一种基于工作站的歼击机着陆训练模拟器的设计与实现

摘 要： 着陆训练是现代歼击机飞行员训练的重要环节，为了训练飞行员依靠平显和仪表的数据显示完成着陆过程，提供成本更低、周期更短、更易普及的训练方法，本文介绍了一种基于PC 的歼击机着陆训练模拟器的总体结构的设计以及各个模块的实现过程，着重就该模拟器系统中建立平显（HUD）和仪表着陆系统（ILS）以及外部三维场景的步骤以及所采用的关键技术进行了阐述，此外还介绍了音响模块的设计及操纵杆的接口程序的实现。

关键词： 着陆 模拟器 虚拟现实（VR） 计算机仿真

1 引言

着陆训练一直是飞行训练的重要环节。飞行模拟器(Flight Simulator)是虚拟现实（VR）技术在工程上的重要应用之一，而目前，装备部队的模拟器多为全任务飞行模拟器，虽功能齐全，但结构复杂，造价高昂，不易进行大规模普及性训练，而象起飞着陆这样的基本科目，也没有必要使用大型模拟器实现普及性模拟训练。在现代高科技战争条件下，为使部队训练手段现代化，提高部队的整体训练质量和训练效益，尽快增强部队的战斗力，保障飞行安全，给飞行人员提供既具有真实的场景，逼真的实时数据显示，又兼顾结构简单，成本低廉，易于普及特点的训练仿真设备是十分必要的，也是非常迫切的。本文提出的这种基于PC 的着陆训练模拟器系统正是针对这一需要而建立的。

2 系统结构

该着陆训练模拟器系统是一个人-机闭环系统，主要用来模拟飞机着陆过程中起落架放下后，飞行员依靠平显数据显示和仪表着陆系统的指示，手动操纵飞机完成着陆的过程。

系统采用计算机实时成象和实时数据显示技术为受训者提供逼真的三维场景，受训者面对显示画面，通过飞行摇杆控制画面中的飞机，完成着陆过程。

该模拟器系统主要组成部分如下：

（1）硬件部分：

配有 Xeon5405 、2GB、250GB SATA、512MB专业卡，支持DirectSound 的声卡一块;

具有油门输入的飞行摇杆一只;

支持1024*768 分辨率的彩色显示器两台;

立体声耳机一只（或有源音响一套）。

（2）软件部分：

Windows2003操作系统，Visual C++ 6.0 开发平台和 VTree SDK 三维软件开发环境。如图1 所示，该系统分为交互模块（摇杆、键盘、鼠标）、飞行仿真模块、视景模块和音响模块四大部分，其中视景模块是该着陆训练模拟器的核心部分，它又分为外部视角和座舱视角两部分，分别使用两个显示器同时实时显示，简洁且直观。

训练过程开始后，受训者通过飞行摇杆向系统发出操纵指令，操纵指令实时传入飞行仿真模块,飞行仿真模块中的数学模型根据输入的操纵杆指令实时做出响应，以此来模拟真实环境中飞机响应舵面输入的过程。根据受训者输入的舵偏指令，飞行仿真模块实时解算运动学和动力学方程得出飞机位置、姿态等数据并实时传给视景和音响模块。视景模块显示飞机平显及仪表着陆系统的数据，并根据数据控制外部场景视角的实时三维显示。音响模块则根据输入实时产生相应的音响效果。操纵人员根据视景画面实时调整操纵杆的输入，如此便构成一个人机闭环的仿真系统。其他观察者（教官）可以通过外部视角显示实时观察到受训者的降落情况，以便给予即使的指正。

本系统各模块之间信号流程和逻辑关系如图1 所示
 
 

3 视景模块的实现

3.1 外部三维视景的生成

3.1.1 三维模型的建立

建立三维实时模型的工具软件有很多，本系统采用了DISCREET 公司的3D Studio MAX与Multigen 公司的Creator 相互配合使用的方法来生成系统所需的各种三维实体模型充分发挥了两种出色的建模软件各自的优点，减少建模难度，提高模型精度。

（1）首先是飞机模型的建立，在外部视角中，飞机距离观察者较近，需要较高的精细程度才能给人以逼真的感觉，因此使用了3D Studio MAX 中的Editable Mesh（网格编辑）修改器和NURBS 曲面建模工具进行构造，并使用