運輸機平視顯示系統仿真

姚 冰

（中國民航大學 航空工程學院，天津 300300）

0 引言

航空運輸業對拉動全球經濟增長作用明顯，是國家發展的重要載體。美國不僅具有國際領先的飛機制造產業和技術，還擁有完善的航空運輸系統。預計到2025年，美國的空中運輸系統需要容納目前飛機數量的4倍，下一代空中交通系統的關鍵就在等效可視飛行能力［1］。等效可視飛行能力可以擺脫實際天氣和能見度狀況的限制，獲得“全天候”滑行和著陸的能力，現代視景系統是獲得這種“全天候”著陸能力的一種有效手段。視景系統大部分使用平視顯示器（HUD）作為顯示裝置，HUD技術源于軍工技術，20世紀80年代初開始應用于民用干線飛機，并日趨成為駕駛艙的重要組成部分，波音787就將 HUD作為必裝設備［2］。HUD主要通過數據采集、信息計算、圖形生成、投影和準直等一系列處理將一些重要飛行信息（飛行航跡、高度、速度和姿態等）以綠色的符號形式顯示在飛行員正前方“無窮遠”處，與駕駛艙外景／目標重疊在一起［3］。本文基于 GL studio軟件和 Vega Prime軟件對大型運輸機平視顯示系統進行仿真［4-5］研究，為后續針對平視顯示器開展工效和認知研究提供基礎。

1 平視顯示系統仿真

1.1 總體方案設計

本系統以增強視景系統搭載的平視顯示系統為藍本，利用GL Studio制作出動態鏈接庫（.dll）形式的平視顯示器靜態模型，導入Vega Prime提供的三維場景（地形、運輸機和障礙物等模型）中，通過接口插件GLS Vega Prime PlugIn實現仿真數據傳遞，從而完成平視顯示系統的動態仿真。平視顯示系統開發流程如圖1所示。

1.2 平視顯示器靜態模型

為了實現大型運輸機平視顯示器的仿真，首先確定工程類型，設計平視顯示器的靜態圖形界面，根據仿真任務的需要，平視顯示器界面上有航向、高度、速度、下降率和姿態等主要飛行信息，參照波音787飛機平視顯示器的格式，空速表、高度表和俯仰角度刻度表為柱形刻度表，航向角刻度表和滾轉角刻度表為盤形刻度表；其次由于運輸機平視顯示系統要求實時顯示外部視景和各項飛行信息，因此需要對平視顯示器靜態界面上的各儀表對象添加相應的屬性、方法和變量；然后利用GL Studio代碼生成器生成.cpp和.h文件格式的源代碼文件，最終編譯生成.dll形式的平視顯示器靜態模型。平視顯示器靜態模型開發流程圖如圖2所示，開發出的平視顯示器靜態模型如圖3所示。

圖1 平視顯示系統開發流程

1.2.1 平視顯示器上柱形刻度表的開發

平視顯示器上柱形刻度表是指帶有刻度符號和對應數值的柱形虛擬儀表，空速表、高度表和俯仰角刻度表都屬于柱形刻度表。下面以空速表為例，對柱形刻度表的開發過程進行說明。

空速表主要由綠色刻度符號和對應的數值組成。利用GL Studio編輯器設計窗口工具欄中的“Adds a line object”即可輕易制作綠色刻度符號，然后在對象屬性窗口設置綠色刻度符號的位置和長度。同樣，對于綠色刻度符號對應的刻度值，只需單擊GL Studio編輯器設計窗口工具欄中“Inserts a GlsTextGrid”制作按鈕即可，然后在對象屬性窗口設置刻度值的位置、顏色和大小等信息，但是空速實時顯示框與背景刻度值存在疊加，需要建立組件，以控制背景刻度值在空速實時顯示框區域處是不可見的。建立好空速表的靜態界面后，在代碼區內添加屬性AirSpeed，同時添加相應代碼，使各刻度值處能實時輸出正確的數值。

圖2 平視顯示器靜態模型開發流程圖

圖3 平視顯示器靜態模型

1.2.2 平視顯示器上盤形刻度表的開發

平視顯示器上盤形刻度表是指帶有刻度符號和對應數值的盤形虛擬儀表，航向角度表和滾轉角度表都屬于盤形刻度表。盤形刻度表的制作較簡單，只需利用好GL Studio編輯器設計窗口工具欄中的“Inserts a GlsAngularScale”即可，該按鈕用來制作盤形刻度符號。在實時飛行中，為了便于飛行員能夠迅速地掃視到航向角信息，航向角刻度值需時刻保持在便于飛行員閱讀的正立狀態，因此在代碼區的屬性中對每個刻度值符號添加函數DynamicRotate（），該函數用來控制對象的旋轉。

1.2.3 添加交互代碼

制作好平視顯示器靜態模型后，在GL Studio編輯器代碼區添加交互代碼。在實時飛行中，通過插件GLS Vega Prime PlugIn接收運輸機在由 Vega Prime軟件提供的三維場景中的實時飛行信息，并在平視顯示器各儀表上體現出來。

