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虚拟现实技术在航空飞行器设计中的应用

上海，十几位中年人正在电脑前埋头研究，墙上挂着一幅大型的客机图片。图上这架飞机从外型上看，似乎与平时看到的波音、空客系列飞机没有什么不同。但是，细心的人会发现，飞机机身上的标识是“CS2000”，而非大家熟悉的“BOEING”或者“AIRBUS”，而尾翼的喷涂色彩则是中国国旗的红色和黄色。这架被称为“CHINA STAR”（中国星）的飞机模型，凝聚着包括前中航商用飞机有限公司副总设计师周先生在内的多位飞机设计专家的大飞机梦想。

3D仿真：虚拟制造的“集大成者”

CS2000梦想飞机的设计工作正在进行，也许会说：“它不过是又一架飞机而已。”但实际上，它绝不仅仅那么简单。科罗拉多州的航空业分析家迈克尔?博伊德认为，787飞机能够载入史册得益于前沿科技的应用，而虚拟设计技术就是其中的代表。
在787“梦想飞机”的下线仪式上，并没有出现真正的飞机。这是一场虚拟的下线仪式，它以虚拟的方式标志着787的成功研制。“我们的设计师和工程师们已经在电脑屏幕上创造出飞机模型，并解决了电脑设计程序的所有漏洞。”波音公司的设计工程师西蒙?库克（Simon Cook）说：“即使没有真正的机翼和轮子我们也可以完成制造过程。”
波音787下线仪式上所展示的并不是实际存在的机器部件，而这恰恰是虚拟设计软件的神奇之处——西蒙?库克说：“它可以在我们实际制造机器之前就完成对整个飞机的生产。也就是说，当我们生产成品之前，我们就一直在‘制造’它了。”
波音公司过去就曾用动画的方式设计过飞机结构，但直到工人在工厂中生产出部件，并把它们组装到一起时，才发现许多令人烦恼的问题：要么是部件大小不合适，要么是维修工没有足够的空间完成安装。“到了全部部件制造出来的时候才发现问题，对我们来说已经太晚了。我们不得不进行大规模的返工，生产速度也因此而迟滞，这严重影响了交付客户使用的承诺日期。”
波音787飞机的首席工程师汤姆?科根（Tom Cogan）表示，新一代3D动画技术的出现彻底改变了现实。“这是所有技术的集大成者，它和我们以往所做的有着根本不同。”科根说，“想想我们以往的做法，那的确太陈旧了。”
法国Dassault Systemes（达索）公司制作的3D模型让科根属下的工程师们在全部部件生产出来之前，就能准确地看到它们对于787飞机是否合适，以及有没有足够的空间让工人们进行安装。例如，工程师们发现了计划中的货舱门并不适合于组装，他们还看到电子仪器架也存在相同的问题。否则，波音公司将要付出很高昂的代价。因为如果事先不知道要做调整，公司不仅要重新设计仪器架，而且要重新调整架子周围的结构，或者重新设计组装工具。这些工作的成本是非常高的，光是修理部件也许就得花上一星期。
3D仿真技术代表着未来的制造趋势，而且这不仅仅限于飞机制造业。达索公司CEO伯纳德?查尔斯说：“想想你每天接触到的电话、汽车、咖啡机……不管是什么东西，如今的制造业都已经变得越来越虚拟化了，这是一场革命。对影像技术的发展而言，3D仿真的确是一个前景广阔、充满活力的平台。”

终结航空产品研发缺陷

现代制造工业是CAE技术发展的摇篮，各种CAE技术正是在以航空、航天、汽车、船舶、电子为主的实际工业应用的推动下，在不到半个世纪时间里迅猛发展起来的。在这些工业领域，CAE技术涵盖了计算结构力学（MCAE）、计算流体力学（CFD）、计算电磁学（CEM）等诸多学科专业分析，以及结构、热、流体、电磁多场耦合为核心的Multiphysics（多物理场）分析。与其他工业行业相比，这些工业对CAE技术具有最全面的需求。
CAE技术在中国航空航天工业的应用已有30多年的历史，各类 CAE技术在产品设计制造方面发挥着巨大作用，有效解决了本行业的诸多难题，为顺利研制新机型发挥了不可缺少的作用。但航空航天业内人士比谁都清楚，航空航天产品的特殊性对设计质量的要求可以说比任何种产品都苛刻。在这个行业，大家追求的目标已不是最快地解决设计难题，而是终结研发缺陷。
飞机结构仿真随着大型计算机及工作站的出现和大量工程应用软件的投入使用，使得飞机型号设计复杂的工程问题得以用有限元法进行分析。

