基于虚拟现实技术的直升机训练系统.pdf

总 第 期年第 期直 升 机 技 术 .收稿日期:作者简介:樊亦婷()女山西省吕梁临县人硕士学历工程师 文章编号:()基于虚拟现实技术的直升机训练系统樊亦婷(中国直升机设计研究所江西 景德镇)摘 要 针对用户的培训需求基于虚拟现实技术研究并实现了一套直升机训练系统 系统通过将虚拟现实技术()和增强现实技术()与直升机训练系统相结合的培训方式为用户提供图片、视频和三维模型等多媒体手段结合人机交互的培训方式将直升机的拆装程序、功能原理通过最自然、最易理解的动态图像形式实时地展示给用户从而达到与直升机实际操作维护一致的视觉效果关键词 训练系统虚拟现实中图分类号:.文献标志码:().引言 世纪 年代以来以计算机仿真技术、虚拟现实(简称)技术、人工智能技术为特征的虚拟仿真训练崭露头角 它具有安全、可控、可重复不受气候条件和场地空间限制低成本、高效益等优势而且既能进行常规操作训练又能进行各种故障和事故(包括灾难性事故)处理能力训练一直以来受到大家的高度重视 技术通过构建逼真的虚拟环境使得受训人员能够尽可能沉浸地开展更贴近实际的训练进而解决现实中大量操作类训练无手段实装训练费用高危险科目无法开展的难题 增强现实技术随着虚拟现实()技术的发展衍生而来被誉为是有望弥合虚拟的数字世 年第 期樊亦婷:基于虚拟现实技术的直升机训练系统界与真实物理世界之间断层的技术以多种实体信息的呈现能力作为其突出的优势 将增强现实技术有效地应用于教辅环境之中不仅可以在正规教育和非正式学习之间发挥桥梁作用将使用者所在的真实世界与开发者构建的虚拟信息合二为一还能够为使用者提供直观且有针对性的知识信息达到辅助教学的目的 虚拟现实技术简介虚拟现实()涵盖了增强现实()、沉浸式、桌面、分布式 等系列技术与产品是一种融合了新型计算机图形技术、计算机仿真技术、显示技术、人机交互技术等多种前沿技术的综合性技术 这种新技术的特点在于以模仿的方式为用户创造一种虚拟的环境通过视、听、触等感知行为使得用户产生一种沉浸于虚拟环境的感觉并与虚拟环境相互作用从而触发虚拟环境的实时变化增强现实技术()发展于虚拟现实技术是将虚拟的场景叠加到真实场景中实现对现实的增强是一种结合图像识别、虚实融合、人机交互、三维显示等关键技术实现对自然世界的感知、交互、反应的技术 将增强现实技术有效地应用于直升机训练系统当中将使用者所在的真实世界与开发者构建的虚拟信息合二为一不仅能够为使用者提供直观且有针对性的知识信息而且能够达到辅助教学的目的 技术的目的在于将虚拟生成的三维模型与体验者看到的真实环境进行融合把虚拟世界叠加在真实世界上通过屏幕给用户展示并进行人机交互 主要是进一步扩充和延伸现实世界 需求分析训练系统包括飞行训练系统和维修训练系统其中飞行训练系统能够实现空勤人员理论培训、程序训练、飞行模拟训练和实装飞行训练维修训练系统能够实现地勤人员理论培训、虚拟维修培训和实操训练等 直升机训练系统是从用户设备保障现实使用需求出发由经过设计和优化的各要素构成的一个整体 需求分析是系统开发的早期阶段是对系统开发工作提出明确要求的过程 训练系统是直升机综合保障/运行支持的一个重要构成部分其目的是满足用户培训要求根据直升机培训训练专业相关标准和规章要求规划直升机全寿命周期的需求分析工作针对飞行训练和维修任务开展培训需求分配分析确定直升机训练系统的需求分配作为直升机训练系统研制的依据 本文主要从以下几个维度开展需求分析)全生命周期阶段需求分析全生命周期不同阶段可划分如下:概念阶段、设计阶段、试制与试验、试飞与鉴定、交付部署、运行使用、运行支持、退出阶段 