1.3 平視顯示系統動態實現

Vega Prime的視景仿真主要包括視景模型的預處理、LynxPrime圖形界面設計和視景仿真程序設計3個部分。視景模型的預處理主要包括大地形建模和實體（運輸機、儀表等）建模；LynxPrime圖形界面設計主要包括環境設置和模型初始位置定位；視景仿真程序設計則使用VC++平臺創建控制臺程序或者創建MFC對話框程序，對視景仿真程序進行更深層次的設計。

本文在完成視景模型的預處理后，在LynxPrime圖形界面中首先加入運輸機模型（如圖4所示），然后利用插件GLS Vega Prime PlugIn將平視顯示器靜態模型導入，在Object Connection中關聯運輸機模型，同時修改其位置參數，將其定位在座艙中的正確位置，最后設置三維視景中的各種環境，從而完成HUD.acf文件的配置。在視景仿真程序設計中使用VC++平臺創建好控制臺程序后，直接在項目源文件中的HUD.cpp文件中定義已經配置好的HUD.acf文件，然后根據需要進行其他編程（如加入操縱桿或進行自動飛行），從而完成平視顯示系統的開發。平視顯示系統動態圖如圖5所示。

圖4 運輸機模型

圖5 平視顯示系統動態圖

2 需解決的關鍵問題

2.1 平視顯示器界面的實時顯示

將GL Studio制作出動態鏈接庫（.dll）形式的平視顯示器靜態模型導入Vega Prime軟件中的運輸機模型后，運行平視顯示系統的過程中可能會出現平視顯示器界面無法顯示的問題，這是因為在使用VC++平臺編譯GL Studio自動生成的各種源文件時沒有正確配置編譯環境。

GL Studio軟件中，對于生成的可執行文件有兩種調用方式，相應地在VC++平臺中創建工程時有兩種類型的工程：StandaloneAppWizard類型和Live Component Wizard類型。本 文 選 擇 LiveComponent Wizard類型的工程，經過編譯后會生成.dll形式的文件，因此在VC++平臺中將項目屬性的活動解決方案配置設為 Release／Debug LiveComponent glsdll md，從而與.dll的工程類型相對應。

2.2 俯仰角刻度線制作

在運輸機飛行過程中，平視顯示器實時顯示各種飛行信息，地平線標志刻度線、地平線標志線以上的俯仰角刻度線及地平線標志線以下的俯仰角刻度線之間是存在差異的（如圖5所示），目的是使經過訓練的飛行員在飛行過程中可以輕易地獲取飛機的俯仰角度值，但這也增加了俯仰角刻度線制作的復雜性。

由于GL Studio軟件可結合VC++進行混合編程，因此可以在GL Studio編輯器設計窗口的同時畫好地平線標志刻度線、地平線標志線以上的俯仰角刻度線和地平線標志線以下的俯仰角刻度線，將其作為俯仰刻度線基線（如圖6所示），然后在代碼區中添加方法ChangeLadder（int number），同時添加如下代碼來控制三者的顯示：

圖6 俯仰刻度線基線

2.3 碰撞檢測

在Vega Prime軟件提供的虛擬三維環境中，運輸機與場景（山、房屋和跑道等）之間會出現“穿透”的現象，使仿真程序失真。Vega Prime中的碰撞檢測基類vpIsector封裝了Tripod、Bump、ZPR等7種相對簡單的碰撞檢測器，用戶先根據飛行任務需要選擇碰撞檢測器，然后將碰撞檢測器和目標物體的Isector Mask碼設為不同的值，只有當兩者的“與”值不為零時進行碰撞檢測。Vega Prime直接利用acf配置即可配置類vpIsector中的碰撞檢測器，但是只能進行碰撞檢測，用戶可以根據需要編寫碰撞效果程序。

3 結束語

本文以增強視景系統搭載的平視顯示系統為藍本，根據平視顯示系統的特征和功能要求，基于GL Studio軟件和Vega Prime軟件進行大型運輸機平視顯示系統的仿真。較為詳細地敘述了開發流程，并對開發過程中的一些關鍵問題提出了解決方法。本文的平視顯示系統仿真為后續針對平視顯示器開展工效和認知研究提供基礎，從而提高飛行員的情境意識，改善飛行員的飛行績效。

［1］ Randall E Bailey，Lynda J Kramer，Steven P Williams.Enhanced vision for all-weather operations under NextGen［R］.Hampton：NASA Langley Research Center，2010.

［2］ 何光勤.美國新一代航空運輸系統及其對中國的借鑒意義［J］.科技經濟市場，2011（5）：71-73.

［3］ 張偉.民機新一代駕駛艙顯示技術［J］.民用飛機設計與研究，2011（2）：4-7.

［4］ 于輝，趙經成，付戰平，等.GL Studio虛擬儀表技術應用與系統開發［M］.北京：國防工業出版社，2010.

［5］ 董秀成，鄭海春，李兆鋒.Vega Prime實時三維虛擬現實開發技術［M］.成都：西南交通大學出版社，2012.