基于VR的航空飞行适航保障模拟训练系统设计

2019-01-10 01:48:14 现代电子技术2019年1期

闫克明 田磊 刘宝

关键词: 虚拟仿真系统; VR技术; 航空飞行; 适航保障; 模拟训练; 飞行训练

中图分类号: TN02?34; TP271                    文献标识码: A                      文章编号: 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,民航业发展越来越迅速,国家对于航空飞行员提出了更多的要求。面对日益扩增的机群规模,飞行员必须要加强训练,但空中训练成本过高,一次训练要花费大量的人力、物力、财力,VR技术为航空训练带来了新的选择方式[1]。利用VR技术建立宇航员适航保障模拟训练中心,改变了传统意义上的训练方式。航空训练要求过程严谨,能够确保飞行员的安全。VR技术融合了空间科学技术,给训练员一种在真实环境训练的感觉,再通过循序渐进的方式提高训练员的专业素养。

目前大多数训练方式都是利用虚拟仿真系统训练飞行员,虽然能够给员工一定的飞行体验,但是真实性远远差于VR训练系统,训练员缺少沉浸感,训练效果不佳。VR技术能够完全模拟航空飞行过程,包括航空服务、机舱飞行、紧急情况疏散等等,飞行员在利用VR技术设计的训练系统中,会有一种身临其境的感觉,学习效果也大大提高[2]。

综上所述,本文基于VR技术设计了一种新的航空飞行适航保障模拟训练系统。该系统能够通过建立虚拟场景完成实际训练,使训练效果大大提高,系统不需要飞行员真正飞行,提高了飞行员训练过程的安全性,建立的虚拟场景可以反复使用,大大降低了成本。系统支持多人同时工作,飞行员通过一个头盔就可以完成全部的训练,系统能够自动切换场景,训练消耗的时间可得到有效缩短[3]。

1  航空飞行适航保障模拟训练系统硬件设计

航空作业工作复杂,飞行员承担着重要角色,因此设计的适航保障模拟训练系统必须具备极强的训练能力。本文设立的训练系统硬件通过中心网络控制,能够高效地完成规定的训练计划。

基于VR技术设计的航空飞行适航保障模拟训练系统硬件架构图如图1所示。

由图1可知,一个训练系统能够同时训练多个飞行员,训练系统同时操控控制器、编码器、Web服务器和存储器,由训练电路将各个设备连到一起,在中心操控系统发出命令后,各个硬件同时工作[4]。

1.1  解码器设计

本文选用的解码器为第三代解码器VIS67系列产品。该解码器内部有低能耗的处理器,各种数据以及代码由HBV供应,多个IPV接口,可以解码各种格式文件,例如JTB,KNV等。解码器结构如图2所示。

首先进入IPV接口的是KNV格式的文件,被解码后的数据会执行相应的代码,并被地址寄存器储存,送到音频优化器进行优化处理[5]。标准图像编码由多个部分组成,其中核心部分能够把颜色二值重新定义,建立两种区别的办法,称为有损与无损。解码器采用变换的方式解码,通过量化器进行嵌入,对比二进制编码,进行优化分割,取最佳编码,优化抗无码与运行速度[6]。

解码器电路图如图3所示。

图3的解码器电路图应用小波核技术,该技术基于高效滤波运作,解码器可以做到8层小波转换。在交织运作情况下,宽度能做到2 880像素,最大图像高为5 000像素。加入嵌入式处理器,用于管理控制内部硬件[7]。解码器有两种运作模式,分为编码与解码。编码运作模式下,数据通过小波进行转换,把所有的频率小波存入储存器的内部;再将每一个数据进行设置,然后分成编码块,对这些编码块进行计算与建模;最后将运算结果传输到IDS,整个过程叫做编码逆过程。

