来源：第三维度    作者：陈吉华 卢丽川 任小侠 高亚奎    单位：中航第一飞机设计研究院
    摘要 本文阐述了某型号飞机工程模拟器座舱虚拟航空仪表的设计方案，就该虚拟仪表的设计难点进行了研究，提出了解决方案，通过实际调试证明了该设计和关键技术解决方案是正确的，并分析了应用面向构件技术生成的虚拟仪表的特点及发展前景。虚拟技术的成功应用使虚拟仪表达到了设计要求，圆满完成了座舱备份仪表系统的仿真，取得了良好的工程效果。
   1. 引言 
    随着数字技术在现代航空领域的应用，为虚拟现实技术运用于航空仪表奠定了坚实的技术基础，使得座舱航空仪表的实现发生了质的变化。
    虚拟航空仪表为全数字仿真仪表，它从根本上改变了以往模拟式或数模混合式航空仪表的固有结构形式。虚拟航空仪表采用数字传输技术获取仪表显示信息，应用面向构件的图形化仿真技术和 3D 技术生成具有三维视觉效果的虚拟仪表画面，通过显示器组件和模拟仪表板仿真工程模拟器座舱内真实航空仪表。
    2. 研制要求 
    某型号飞机工程模拟器是以工程仿真为主，同时兼顾部分训练任务。因此要求座舱虚拟航空仪表能真实再现飞机备份／应急仪表的显示参数、工作状态和功能。仿真中结合工程模拟器自身特点，在忠实原仪表布局设计的基础上，可进行适度更改，显示的虚拟航空仪表应无明显的形象失真和功能失真，仿真显示器刷新周期不大于40ms。
   3. 虚拟航空仪表方案 
   根据某型号飞机工程模拟器的任务要求，在对航空仪表需求进行分析的基础上，结合现代仿真技术以及研制可行性风险评估和研制经费等综合因素的考虑，采用虚拟仿真仪表模式实现航空仪表的仿真。虚拟航空仪表系统由任务执行计算机系统和软件开发平台组成。
   虚拟仪表在软件开发平台完成研发和调试后，生成脱离开发环境的执行文件组，再将执行文件移植到任务执行计算机系统。任务执行计算机采用启动自引导方式工作，所有工作参数均已在前期调整好，整个工作过程无须人员介入。
    3.1任务执行仿真计算机系统
    虚拟仪表系统的任务执行计算机系统包括仿真计算机、分屏显示驱动卡、显示器和模拟仪表板。仿真计算机采用加固式通用PC机完成图形的生成和驱动，由分屏显示驱动卡驱动显示器完成仪表画面的显示，虚拟航空仪表任务执行计算机系统结构见图1。为增加虚拟航空仪表的逼真效果，设计了模拟仪表板。虚拟仪表模拟仪表板设计效果图见图2（以工程模拟器前舱为例）。
    虚拟仪表显示器选用工业专用液晶显示器，每套显示器由液晶屏、控制器、逆变器、OSD调节和电源等组成。为保证工程模拟器的特殊使用需求，根据虚拟仪表整体布局，将显示器集成在自行设计的集成盒内。显示器采用无间隙贴合装配，集成于集成盒内层，电气线路板和内层保护盒用顶丝安装在集成盒的外层。为提高虚拟仪表的仿真效果，虚拟仪表的显示图形采用矢量图。因此.显示驱动卡必须选用支持800×600像素、双通道独立图形驱动输出、具有全屏幕抗锯齿和全屏幕抗混叠功能的可调参分屏显示驱动卡，以满足工程模拟器座舱的特殊需求。
    3.2 面向构件的软件平台
    任务执行仿真计算机系统是构筑虚拟仪表的物质基础，开发软件才是虚拟仪表真正的灵魂。虚拟仪表软件开发平台由 Windows 2000/NT、Microsoft Visual C++和 VAPS 用户开发软件组成。
    VAPS为主开发软件，它是具有强大功能的面向构件的用户开发软件。VAPS是集开发建模、属性定义、控制逻辑联结、运行调试监测及最终生成运行文件为一体的集成开发软件，用于虚拟仪表的数据建模和运行监测，并直接生成虚拟仪表的可运行文件便于移植，是软件平台的核心。VAPS开发的用户程序可通过TCP /IP、UDP/IP和共享内存通讯协议与外部进行数据通讯。本虚拟仪表系统采用共享内存方式完成数据的通讯。每个VAPS部件都由特定的通道与外部数据相联，驱动VAPS部件显示，从而反应相应的数据变化。

图 1 虚拟航空仪表任务执行仿真计算机系统结构图
