基于GL Studio某型飛行訓(xùn)練模擬器導(dǎo)航界面的建模與仿真?

劉超慧 韓 晨 魏家華

（1.海軍航空大學(xué)航空作戰(zhàn)勤務(wù)學(xué)院 煙臺 264001）（2.空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院 西安 710076）

1 引言

在飛行學(xué)員的初級訓(xùn)練階段或各個機(jī)型改裝的起始階段，采用實裝對飛行學(xué)員進(jìn)行訓(xùn)練存在效率低、成本高、安全性差等諸多問題［1］，隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，通過仿真工具軟件模擬飛機(jī)座艙訓(xùn)練環(huán)境，開發(fā)虛擬裝備開展訓(xùn)練是解決以上問題的有效途徑。

常用的仿真軟件有OpenGL、3Dmax、Creator等軟件，但都存在建模工作量大、效率低，并且對計算機(jī)的硬件設(shè)備要求較高等問題［2］，GL Studio是DiSTI公司開發(fā)的獨(dú)立于平臺的快速原型工具，用于創(chuàng)建實時的、二維或三維的、交互式的圖形界面軟件［3～4］。GL Studio開發(fā)建模時不需要專業(yè)的圖形設(shè)計者和軟件工程師，不需要用戶具備專業(yè)的編程能力，就可以完成圖形對象的仿真與開發(fā)。

本文基于GL Studio4.0軟件，結(jié)合VC++6.0進(jìn)行混合編程，實現(xiàn)了對某型飛行模擬器導(dǎo)航菜單的仿真，并對開發(fā)過程中的幾個關(guān)鍵問題進(jìn)行了分析。

2 GL Studio建模流程

圖1 GL Studio建模流程圖

3 某型飛行模擬器導(dǎo)航界面的仿真

慣導(dǎo)系統(tǒng)的可視化顯示是成熟三代機(jī)應(yīng)當(dāng)具備的主要綜合性能標(biāo)志之一，通常通過多功能顯示器MFD進(jìn)行模塊化顯示。導(dǎo)航界面顯示的內(nèi)容豐富、信息量較大，而且，交聯(lián)關(guān)系較多、控制邏輯復(fù)雜。以某型飛行模擬器導(dǎo)航界面為例，建模與仿真過程中幾點關(guān)鍵問題如下：

3.1 整體畫面建模規(guī)律

多功能顯示器使用600×800的像素比例，導(dǎo)航畫面顯示時，飛機(jī)始終位于屏幕中央偏下的位置固定不動，使用Creat圖標(biāo)將相關(guān)的各圖元繪制在相應(yīng)位置。模擬器工作時，航路點、當(dāng)前航向、飛行狀態(tài)等數(shù)據(jù)根據(jù)實際模擬的飛行情況，由主控計算機(jī)解算后，通過以太網(wǎng)傳遞給航電計算機(jī)，之后通過程序代碼的編寫，將各數(shù)據(jù)實時反映到導(dǎo)航界面的相應(yīng)位置上。

將處理好的多功能顯示器MFD的控制面板添加到GL Studio4.0的Resources對話框的Textures屬性對話窗口中，之后在導(dǎo)航界面中按照MFD控制面板的實際尺寸，以導(dǎo)航界面中心為中心繪制一個相同尺寸的Polygon，將導(dǎo)航面板插入到Polygon中，使用工具欄中貼圖布置模式圖標(biāo)“”，調(diào)整好控制面板大小。之后使用相同的方法將各周邊鍵、開關(guān)、旋鈕插入到導(dǎo)航界面中。

各周邊鍵相應(yīng)的響應(yīng)畫面繪制時，應(yīng)使用Geometry窗口對象可視化圖標(biāo)“”，將導(dǎo)航系統(tǒng)主界面中的各圖元隱藏，之后使用Convert轉(zhuǎn)化工具的組合所選對象圖標(biāo)“”將各個響應(yīng)畫面分別建為一個組合。

圖2 建模后的導(dǎo)航仿真界面

依據(jù)整體畫面的建模規(guī)律，為各個組合命名。由于導(dǎo)航主界面中元素較多、復(fù)雜程度較高，使用Convert轉(zhuǎn)化工具中的轉(zhuǎn)化為組件圖標(biāo)“”將導(dǎo)航主界面的各圖元劃分為五個類，減少各圖元間相互的干擾，也有利于調(diào)試時錯誤的修改。導(dǎo)航仿真界面及Geometry窗口的具體情況如圖2所示。

3.2 軟件開發(fā)

為了實現(xiàn)多功能顯示器MFD導(dǎo)航界面各圖元的正確運(yùn)動以及各界面對周邊鍵、電門及旋鈕的響應(yīng)邏輯，仿真過程中用戶需要在GL Studio軟件代碼生成器中完成運(yùn)動圖元和響應(yīng)邏輯的程序編寫，該部分也是建模與仿真過程中最為重要的部分。

以當(dāng)前航向刻度帶模塊軟件開發(fā)為例。建模時將當(dāng)前航向刻度帶創(chuàng)建成導(dǎo)航主界面的一個類，防止各子畫面圖元間的相互干擾。飛行中當(dāng)前實時航向類應(yīng)實現(xiàn)以下功能：