解压系统分四部分,包括6个高速转换器,在解压中,IHVM对芯片起到了关键的连接作用,是整个系统重要的部分之一,由它操作系统部分初始化。系统工作后,压缩的数据率先存入FPGA里,由控制器把数据传给压缩系统。在压缩过程当中,源数据如果做了丢场处理,则子系统需要进行补场,输出的数据会进行视频编码,同时会得到视频信号,监视器负责播放源端图像[8]。

1.2  控制器设计

因为有解码协议的原因,控制器需按照OSJG的规则输入控制器信息,接收到的控制命令会按照固定规则设定传输的频率,耳机推动的发音会向HGM输出信号。由于控制器声量小,所以本文加入扬声器,电阻小于20 Ω。

控制器结构如图4所示。

控制器采用高性能芯片MUAS85,該芯片增强了干扰、加密、低功率等性能[9]。电路采用可复位式,供应集成芯片内部的电压。内部装有大容量储存空间,在处理较多数据的情况下也可以完全胜任。本文应用OCH数据逻辑控制系统,电路多达1 700条,70余个单元,3 V超低供电,程序可现场编入。该控制器安装多个风机,可以进行通风控制,实现诱导系统的正常运转,对周边的空气进行质量检测,获取风机工作数据,完成控制器内部工作。内部控制器风机与其他风机发生命令冲突时,会以控制器为准。内部结构还同时拥有多种检测功能、高温、CR、断电等核心技术,防止问题出现[10]。

控制电路图如图5所示。

控制器主要由键盘操控。显示的数据可以自行设定参数。当设定成功后,控制器会定时检查内部风机与检测功能,并开始进入工作状态。出现紧急情况,例如火灾,控制器内通风系统没有关闭会助燃,成为明火,必要时会进行烟雾检测,尽量把损失最小化。如检测高温或者阴燃状态,控制器会自行关闭风机系统,并进行全面检测,找出问题根源[11]。

当空气超标时,会自动开启风机工作,保证内部空气状态。数据的传输与交互靠通信单元进行,内部工作环境复杂,且无人看守。复位装置也可以防止卡机与程序数据丢失。电力线载波方面采用OHK1964解调器,芯片在工作时应该加入数条外围线路。线路功能分别为放大、过滤、整合等。放大后的电路将整合的信号功率过滤掉杂音与伪信号。放大以后的功率被整合线圈中,并被发送出去,有效地阻止电涌,提升信号强度。

1.3  存储器设计

存储器分为内部与外部存储两部分,可存储255 B的用户数据,可向外拓展56 KB(型号不同有区别),访问时需要LGH指令,用于存放被执行的数据[12]。

存储器结构图如图6所示。

观察图6,SLI存储器还可以进行寻址。存储器内的单片机在物理与逻辑上可以分为两个地址空间,低于128的储存空间与高于128的存储器空间,存储器片内数据地址为8位,有效的范围内寻址高达256个单元,片外采用间接寻址进行储存数据,寻址寄存器可分为三种,即R4,G6,SKGJ。其中R4与G6为8位存储器,有效寻址范围为256单元,而SKGJ则是16位,有效寻址可达到76 KB,超过256单元以上寻址范围,就不可用R4与G6,一般寻址单元为22H~3FH。

专用的存储器也可以称做特殊存储器,主要功能是反映单机片运行状态,用于定义与程序的执行。存储器被分散在内部的地址中,数量高达23个,存储器不能更改系统内部结构,程序计算器要独立运行。外部存储器不属于内部存储器的范畴,主要存放被执行的地址,被执行的地址自动加1,寻址系统不能进行识别,故而不能寻址,用户更不能对其读写,可通过返回、转移等变更指令内容,让程序继续执行中心模块的要求。存储器电路图如图7所示。

由图7可知,存储器是通过单操作指令自动累加存储,也是系统经常用到的专用存储器电路,部分双操作也需要进行累加操作,结果存放在数据库内。数据的操作绝大部分都会通过累加器,通过存储器计算比较复杂的程序,提供工作效率,使功能更加全面。为了提高存储效率,存储器内部加入多个单片机,集成累加。

