基于HoLoLens的飛行仿真輔助視景系統設計

金榮深

摘要：本文利用微軟Hololens技術，通過Hololens與飛行仿真交互功能開發，完成了飛行仿真輔助視景系統設計。在飛行仿真相關飛機地面模擬試驗中，輔助視景系統能夠模擬實時、準確、穩定的展示飛機本體變化，同時提高飛行仿真系統的開發、升級效率。

關鍵詞：Hololens;飛行仿真;輔助視景;地面模擬試驗

中國分類號：TB472 文獻標識碼：A

文章編碼：1672-7053（2018）06-0138-02

飛行仿真系統是民機飛控系統地面模擬試驗不可或缺的試驗設備之一，通過實時解算飛機運動方程和飛機發動機模型來更新飛機的飛行狀態，其主要包括軟硬件系統、I/O設備、飛行運動方程、模型如發動機模型、起落架模型等。飛行仿真系統采用“硬件在回路”與“基于模型驅動”的仿真技術，在飛控系統地面模擬試驗的全數字仿真、半物理仿真階段、交聯試驗以及適航相關試驗中占有非常重要的位置。

現階段，飛行仿真系統設計完成后，其模型運行情況、系統閉環特性的評估主要依賴于后期的數據分析，如圖、表、數等，設計人員缺乏直觀的判斷依據，且實時仿真過程中，無法實時確認故障時間點和故障類型。因此，需要一種基于飛行仿真系統實時數據的輔助視景設備，供設計人員進行直觀評判。

Hololens全息眼鏡是微軟推出的一款虛擬現實裝置，為頭戴式增強現實裝置，是一種在現實場景中顯示全息圖像的設備，可以完全獨立使用，同時無需線纜連接、無需同步電腦或智能手機。通過Hololens技術，可以與飛行仿真系統進行通訊接口設計，為飛行仿真設計人員提供實時、逼真的輔助視景，直觀顯示飛機本體狀態，并可通過互動實現觀察視角的切換。

1系統架構

1.1功能分析

在飛行仿真試驗過程中，需要通過HoIoLens眼鏡實時顯示飛行時的飛機本體狀態，并可通過互動實現觀察視角的切換，以方便設計人員全方位評判飛行仿真閉環特性。

其主要包括以下功能需求：

1）靜態飛機三維模型展示;

2）飛機本體狀態展示：根據飛行仿真數據，實時立體展現飛機的飛行狀態，如起飛、平飛、降落等;

3）飛機架構可視化：根據飛行仿真數據，及用戶和HoIoLens交互的結果，實時展示飛機的系統架構、信號流;

4）模型可視化：根據用戶與HoIoLens的交互，逐級展示用戶當前想看的分系統模型。

5）數據監控：仿真平臺實時對采集的數據存儲，提供列表、曲線、圖形等多種方式顯示監控數據。

實時仿真平臺支持多處理、多線程仿真，通過網絡系統將主控計算機和仿真平臺其他計算機（如控制臺計算機、輔助視景、數據處理及分析等）實時連接，實現平臺的同步控制和數據交互，其平臺實時性是重要指標之一。平臺實時性直接影響飛行仿真的閉環特性，以飛行仿真測試為核心的仿真平臺，需去除其他設備帶來的延遲影響，或將影響降至最低以免影響設計人員判斷。

在平臺運行之前，需要確定平臺整體實時性指標，并形成有效的實時性測試方案，并有相應的測試結果和分析結果。

1.2數據交互分析

接口管理是仿真平臺的重要組成部分之一，輔助視景系統需要具備多個接口與其他試驗設備、顯示設備進行數據交互，如圖1所示。其中，綜合試驗管理系統軟件通過TCP/IP通訊方式從飛行仿真設備獲得飛行仿真系統封裝的飛行狀態數據;HoIoLens眼鏡通過無線網絡的通訊方式獲取綜合試驗管理系統軟件計算出的飛機的實時狀態，并在眼鏡中實時顯示飛機的本體狀態。

根據飛行仿真的動力學和運動學模型實時結算，其封裝打包發送出的飛行狀態數據主要包括以下幾方面：

1）飛機在機體軸的線加速度、角加速度、角速率等;

