Vega平台实现。在具体的试车操作中,交互的主要方式有两种,一是在Vega环境中的视景驱动,主要实现漫游和视角转换,这是Vega具备的功能,只是一些诸如碰撞检测的功能的实现需要额外编程。二是发动机试车的交互,即试车的各种器件的操作与仪表显示。这些交互对象主要有油门杆、开关、按钮、仪表、指示灯,称之为动态仪表。动态仪表的实现需要建立Vega的回调函数来完成,是采用基于OpenGL的方法实现的。


  图3 座舱内的仪表板局部
  简单地讲,先绘制好相应的图形,利用C++代码和OpenGL插件对有关图形进行控制,逼真地再现开关、按钮等的操作和仪表、信号灯的显示,创建出实时的、照片级的互动的图形界面,即动态仪表。然后将其发布为动态连接库(.dll),将其调入虚拟场景中,与Creator的模型融合到一起,创建发动机机务训练的虚拟环境。
  3 发动机试车实时驱动
  虚拟技术创建了“真实”的试车环境,机务训练系统的效果表现取决于操作逻辑和发动机的数学模型。
  3.1 操作逻辑
  为了在虚拟场景中实现正确的试车操作,将发动机规程的有关规定整理成发动机试车操作逻辑图,然后将逻辑图代码化,编写的逻辑程序代码可以加入到虚拟系统的程序中,以实现正确的试车交互操作。
  发动机机务训练系统所涉及到的过程仿真逻辑非常复杂,各仿真对象的相互关联、状态的影响因素繁多,为此,专门建立了一套过程仿真决策支持系统来管理所有操作步骤和特情发生的决策推理机制,结合专家知识库,按照飞机各系统设备的基本功能属性、工作状态和想定任务来决定每一步操作的响应事件。通过把维护操作步骤的语义描述转换成状态变量描述,输入该决策系统,然后按照推理算法和专家知识库进行迭代,输出推理结论,产生响应的事件驱动。
  3.2 发动机数学模型
  由于建模方法及用途的不同,目前应用较为广泛、研究较多的航空发动机模型主要有详细的气动热力模型、简化模型、辨识模型、自适应模型及并行模型等。气动热力模型根据气动热力的基本原理建立,一般考虑较为全面,计算复杂。相对于其他类模型而言,该类模型适应面最广、精度最高,常作为生成其他模型的基础模型,也是进行调节计划选择的重要工具。但是,该类型模型计算复杂,比较难于实现实时化。简化模型是由详细的气动热力模型简化而来的发动机模型的总称。这类模型的简化一般是为了实现实时化,以用于发动机控制系统的半物理仿真或作为机载模型,或成为更大规模的实时仿真系统的一部分。辨识模型直接由发动机试验数据采用辨识方法获得,是研究发动机动态特性、进行控制器设计的重要手段。自适应模型根据发动机的实际输出,修改发动机模型,以获得更好的仿真效果。该类模型目前主要用于检测传感器故障以及发动机部件性能的衰减。采用辨识的方法建立发动机的数学模型,可以获得实时性较好的模型。但是由于航空发动机是强非线性的系统,对辨识的算法要求较高,获得的模型泛化能力较弱,不适用于全工况的情形。鉴于该系统仅仅实现地面试车,对发动机的模型精度要求不高,本文采用辨识的方法来保证模型的实时性。免费论文网。
   对于发动机的稳态过程,采用传统的辨识方法获得其工作曲线,得到的稳态模型具有足够高的精度。对于发动机的过渡态和起动过程,通过采集发动机的标准工作过程数据,进行适当拟合获得。由于试车是在地面进行的,发动机的进口初始条件变化相对较小,采用系数修正的方法对模型进行修正。
  3.3 系统的数据交流
  
  图4 试车系统的构架
   虚拟环境中漫游和交互、发动机数学模型的解算等,都会产生大量的交换数据。所有事件的数据交流采用独立的数据处理模块实现。各模块之间采用WinSock通信,由消息宏触发试车逻辑和发动机模型的计算,并将结果传回虚拟环境,实时更新发动机试车环境的相关状态显示。
  3.4 试车声音处理
   声响是反映发动机工作状态的重要因素之一,通过它可以判断发动机的工作状态及其故障,它是发动机试车仿真的重要组成部分。
  在发动机试车仿真过程中,发动机及各种机载设备工作都有各自的声音特性,并且这些声音有时是叠加在一起的混响,所以必须采用多通道声音合成技术来达到声音仿真的效果。利用DirectSound是解决这种问题的最佳方案。DirectSound是DirectX软件包中专门处理声音的部分,它的与设备无关性绕过声音硬件的细节规范,尽可能发挥出硬件的最佳性能。DirectSound不但提供了多通道低延迟的合成、硬件加速以及对声音设备直接存取的功能,而且支持3D音效,实现三维声音定位与合成,使操作者得到身临其境的声音效果。从听觉上营造一个模拟真实的声响环境。
  4 结论
   虚拟现实技术具有独特的优点,采用这种技术可以产生逼真的虚拟世界。建立的发动机机务训练系统无论从视觉上、听觉上、操作上都能产生一种身临其境的感觉,可以进行相关的试车操作,解决了真实装备在培训中的制约问题,而且可以采用网络结构实现多用户操作,大大提高培训学习的效率,具有极大的经济效益和军事效益。
   由于采用了计算机虚拟技术,可以实现故障设置等功能,在实际操作中出现的发动机有关故障可以再现,这一点及其便利。对于试车的操作和发动机的有关显示,可以进行回放,这也是实装无法实现的。其不足之处在于虚拟视景对计算机的性能要求比较高,还有操作过程中的力反馈等无法实现,若要实现,需要昂贵的外设作为支持。
   建立的发动机试车虚拟环境,是一个可以扩展的虚拟平台。如果辅以高精度的实时发动机模型,可以实现发动机的相关分析研究,成为数字化试车台。

参考文献
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