2  航空飞行适航保障模拟训练系统软件设计

根据设计的航空飞行适航保障模拟训练系统硬件,对软件进行设计,软件流程图如图8所示。

图8中,基于VR的航空飞行适航保障模拟训练系统共分为四步:首先系统会对运动员身体状况进行全方位检测,判断运动员是否适合进行VR训练,如果适合进行VR训练,则可以进入下一项工作,如果不适合VR训练,则要停止工作;然后利用安全管理单元对训练过程进行管理;接着对运动员做具体的训练,设立模拟空间,让飞行员通过头盔感受训练,模拟空间中设置多种训练模式,包括紧急情况处理、机舱内部服务训练以及飞行训练等,让飞行员能够在每次训练中都有切实的感受;最后将飞行员的训练结果显示在中压系统中,记录在数据库中,以便于每次作对比,分析训练效果,根据每个飞行员的训练效果给出更为具体的训练方案[13]。

3  验证实验

3.1  实验目的

为了检测本文研究的基于VR航空飞行适航保障模拟训练系统的实际效果,与传统训练系统进行对比,分析实验花费成本和训练效果。

3.2  实验参数设置

实验参数设置如表1所示。

3.3  实验结果与分析

根据上述参数进行实验,选取20名年龄相同,身体状况相似的训练员,随机分为两组,每组10人,第一组采用传统训练系统,第二组采用本文研究的训练系统,一段时间后,分析训练效果,并记录花费成本,根据上述结果对两种系统的性能进行具体的分析。训练实验效果如图9所示。

图9的训练次数共分为7次。观察图9可知,第1次本文训练系统得到的训练结果就好于传统训练系统。使用传统系统,飞行员在第1次训练仅能掌握14.75%的内容,而使用本文系统,飞行员在第1次训练就能掌握74.98%的内容。到了第7次训练,使用本文系统训练的飞行员基本可以掌握所有训练内容,而使用传统系统训练的飞行员仅掌握50.25%的训练内容。因此,本文设计的训练系统训练效果更好,更适合飞行员进行训练。花费成本实验结果见表2。

分析表2可知,在第一次训练时,基于VR的航空飞行适航保障模拟训练系统花费成本就要低于传统系统。随着次数的增加,传统训练系统花费成本始终在不断增加,而本文训练系统花费的成本却和第1次训练花费的成本一致,都是0.8万元。传统系统每一次训练都要重新设置和启动,而本文设定的系统仅需要设置1次就可以反复训练使用。由此可见,基于VR的航空飞行适航保障模拟训练系统成本更低,更加经济实惠,值得使用。

4  结  语

飞行适航保障模拟训练是每一个飞行员必须要经历的训练步骤。传统方法采用虛拟仿真系统来训练飞行员,这种训练方法花费成本很高,且真实感差。VR技术是一种先进的智能技术,飞行员只要带上头盔就能有身临其境的飞行体验,避免训练过程受伤,提高了安全性。本文基于VR技术设计的飞行适航保障模拟训练系统使飞行员拥有了一个更加科学、规范的训练方式,为以后的安全飞行打下了良好的基础。本研究从一定意义上来讲是一种创新使用方式,为航空训练提供了更广阔的发展空间。

参考文献

[1] 惠铎铎,马进,柳平,等.基于VR技术心理测试软件开发[J].计算机技术与发展,2018,63(2):188?190.

HUI Duoduo, MA Jin, LIU Ping, et al. Development of psychological testing software based on VR technology [J]. Computer technology and development, 2018, 63(2): 188?190.

[2] 涂章杰,王立新,陈俊平.基于数字虚拟飞行的民机复飞爬升梯度评估[J].北京航空航天大学学报,2017,13(12):2530?2538.

TU Zhangjie, WANG Lixin, CHEN Junping. Evaluation of the go?around climb gradient of civil aircraft based on digital virtual flight [J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2017, 13(12): 2530?2538.