虚拟现实技术在航空飞行器设计中的应用

虚拟现实 ( Virtual Reality,简称VR) 是一种可以创建和体验虚拟世界 (Virtual World) 的计算机系统。其中虚拟世界为全体虚拟环境（Virtual Environment)或给定仿真对象的全体，它是由计算机产生，通过视、听、触觉等作用，使用户产生身临其境感觉的交互式视景仿真。因此，一个身临其境的虚拟现实系统是由包括计算机图形学、图像处理与模式识别、多传感器、语音处理与音像以及网络等技术所构成的大型综合集成环境。由于它是一门综合性极强的信息技术，目前已在军事、医学、设计和娱乐等领域得到了广泛应用。例如，波音公司曾利用VR技术进行虚拟座舱的布局，实现了完美的实际座舱布局设计。
众所周知，航空飞行器设计是一项耗资巨大、变量参数很多、非常复杂的系统工程，保证其安全、可靠是航空飞行器设计时必须考虑的重要问题。因此，可利用仿真技术经济、安全及可重复性等特点，进行飞行任务或操作的模拟，以代替某些费时、费力、费钱的真实试验或者真实试验无法开展的场合，从而获得提高航空飞行器系统可靠性等的设计对策。这样，航空仿真研究就成为确保航空飞行器安全、可靠的有效技术途径。随着仿真技术向可视化方向的发展，将VR技术与仿真相结合，据此进行航空飞行器的设计研究，不失为一个行之有效的方法，

一、意义
虚拟现实技术的核心是通过计算机产生一种如同“身临其境”的具有动态、声像功能的三维空间环境，而且使操作者能够进入该环境，直接观测和参与该环境中事物的变化与相互作用。因此，将虚拟现实技术应用于航天仿真研究，不但可以使得该领域内的计算机仿真方法得到完善与发展，而且也将大大提高设计与试验的逼真性、实效性和经济性，具体表现在如下几个方面：
1.人-机界面具有三维立体感，人融于系统，人机浑然一体。以座舱仪表布局为例，原则上应把最重要且经常查看的仪表放在仪表板中心区域，次重要的仪表放在中心区域以外的地方。这样能减少飞行员的眼动次数，降低负荷，同时也让其注意力落在重要仪表上。但究竟哪块仪表放在哪个精确的位置，以及相对距离是否合适，只有通过实验确定。因此利用VR 作为工具设计出相应具有立体感、逼真性高的排列组合方案，再逐个进行试验，使被试处于其中，仿佛置身于真实的航空飞行器座舱仪表板面前，就能达到理想客观的实验效果。
2.继承了现有计算机仿真技术的优点，具有高度的灵活性。因为它仅需通过修改软件中视景图像有关参数的设置，就可模拟现实世界中物理参数的改变，这样，随着任务的变化，已有的软件再经修改即可满足新任务的要求，所以十分灵活、方便。
3.突破环境限制。现有航天仿真的计算机系统体现不了空间失重环境，而建立虚拟现实系统，通过虚拟的景象和声响就可以使被试处于天空飞行中实际的飞行器座舱中，据此展开的相应试验研究具有实际意义。
4.节省研究经费。改用真实的飞行器进行相应的试验研究是不可能实现的，因为耗资巨大，经费条件不允许。而采用虚拟现实技术，由于其研制周期较短，设计修改和改型仅通过软件修改实现，可重复使用，设备损耗低，这样可大大节省经费投入。
长时间、远距离和多乘员的飞行将是21世纪航空技术发展的必然趋势，为了保证有良好的人（航天员）-机（航空飞行器显示、控制系统）界面以提高飞行员-航空飞行器-空间环境这个大系统的可靠性和安全性，开展基于虚拟现实技术的航空仿真技术的研究，不但可以填补我国在此领域内的研究空白，而且也将为我国中、长期天空飞行的航空飞行器型号任务的实施创造有利条件。