    虚拟仪表的显示信息来自工程模拟器航电仿真计算机，它使用 10M/100M 自适应以太网，以广播方式单向传递数据给虚拟仪表任务执行仿真计算机。Visual C++完成虚拟仪表的仪表驱动和数据通讯，程序主要包括以太网数据接收、数据处理、创建 VAPS 共享数据区和仪表驱动等功能模块。数据接收模块在仪表仿真计算机中开辟数据缓冲区，存放接收到的以太网广播数据，并定义共享内存数据区与 VAPS 数据通道相联，共享内存区的数据类型、大小与 VAPS 定义的数据通道类型、大小相一致。利用数据处理模块按 VAPS 应用程序通道的需求从接收到的广播数据缓冲区中找出与之对应的数组，再按需进行逻辑判断、非线性处理的数据进行解算，经解算和逻辑判断后的数据，以共享内存数据格式存入共享内存数据区，应用仪表驱动模块完成对 VAPS 部件显示驱动。图 2 是虚拟航空仪表数据流程图。
    4. 虚拟航空仪表的设计难点分析 

图2 全数字虚拟仿真航空仪表数据流程示意
    由于工程模拟器需承担部分飞行训练任务，因此要求工程模拟器座舱必须保持与原型飞机座舱相同的布置格局。座舱应急/备份仪表板是一块 200mm×640mm 的狭长仪表板，其上安装了十几只与模拟飞行相关的航空仪表。航空仪表布局特点为左右跨度大，上下可用空间十分有限。仪表板除装有航空仪表外，还散布着指示灯、按钮和控制开关。部分航空仪表表盘上还装有调节旋钮和按钮。在一个特定的狭长区域内采用虚拟显示技术仿真航空仪表，给虚拟仪表系统的硬件设计和建模带来了很大的难度，下面就解决这些设计难点的思路和方法作简单说明。
    4.1 虚拟仪表硬件设计的协调
    工程模拟器应急/备份仪表板的仪表布局与显示器显示区域之间相互协调是虚拟仪表硬件设计中非常棘手的问题。为解决这一问题主要从仪表分类与显示区域划分、显示器的选型和集成和模拟仪表板的设计等几方面着手。
    4.1.1 仪表分类与显示区域划分
    工程模拟器座舱应急/备份仪表种类繁多、布置密集，在满足工程模拟器任务要求的基础上，根据航空仪表在工程模拟器仿真中的作用，及其与飞行仿真的相关程度进行分类，对与飞行仿真密切相关并在工程模拟器仿真中影响大的仪表采用数字仿真方式进行全功能模拟；与飞行仿真无关或关系不密切的仪表仅进行形象模拟，不仿真其具体功能。结合座舱仪表布局和显示器的几何尺寸，把工程模拟器座舱仪表板分为三个显示区域，每个显示区域包含数个需进行全功能模拟的虚拟仪表。显示区域的划分利于显示器的选型和集成，以及模拟仪表板设计等后继工作的顺利完成。前舱仪表显示区域划分见图 3。
    4.1.2 显示器的选型和集成
    虚拟航空仪表的显示由显示器完成。根据仪表显示区域的划分，工程模拟器座舱仪表板左、中二个显示区使用 10′显示器，右侧显示区域使用 8′显示器，这样的显示布局较好地解决了显示布局难的问题。

    1 力臂位置指示器；2 航空时钟；3 组合速度表；4 航姿仪；5 航向位置指示器；6 左发转速表；7 右发转速表；8 油量表；9 应急地频仪；10 升降速率表；11 法向加速度表；12 气压高度表；13 起落架灯盒；图 3 虚拟仪表模拟仪表板设计效果图
    在集成设计中，为实现仿真仪表的整体布局，首先保证显示器相互位置的配合关系；其次是显示器集成盒与仪表板和座舱安装框之间的定位协调设计。为确保工程模拟器座舱舱内整体视觉效果及不影响操作人员的操纵，显示器集成盒外型尺寸应尽量控制在仪表板覆盖范围内。为解决这个问题，在显示器集成盒的设计中采用了分段控制外型的方法，使显示器集成盒的外型随仪表板轮廓进行设计。电器部件的安装位置和安装方法则是另一个须妥善解决的问题。由于仪表板遮挡范围比较狭小，显示器集成盒的上下宽度已基本将仪表板遮挡范围用尽，为了不使信号电缆暴露在遮挡范围以外，控制器线路板采用集中布局，分二层布置，集中放置在显示器集成盒的中央部位。通过合理放置，在有限的使用空间内获得可行的布局。
    4.1.3 模拟仪表板的设计
    为了增加虚拟航空仪表的逼真效果，为数字仿真仪表设计了模拟仪表板。模拟仪表板的设计必须同时兼顾显示器可用区域尺寸、仪表位置、表盘上安装的调节旋钮和按钮空间尺寸等因素。根据这些尺寸和影响关系设计模拟仪表板。对难以调整的仪表，再结合总体布局效果，重新设计虚拟仪表的显示尺寸。这些尺寸和位置的调整，都不得破坏座舱仪表板原有布局，调整后的仪表板的整体视觉效果不能与原仪表板视觉效果有太大的差距。