[3] 高振兴,徐彧.民机自动飞行模式设计规范与适航性分析[J].航空计算技术,2017,47(3):80?84.

GAO Zhenxing, XU Yu. Design specification and airworthiness analysis of civil aircraft automatic flight mode [J]. Aviation computing technology, 2017, 47(3): 80?84.

[4] 邱朝群,孙世东.反推力系统适航设计与符合性验证分析[J].航空工程进展,2018,61(10):93?94.

QIU Chaoqun, SUN Shidong. Airworthiness design and comp?liance verification analysis of thrust system [J]. Aeronautical engineering progress, 2018, 61(10): 93?94.

[5] 李学营.民用航空器飞行试验管理与适航要求技术分析[J].经济技术协作信息,2018,51(3):62.

LI Xueying. Technical analysis of flight test management and airworthiness requirements for civil aircraft [J]. Economic and technical cooperation information, 2018, 51(3): 62.

[6] 全林生,全征宇,邹波.基于机场RVR与VIS关系的VR放行技术[J].中国民航飞行学院学报,2018,39(1):13?20.

QUAN Linsheng, QUAN Zhengyu, ZOU Bo. VR release technology based on relationship between airport RVR and VIS [J]. Journal of Civil Aviation Flight University of China, 2018, 39(1): 13?20

[7] 刘佳嘉,潘超.民用航空器适航管理体系综述[J].中国民航飞行学院学报,2017,28(5):49?51.

LIU Jiajia, PAN Chao. Overview of airworthiness management system for civil aircraft [J]. Journal of Civil Aviation Flight University of China, 2017, 28(5): 49?51.

[8] 姚志超.基于工程模拟器的液压系统仿真模型开发与应用[J].软件导刊,2017,16(7):140?142.

YAO Zhichao. Development and application of hydraulic system simulation model based on engineering simulator [J]. Software guide, 2017, 16(7): 140?142.

[9] 王璐,赵寒,宋文龙,等.AR/VR仿真建模技术在航天器研制中的应用探索[J].制造业自动化,2017,39(8):138?141.

WANG Lu, ZHAO Han, SONG Wenlong, et al. Application of AR/VR simulation modeling technology in spacecraft deve?lopment [J]. Manufacturing automation, 2017, 39(8): 138?141.

[10] 王兴,晏晓瑜.基于单边效能的纵向操纵适航符合性分析[J].航空学报,2017,38(z1):71?76.

WANG Xing, YAN Xiaoyu. Analysis of airworthiness comp?liance of longitudinal maneuvering based on unilateral efficiency [J]. Acta aeronautica Sinica, 2017, 38(S1): 71?76.

[11] 沈洋,闫锋.基于GO法的航空活塞发动机点火系统可靠性分析[J].航空维修与工程,2017,36(7):38?41.

SHEN Yang, YAN Feng. Reliability analysis of aviation piston engine ignition system based on GO method [J]. Aviation maintenance and engineering, 2017, 36(7): 38?41.

[12] 滕海坤,姜静,徐浩.VR探索飞行器研究[J].物联网技术,2018,8(5):71?73.

TENG Haikun, JIANG Jing, XU Hao. Research on VR exploration vehicle [J]. Internet of Things technologies, 2018, 8(5): 71?73.

[13] 赵伟,吴旭光,成静.基于VR技术的舰炮射击模拟器研究与设计[J].计算机仿真,2018,25(12):301?304.

ZHAO Wei, WU Xuguang, CHENG Jing. Research and design of naval gun shooting simulator based on VR technology [J]. Computer simulation, 2018, 25(12): 301?304.

[14] 郭昱津,王道波,路引.某型无人机飞行控制计算机硬件设计[J].电子设计工程,2016,24(3):50?52.

GUO Yujin, WANG Daobo, LU Yin. Hardware design on flight control computer for a certain UAV [J]. Electronic design engineering, 2016, 24(3): 50?52.