在概念阶段训练系统需要满足机上人员保障飞行的基本需求在研制及交付时用户各个阶段的培训需求提供证明培训训练能力文件的需求遵守各类体系文件、标准等规定在设计阶段需通过训练系统设计审查训练系统分配任务指标应具有合理性应当能够在规定的环境条件下满足飞机培训要求的训练性能指标初始训练大纲应通过评审 在试制与试验阶段训练系统应符合试制与试验阶段标准规定应当能够在试验阶段满足飞行员培训的性能指标 在试飞与鉴定阶段训练系统应完成机组人员的培训训练经训练系统培训后在工作状态下应当能够给飞行员飞行的基本能力 在交付部署阶段训练系统应当完备直升机规定的功能要求 在运行使用阶段训练系统应具备完善培训需求补充培训价值的功能还应具备向飞行员提供系统运行状态参数的能力 在运行支持阶段训练系统应当有足够的证据证明在该机型训练保障过程中原有的问题得到了解决完备各项训练指标具有足够的能力保障机组人员高效飞行 在退出阶段训练系统应当有足够的证据证明其已无法满足用户飞行和维修训练的要求达到退出标准)利益攸关者需求分析根据生命周期阶段开展直升机训练系统的利益攸关者捕获梳理利益攸关者需求为训练系统顶层功能开发提供输入 以直升机利益攸关者初始能力需求和初始任务场景为出发点并基于任务场景得到基于场景的能力需求并与利益攸关者初始能力需求融合形成能力需求 结合市场调研梳理出潜在用户的能力需求涵盖有效载荷、巡航速度、使用升限、环境适应性、经济性等并分析与市场主流直升机的竞争态势同时归纳出典型的使用场景)场景需求分析根据用户要求和市场调研结果开展直升机训练系统任务场景需求分析 目前直升机训练系统主要应满足飞行训练和地面维修训练两种场景要直 升 机 技 术总第 期求 基于 的场景仿真可以让用户设身处地置于地面维修和飞行训练中 用户在进行拆装科目编辑时可在逼真的三维环境中通过键盘鼠标进行实时漫游从而实时查看直升机及各部附件所在位置的正确与否 用户在进行飞行科目编辑时可以在逼真的座舱环境中通过键盘鼠标进行实时漫游从而熟悉掌握各个开关面板的操作 用户在进行理论学习时基于 技术的直升机系统功能原理展示形象直观可视化便于用户理解 硬件组成与设计方案.硬件组成系统硬件由仿真计算机、头盔套件、大屏显示器、平板电脑及图书卡片等组成 基于 的发动机拆装培训实例所使用的仿真计算机采用惠普品牌机确保 培训实例软件程序的运行流畅度显卡采用 独显保证软件运行的画面清晰度和逼真度 基于 的发动机拆装培训实例所使用的 头盔套件为 套件 套件中包含一个头戴设备(虚拟显示定位一体设备)、两个手柄控制器和头戴设备的连接线 基于 的发动机拆装培训实例所使用的两块大屏显示器的型号为索尼 索尼特有的广色域技术能够更有效地利用色彩空间将影像中的色彩表现得更加自然生动从而可以逼真显示 培训实例软件中的虚拟大场景 本项目中基于 的直升机系统展示案例所使用的平板电脑为华为 平板电脑具有高清锐利的 屏.的屏占比使用户在操作时获得良好的视觉体验处理器为麒麟 芯片 为.用户在进行 操作时运行流畅不会出现卡顿、掉帧等情况.设计方案本文围绕不同的培训业务需求开展虚拟仿真技术的应用研究利用 虚拟现实和 增强现实技术来实现典型培训案例的开发应用 基于虚拟现实技术的训练系统软件在内容上分为两大部分:基于 技术的典型拆装实例培训科目展示和基于 技术的直升机系统功能原理展示通过 和 两大虚拟现实仿真技术手段辅助地面机务人员或学员的理论学习与实际操作.