1）顯示飛機(jī)當(dāng)前實時航向數(shù)值；

2）飛機(jī)顯示符固定不動；

3）航向刻度帶以飛機(jī)為中心旋轉(zhuǎn)，相應(yīng)各航向讀數(shù)隨航向刻度帶旋轉(zhuǎn)保持水平，而讀數(shù)發(fā)生變化。

圖元創(chuàng)建時不需要畫出360°完整的航向刻度帶，可以采用“弧線+角度刻度盤”結(jié)合的模式。利用工具欄角度盤繪制圖標(biāo)“”，確定間隔與起始角，繪制角度盤刻度線，并輸入弧線弧度。

在Class Properties類屬性窗口創(chuàng)建當(dāng)前航向float型成員變量curCourse、differ，初始化各變量，并在用戶程序中添加幾行關(guān)鍵代碼：

static float scale=-30.0f/30.0f；//30°為30個邏輯單元

_curCourse=value；//當(dāng)前航向為實時獲取值

int cur_course=（int）（_curCourse+0.5f）；//對當(dāng)前航向整數(shù)值進(jìn)行四舍五入

center=（int）_curCourse；//中間航向值初始化

center=center-（center%30）+15；//中間航向值隨旋轉(zhuǎn)實時變化

sprint（f outputcurCourse，“%3d”，cur_course）；

curCourseReadout-＞String（outputcurCourse）；//顯示當(dāng)前航向

并且以 center＜45、center＜15、center＞345、center＞315、else幾種情況討論防止航向刻度值出現(xiàn)負(fù)數(shù)。

differ=_curCourse-（float）center；//當(dāng)前航向與中間航向差值

scaleGroup-＞DynamicRotate（-differ*scale，Z_AXIS）；//驅(qū)動刻度尺旋轉(zhuǎn)

leftAzimuthReadout-＞DynamicRotate （differ*scale，Z_AXIS）；//航向刻度值讀數(shù)反向旋轉(zhuǎn)以保持水平（其它幾個航向刻度值讀數(shù)做相似旋轉(zhuǎn)）

將需要顯示的航向刻度帶部分用一扇形覆蓋，命名為clipthis，并將扇形隱藏。在Class Method類方法的Initialize（）窗口中添加程序代碼：

SetViewport（clipthis）；//顯示扇形區(qū)域內(nèi)的內(nèi)容

scaleGroup-＞GetLocation（startLoc）；//獲取航向角度盤刻盤的初始化位置

然后，在航電主界面Class Properties類屬性窗口創(chuàng)建相同的float型成員變量curCourse，并在用戶程序中添加程序代碼：

_curCourse=value；

ruler-＞curCourse（_curCourse）；//ruler為類（當(dāng)前航向刻度帶）名稱

將實時獲取的當(dāng)前航向值傳遞給當(dāng)前航向刻度帶類中，然后進(jìn)行編譯與調(diào)試。

建模過程中，使用多功能顯示器MFD的實際像素尺寸進(jìn)行建模的優(yōu)點就在于當(dāng)控制面板及各周邊鍵、開關(guān)、旋鈕使用實裝時，只需要在Application對話框的Initial Position窗口中設(shè)置生成界面的初始位置，不需對虛擬控制面板及各周邊鍵、開關(guān)、旋鈕做任何處理，即可直接應(yīng)用到模擬器中。

經(jīng)保密審查處理后“實裝＋模擬”裝備運(yùn)行中的導(dǎo)航模擬仿真界面如圖3所示。

圖3 運(yùn)行中的導(dǎo)航仿真界面

3.3 鏈接調(diào)試

鏈接調(diào)試時主要檢查航電計算機(jī)能否正常接收主控計算機(jī)傳輸?shù)膶崟r解算數(shù)據(jù)；導(dǎo)航菜單對周邊鍵的反應(yīng)是否準(zhǔn)確；顯示界面的數(shù)據(jù)參數(shù)是否正確；各符號的位置關(guān)系及驅(qū)動動作是否運(yùn)行準(zhǔn)確無誤［11～12］。

調(diào)試方法可以通過用戶編寫的離線子程序進(jìn)行測試，該方法較為自由靈活，需要在GL Studio軟件代碼瀏覽器類方法Class Methods的Calculate（double time）代碼輸入窗口中使用RampFloa（t）函數(shù)模擬生成所需的飛行參數(shù)，然后進(jìn)行測試。也可以通過以太網(wǎng)將航電計算機(jī)與主控計算機(jī)鏈接，通過在GL Studio軟件代碼瀏覽器源文件（file*。cpp）的代碼輸入窗口中編寫接收程序，程序代碼會在源文件中生成，通過網(wǎng)絡(luò)實時接收主控計算機(jī)的解算結(jié)果，然后進(jìn)行調(diào)試。具體情況如圖4所示。

圖4 鏈接調(diào)試接收數(shù)據(jù)程序輸入窗口

4 結(jié)語

本文采用VC++6.0結(jié)合GL Studio軟件進(jìn)行混合編程的方法實現(xiàn)了對某型飛行模擬器導(dǎo)航界面的建模與功能仿真。

模擬器各系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)調(diào)測試時仿真界面平穩(wěn)清晰、主界面與各子界面之間切換靈活穩(wěn)定。經(jīng)過改裝該機(jī)型成熟飛行員實際飛行操作后反饋，該導(dǎo)航界面的建模與仿真效果良好，較為逼真，滿足改裝飛行學(xué)員日常模擬訓(xùn)練的任務(wù)需求。