二、研究现状

一般而言，虚拟现实系统具有两大特点：可以从数据空间向外观察和被试可以沉浸到数据空间中。它是通过对研究对象的模型进行计算机仿真，由计算机结果去控制虚拟世界，并显示给被试，最终实现它们之间的交互作用。这样，将被试投入到虚拟环境中来真实地注视数据以进行交换，与现有的航天仿真方法相比有质的提高。
基于上述过程，一个完整的虚拟现实航空飞行器仿真系统由下面三部分构成。
1.虚拟环境产生由一个能产生三维世界的软、硬件环境是VR 系统的核心部件。它的主要功能是接收被试相关的运动信息（如头部、眼、手等），分路/ 分时生成左、右眼视图，并融合成三维图像，同时进行三维声音合成信号。
2.输入输出设备其目的是使被试能通过视觉、听觉等方式与虚拟环境实现信息的交互作用。主要包括显示设备、操纵杆等，它们是被试与虚拟环境建立联系的关键。
3.数据接口其作用是将虚拟环境产生器、输入输出设备以及被试等有机连接成一体，这不仅包括硬件协配问题，也包括软、硬件联调以及人机界面等技术内容。

三、应用趋势

纵观国外主要航天大国的研究，归纳起来，虚拟现实技术在航空飞行器仿真研究中应用的发展趋势是：
1.飞行员训练器利用虚拟训练系统通过构造航空器虚拟座舱模型，训练飞行员熟悉舱内布局、界面和位置关系，演练飞行程序和操作技能等。还有，在航空器某些关键设备在运行期间发生故障时，为使飞行员能正确进行正确处理相关问题，可以通过虚拟现实技术使得飞行人员通过操作虚拟设备，大大提高了操作水平。
2.航天工效学作为一种新型的人机界面，利用VR 系统可以更好地研究人与飞行器之间的关系与功能分配，使舱内结构和布局更适合人的特性。此外，还可进行操作飞行程序和人机功能分配等合理性评价。这样能使被试更加沉浸于虚拟世界中，提高仿真试验效果。

四、关键技术

根据上述应用前景，我们认为，建立一个完善实用的航天仿真虚拟现实系统，需要在以下几个方面取得突破：
1.环境生成工具构造虚拟现实环境要通过环境生成工具来实现。计算机图像处理中智能性图形特征分析与推理及图形模块相互作用和处理，是虚拟现实技术的一个首要环节。目前这种环境生成工具专用性很强，尚不具有通用性。
2.三维图像处理技术虚拟系统的视景环境由计算机通过三维图像处理用立体图像方式表现出来，同时根据研究要求和约束条件，完成实验所用的三维显示界面。它是根据数学和视觉原理用小多边形构造出来的。据估计，建立载人航天器和它的对接机构形状、再入状态与着陆场等逼真的虚拟环境，需要的图像生成速度为8000万个多边形/秒。这就要有专门的数学模型和仿真软件，而这正是三维图像处理的主要内容。
3.系统性能评价建立的航空仿真VR系统是否实用，其中一个重要的评价指标是逼真度（即与所设计对象的吻合程度）。现有的评价方法包括两个方面：一是对系统进行测试，将结果与所研究对象的实际参数或数据进行比较；二是对仿真模型进行主观定性评价。对于VR系统，目前尚无有效手段客观评价其逼真度，多是依据主观定性评价。

五、几点看法

1.虚拟现实技术在于被试不再是坐在现实世界中通过人机界面去观察分析研究对象的参数，而是沉浸到由计算机创造的一种虚拟世界之中，在这里面如同真实世界一样与周围的虚拟环境事物进行交互作用。因此，针对航空仿真技术的特点，建立虚拟系统，不但设备相对简单、投资少，而且可以真实地模拟相关空间效应，所以它是今后研究中值得推广和应用的技术。
2.从整体水平看，国内在VR研究方面刚刚起步，与国外相比，存在很大差距。为此，我们应充分跟踪国外在航空飞行器仿真设计研究中的VR动态，在可行的基础上建立一套虚拟现实仿真系统。另外，在设计视景软件时，应与国际仿真软件的发展趋势接轨。
3.VR系统毕竟是一种虚拟化的事物,不同于真实世界.让其将VR 技术真正作为一项实用的研究工具，提高工作效率，摆脱不必要的心理负担，这也是航天仿真虚拟现实技术应用中必不可少的一门课题。
4.建立航天仿真用虚拟现实系统，主要的硬件如图像生成计算机和头盔显示器等，由于技术发展速度很快，估计用不了几年时间它们的性能就难以满足研究要求了。为此我们应重点研究人-虚拟世界之间高速交互作用等问题