基于 的发动机拆装训练系统应用)系统设计虚拟仿真训练系统是虚拟仿真技术在训练领域的应用它是一种理想的训练和实践系统 将虚拟现实技术与系统仿真技术进行结合充分利用虚拟现实技术来构建逼真的虚拟训练环境同时利用系统仿真技术来实现真实环境下的实时仿真能部分或完全实现实际系统训练的效果基于 的发动机拆装培训实例主要针对直升机地面维护根据更换发动机的真实步骤进行虚拟仿真具有教学模式、训练模式和考核模式适应不同阶段的用户需求 通过使用数字样机中所提供的直升机及各设备仪表模型开发出发动机拆装逻辑中的具体步骤模拟出逼真的训练环境并以三维逻辑动画的形式配合学员的虚拟实操 由于在实际换发过程中需多人配合去完成任务因此该培训实例将由两位学员戴上 头盔并各自通过手柄进行协同操作直至完成任务 该实例的主要功能包括自主漫游、虚拟交互、任务协同、虚拟引导、三维动画展示及自动评判如图 所示基于 的发动机拆装培训实例分为硬件和软件两个部分:硬件部分主要由虚拟现实头戴式显示定位一体设备、手持控制器、大屏幕显示器和仿真计算机组成软件部分主要由虚拟仿真网络协同模块、虚拟拆装逻辑流程模块、虚拟座舱数据处理模块和虚拟现实交互模块共同组成)功能实现通过启动 发动机拆装软件对模式进行选择并通过手柄控制进入相应模式用户根据需要选择所需进入的模式 模式选择界面如图 所示教学模式:该模式下用户以第一人称视角观看视频学习拆装流程并可通过 手柄控制视频播放、暂停等功能训练模式:该模式具有可视化三维交互界面分为虚拟手模型、主界面和二级界面并具有引导功能 通过虚拟手模型功能实时跟随用户双手的位置运动通过 手柄按键事件的响应实现指向、点击、抓取松开等动作在主界面进行工具选择并能够触发二级界面功能在二级界面通过虚拟手与之交互完成三维工具的选择、拾取等功能通过虚拟引导功能默认按顺序列出拆装所需的步骤对于复杂步骤可通过点击流程步骤旁的“?”图标呼出讲解视频悬浮菜单并能控制视频的播放与暂停 在虚拟空间中用户可一边观看引导视频一边跟随步骤在虚拟直升机上完成拆装实现一个边学边看的虚拟训练过程 训练模式示意图见图 年第 期樊亦婷:基于虚拟现实技术的直升机训练系统虚拟现实套装设备1虚拟现实套装设备2手持控制器头戴式显示定位一体设备头戴式显示定位一体设备手持控制器大屏显示器1大屏显示器2仿真计算机1仿真计算机2环境仿真设备仿真拆装逻辑仿真虚拟引导自动评判数据库模型库动画库声音库网络通讯环境仿真设备仿真拆装逻辑仿真虚拟引导自动评判数据库模型库动画库声音库交流电源220V图 系统组成结构图 模式选择界面示意图图 训练模式示意图考核模式:通过左手柄的主菜单界面开启“开始考核”、“工具选择”、“完成提交”功能 完成提交之后根据“发动机拆装”标准流程和维修人员的 实操流程进行比对自动得出评判结果.基于 技术的直升机系统功能原理应用研究通过手持平板电脑结合显示大屏的方式将虚拟信息和现实教材、飞机模型融合起来进行直升机系统的学习 主要包括 图书教学和 实物培训两个模块 图书教学模块主要用于系统、部附件认知以及工作原理教学通过模型加工、特效制作、三维交互、文字描述、语音讲解或总体展示动画等开发工作实现原理动画展示、系统结构和设备认知、拆装动画演示等 实物培训是将平板电脑的镜头对准一架直升机模型或直升机模型某部分用户即可在平板屏幕上和显示大屏上看到可以叠加的虚拟结构及相关信息罗列 实物培训模块功能主要包括直升机总体结构展示、直升机分系统介绍和系统拆装展示等 关键技术分析涉及到的关键技术主要包括虚拟现实交互技术、虚拟场景跟踪注册技术、交互式拆装技术、场景仿真技术)虚拟现实交互技术虚拟现实交互技术是基于 (简称)次时代引擎开发技术和 虚拟现实套装设备进行联合开发的包括 界面的选择直 升 机 技 术总第 期设置虚拟角色的漫游瞬移虚拟仪表的交互操作提示信息的播放控制等 界面的选择设置是通过手持控制器的射线触发功能实现相关选项的选择及状态的设定虚拟角色的瞬移漫游采用 引擎自带的虚拟现实开发模板其自带的瞬移漫游功能完全能够满足本系统的需求)虚拟场景跟踪注册技术跟踪注册是实现增强现实的核心部分 注册是系统通过各个坐标系之间的变换在虚拟场景与真实世界之间建立联系将虚拟信息准确地叠加到现实场景当中展示在合适的位置上 跟踪是指当使用者的视角发生变化时系统可以实时地检测使用者的位置重新建立虚拟场景与真实世界之间的联系使虚拟信息跟随现实场景产生相应的移动 本文采用了 的基于人工标识物的跟踪识别算法 中使用的平面标记特征对比非常明显特征提取的效率很高 这种基于 的增强现实应用系统程序健壮性较好而且也能减轻系统计算负担)交互式拆装技术在设备装配过程中如果学员仅仅是通过触摸拖动操作会产生很大的误差装配精度得不到保证 因此系统需要有自动调整的功能当零件接近安装位置时能够自动地移动到正确的安装位置 为了实现这一功能需要新建一个空物体 建立空物体是 中经常使用的一种非常实用的功能 它是一个没有大小和形状的物体对象但具有一切真实物体的属性同时可以挂载组件 使用空物体来记录零件初始的安装位置信息通过挂载脚本程序系统会实时计算零部件与空物体的距离当零部件在装配过程中被鼠标拖动到安装位置附近并且小于阈值时将零部件自动移动到安装位置如此便可以保证零部件的装配精度)场景仿真技术场景仿真的优劣是进行虚拟现实仿真过程中头盔中的机务场景是否具有沉浸感的关键因素 目前 作为一款开源的次时代的三维场景引擎其“所见即所得”的编辑方式使开发者能够实时预览效果可以兼容多种文件格式 该引擎可达到高逼真度的仿真效果模型逼真度可达 以上 引擎对材质、场景、光照等的实时渲染具有强大且友好的支撑系统开发者在制作逼真的场景及调整头盔中的视觉效果时能够轻易上手 因此基于虚拟现实技术的训练系统将采用 进行场景仿真的开发 结论该训练系统是直升机领域针对用户开发和使用的一套系统 它基于 (简称)次时代引擎开发技术和 虚拟现实套装设备进行联合开发构建三维可视化模型通过虚拟现实技术良好的交互性和沉浸感来逼真地还原现实场景综合运用图像、声音、动画等多媒体技术模拟维修、飞行现场的实际情况使得视景模拟真实度大大提高用户使用该系统的真实感大大增强可以大大提高工作效率降低各项成本 利用虚拟现实技术进行培训可以让书本认知与实际认知相结合 虽然现阶段在某些行业的应用中硬件设备的限制使得这种培训还不能够完全地解放双手但是虚拟现实技术所带来的知识面的扩展以及真实的接触感是传统的培训所不能替代的 目前除了要在硬件方面不断更新换代以外也要充分地挖掘增强现实技术的优势将其作用发挥到最大参考文献:史东风张东升.基于 的装备保障实装训练系统需求分析.价值工程():.李婷婷.基于 的无人直升机飞行模拟训练系统研究与实现.直升机技术():.白伟光沈笑云刘剑.虚拟装配技术在交互式电子手册中的应用.计算机测量与控制():.(上接第 页)许国杰.直升机维护与应急维修研究.哈尔滨:黑龙江科学技术出版社.罗方涛.某型发动机滑压高的故障分析.设备管理与维修():.乐淑玲李蒙江曹帅等.某直升机液压系统原理与典型故障分析.中国新技术新产品():.姚灿.某型直升机主减速器润滑系统分析.第六届中国航空学会青年技论坛.董宝君.某型直升机发动机燃油压力低故障研究.航空维修与工程():.