2）飛機的真空速及機體軸上的三個速度分量，加入風和紊流的擾動影響，積分計算俯仰、滾轉、偏航速率等;

3）飛機壓力高度、馬赫數、校正空速等;

4）飛機的滾轉角、俯仰角、偏骯角和航向;

5）其他必要數據。

在綜合試驗管理系統軟件端以及顯示設備端開發相應的數據解包模塊，將飛行仿真經實時網絡發送的打包數據實時解包，作為輔助視景系統的重要輸入。整個打解包模塊需具備較好的實時性，并最大限度減少處理時間，以免產生視景卡頓或延時，影響設計人員判斷。多個仿真節點之間通過時間戳、標志位等進行同步計算，計算過程中通過綜合管理軟件實時共享數據，仿真節點作為整個實時仿真網絡的主機，與其他節點組成一個完整的實時仿真回路。在每個計算幀周期開始時刻，仿真節點計算機依次發送計算命令，各節點收到計算命令后分別開始解算。然后，仿真節點計算機從共享數據讀取所需數據。解算結束后，刷新共享數據，等待下一個解算周期。

同時，綜合試驗管理系統軟件開發數據存儲功能模塊，可將網絡數據進行綜合存儲，以方便后期進行數據回放和數據處理，以方便故障診斷、定位，方便飛行仿真和輔助視景系統維護、改進。數據存儲和采集采用無損旁路采集模式，對原有的通信鏈路為透明傳輸，對仿真平臺不帶來延時，以免影響仿真效果。

在飛行仿真中，實際操作并模擬一個飛行起落，實現輔助視景動態展示飛機全過程參數狀態響應。設計人員在輔助視景中，可以通過手勢與HoIoLens的互動實現觀察視角的變換，借助MR演示技術，創造沉浸式的體驗方式，讓設計員體驗到真實飛行感受，以直接評估仿真結果;通過操作可視化集成軟件，在LED虛擬現實大屏上同步顯示HoIoLens眼鏡中的內容，從而讓參觀者能同步觀看到HoIoLens中顯示的飛機本體狀態;綜合試驗管理系統軟件通過TCP/IP通訊方式從飛行仿真設備獲得飛行仿真數據;可視化集成軟件從綜合試驗管理系統軟件中讀取相關的飛行數據，并實時顯示在大屏中相應的小窗口中。

1.3開發點分析

為了保證開發進度，使用構建Windows應用程序所需的工具，包括Windows混合現實應用程序。同時，由于Windows混合現實開發沒有單獨的SDK，使用Windows 10 SDK（版本1511或更高版本）的Visual Studio開發。

主要針對飛機三維模型進行逐點開發，包括架構顯示.可視化、交互、視角以及狀態監測等方面，如下圖2所示。

2開發實現

2.1飛機三維模型靜態展示

將某型號飛機三維模型導入到HoIoLens中，并在HoIoLens中靜態展示，展示效果如圖3所示。

通過手勢與HoIoLens互動，可以實現模型的旋轉、放大、縮小等操作。

2.2與飛行仿真交互

在Hololens已導入的飛機三維模型基礎之上，結合HoIoLens獲取到的仿真飛行數據，實時渲染飛機模型的當前的狀態（如上升、平飛、下降等），同時通過手勢動作，操作飛機觀察視角的切換。如圖4所示。

HoIoLens展示的飛機本體狀態，可通過微軟的專用數據導出軟件，同步顯示在顯示大屏上。

3結論

本文從飛行仿真試驗直觀顯示的需求出發，利用微軟hololens技術，完成了Hololens與飛行仿真交互功能開發。根據靜態飛機三維模型，詳細設計了展示功能，并根據飛行仿真數據實時交互，實時立體展現飛機的飛行狀態，如起飛、平飛、降落等。同時，完成了飛機架構可視化設計，根據飛行仿真數據，及用戶和HoIoLens交互的結果，實時展示飛機的系統架構、信號流。

在飛行仿真相關試驗中，輔助視景系統能夠模擬實時、準確、穩定的展示飛機本體變化，為飛行仿真設計人員提供直觀的模型評判依據，以方便設計人員全方位評判飛行仿真閉環特性。同時，有助于輔助設計人員完成飛行仿真的模型開發、升級，改進飛行仿真設計，充分提高開發效率。

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