    4.2 虚拟航空仪表建模中的难点分析
    虚拟航空仪表采用 VAPS 用户开发软件进行数字模型的建模。在建模过程中,仪表的逼真效果与显示器刷新频率之间的协调是一对非常尖锐的矛盾。众所周知，逼真的虚拟仪表，尤其是具有 3D 效果的仪表，必须由众多不同的灰度等级、不同色调的点、线、面组成，这类图形的显示刷新周期较长。随着显示器所显示的虚拟仪表的数量增多，显示器刷新频率明显下降，所显示的图形画面出现不连续的跳跃现象，不能满足每秒刷新 25 贞的设计指标。为解决这一问题，在 VAPS 建模过程中，先将航空仪表画面分为运动和静止二类图形，分别进行数字建模。静止图形定义为背景图像，运动图形则按其运动方式定义成相应的输出部件，模型分别建好后进行重新组合形成完整的虚拟仪表。这样再运行 VAPS 时，只对仪表画面中的运动部件执行图形刷新操作，对被定义为背景图像的图形将不再刷新。通过这样协调，大大减少了每贞刷新量，缓解了图形显示对 CPU 资源的大量占用，使得显示器的刷新频率保证在每秒刷新 25 贞的设计指标。
    VAPS 用户开发软件的 13 种 HMI 部件，给出了仪表指示部件的最基本运动关系，复杂的运动关系必须由用户自行完成。定义运动部件类型和部件间从属关系顺序是 VAPS 数字建模中的技术关键问题，若处理不当不仅会造成仪表各部件运动关系混乱，甚至导致各相关仪表无法正常运转。由于每只仪表都包含多种显示内容，各种指示关系相互关联，建模时应先按航空仪表属性树状结构，并根据各仪表间及仪表的每个指示部件的从属关系和运动组合关系画出仪表属性树状结构图，再按属性树状结构图逆向定义部件属性，即从子层向父层分层定义，这与从根到枝、由父至子的传统属性定义习惯恰好相反。在属性定义过程中值得注意的另一个问题是必须先将所有构件分别定义为独立图形后，再将仪表的模型构件全部调入同一个图形区域，并按真实仪表属性进行仪表拼装。以避免出现目标定义过程中，无法选中或错选仪表构件现象，更利于相互遮挡的层次间调整、几何尺寸和模型构件间相对位置的协调及运动属性和运动范围的定义。从而确保虚拟仪表运动部件的运动属性和显示方式符合仿真对象的相应关系，合成后的图像更真实地反映了航空仪表的各项属性和外观视觉。
    5. 虚拟航空仪表特点 
    虚拟航空仪表采用虚拟现实技术，应用面向构件的图形化仿真软件，通过 3D 生成技术及计算机图形处理技术进行仪表的仿真。在仿真理念和实现途径上有别于采用程序语言仿真的仪表。
    面向构件的图形化仿真技术从根本上改变了数字仪表仿真进程，使虚拟航空仪表在仿真全过程完全图形化，它把繁杂的程序和数据变成直观的仪表图像进行显示。工程技术人员不需要重复编写那些随时可能出错而又无法及时获得效果图形的程序，同时也不必再为理清函数间数据关系而大伤脑筋。这种面向构件的仿真方式，使得工程技术人员在仿真的最初阶段即图形模型阶段就可与实物进行对比，从而调整对象的仿真效果，按需施建。使仿真的重心从程序的编写改为对仿真对象的分析和研究。
    应用面向构件技术生成的虚拟仪表可根据实际需求，极为方便的对航空仪表进行更改和扩充。当仪表变更或增加时，只需建立变更后仪表构件模型，安置在相应位置进行程序连接，即可得到更改后的仪表。如因某种特殊需求，须将机载航空仪表重新排列组合，或增加新视窗，无需再次建模，只需将该仪表模块安放置在所需位置并设置好图形几何尺寸即可。在这种新的实现机制下，将比传统的面向对象设计方式节省许多设计开发时间，在仿真效果上由于图形技术和 3D 生成技术的综合运用，使虚拟仪表具有良好的三维视觉效果，大大增加了仿真仪表的真实感。
    6. 总结 
    应用虚拟现实技术生成的航空仪表达到了该型号飞机工程模拟器的任务要求，视觉效果逼真。虚拟现实技术在工程模拟器航空仪表中的应用，大大简化了模拟器的设备组成，降低了整体研制费用，提高了模拟器的设计更改效率，缩短了航空仪表的研发周期。
    虚拟航空仪表技术在工程模拟器上的成功运用，为今后该技术在各类模拟器的显示、仿真控制、产品开发期的相关功能模拟验证、配套设备筛选、布局评估等不同领域的应用提供了宝贵的经验，并为其在相关领域的运用提供了虚拟仿真技术的储备。