某型飞机特种设备虚拟仿真训练系统设计

摘 要：分析了特种设备课程的教学现状，介绍了某型飞机特种设备虚拟仿真训练系统的总体结构。利用Client/Server网络通信模式和TCP/IP通信协议，实现了系统间的数据通信；运用OpenGL纹理映射技术实现了虚拟仪表的绘制；采用Flash技术构建了设备原理演示系统；选用Vega Prime开发了视景系统。

关键词：特种设备；虚拟训练；Flash；OpenGL; Vega Prime

中图分类号：TP391.9 文献标识码：a DoI: 10.3969/j.issn.1003-6970.2012.02.012

Design of Virtual Practice System for Special Equipment

ZHaNG Zhao, weI Qing, ZHaNG Yuan, waNG Shuyun

(Department of Simulating, Navy flying academy, Huludao 125001, China)

【abstract】This paper analyzes the teaching situation of the Special Equipment Course and the architecture of the Virtual Practice System for Special Equipment. The data communication is realized by using Client/Server network communication mode and TCP/IP communication protocol. The article introduced a drawing method of virtual instrument which is based on OpenGL. The equipment principle demo system was constructed by using flash and the visual simulation was developed by using Vega Prime.

【Key words】Special equipment; Virtual practice; Flash; OpenGL; Vega Prime

0 引 言

飞行员的飞行军事训练主要集中于理论学习和实飞体验两个阶段[1]。在理论学习阶段，特种设备是一门实践性很强的课程，由于某型飞机特种设备课程没有配套的模拟训练设备，这势必会造成理论与实践的脱节，不利于学员对特种设备知识的理解和掌握，大大降低了教学效果。为了解决这一问题，研制了某型飞机特种设备虚拟仿真训练系统。

本文所讨论的特种设备虚拟仿真训练系统能够动态地显示所有特种设备的指示情况，实时演示各设备的内部结构及工作原理，并通过视景仿真将仪表指示、设备内部结构原理演示与飞行实际结合在一起，提高了学员掌握特种设备内部原理和使用方法的能力。

2 系统结构

特种设备虚拟仿真训练系统可分为操纵系统、主控系统、虚拟仪表系统、设备原理演示系统、指示系统、视景系统、音响系统和计算机网络系统。系统结构框图如图1所示。

（1）操纵系统主要有驾驶杆、方向舵、油门杆以及各种旋钮、开关和电门等相关操纵设备。操纵系统用来完成信号的采集工作，同时转换为计算机可识别的信号并发送到主控系统，解算出相应控制信号，实现对飞机及相关设备的操纵控制。

图1 特种设备虚拟仿真训练系统结构框图

（2）主控系统主要完成飞行动力学方程解算，得出各种控制信号，控制虚拟仪表系统、视景系统、指示系统、设备原理演示系统和音响系统的工作。

（3）虚拟仪表系统用来模拟各种航空仪表的指示情况。

（4）设备原理演示系统用于演示设备的内部结构和工作原理，以动态图解的形式，将设备的内部工作情况与飞行实际联系起来。

（5）指示系统用来模拟指示灯、警告信号灯等各种指示设备的指示情况。

（6）视景系统主要完成飞行训练时视景的仿真。

（7）音响系统既可对飞机发动机声音进行仿真，又能对模拟训练时的错误操作做出相应的语音提示。

（8）计算机网络系统用来完成相关系统间的数据通信。虚拟仪表系统、设备原理演示系统和视景系统的控制信号均通过网络来源于主控系统，通信模式为客户机/服务器(Client/ Server)网络模型，采用基于TCP/IP协议的Winsock接口实现网络间的数据传输。

3 主要技术实现

3.1 网络通信系统

本文所采用的通信模式为客户机/服务器(Client/Server)网络模型，即客户机向服务器提出请求，服务器对请求做相应处理并执行被请求的任务，然后将结果返回客户机[2]。通信协议采用TCP/IP协议，利用TCP/IP协议进行网络通信，需要经过三步握手以建立通信双方的连接，TCP/IP协议还提供了数据确认和数据重传的机制，确保发送的数据能够到达通信的对方。通信流程图如图2所示。

图2 网络通信流程图

服务器端在程序开始运行后，一方面启动了监听线程，不停的准备接收新的客户机的连接请求。如果用户合法，就将这个新的客户机添加到管理集合中。另一方面，服务器端随时接收客户机的数据，处理后再发送给相应客户机。客户机在与服务器建立正确的连接后不停的监听来自服务器的消息，并对消息进行响应，然后把结果返回到服务器端。

3.2 虚拟仪表系统

虚拟仪表系统的开发平台由Windows XP、Visual C++ 6.0和OpenGL组成。虚拟仪表的绘制采用OpenGL纹理映射技术，利用纹理映射不仅可以用来描述景物表面各点处的反射属性，达到模拟景物表面丰富的纹理细节的目的，提高计算机生成图形的真实性，还可以简化景物的建模过程。使用纹理绘制的一般步骤为[3]：定义纹理贴图、控制纹理、说明纹理贴图方式和定义纹理坐标等。开发流程图如图3所示，运行效果图如图4所示。

图3 虚拟仪表软件开发流程图

图4 虚拟仪表运行效果图

3.3 设备原理演示系统

设备原理演示系统采用Flash作为开发工具。Flash功能强大，特别体现在Action Script，其开发思路清晰、编程简单，交互功能强。Flash是基于图片控制的仿真技术。Flash具有良好的图像压缩和显示能力，使得大量图片导入Flash后，最终生成的.swf文件很小，但又不损失图片的显示精度；同时通过简单、高效的脚本程序对图片进行控制，使得Flas运行流畅。利用Flash虚拟仿真技术，使特种设备的建模形象逼真、速度快、效率高，完全适合教学和实习训练的需要。

本文仅以气压式高度表的原理演示为例，介绍设备原理演示系统的实现方法。

Flash是利用程序控制图片的切换来实现动态演示的，动画所需图片的准备是工作的前提。根据气压式高度表的工作原理，按照内部构件工作时的不同状态，将整个Flash设计成由

3个影片剪辑元件组成，即真空膜合、传送机构和指针。每个影片剪辑元件是由30～100张序列图片构成，3部分相互叠加，拼成一块完整的能够反映不同高度下高度表的工作情况。为了使内部元件的运动能够随高度值的改变而改变，需要编写脚本程序控制序列图片的播放次序，Action Script设计程序流程图如图5所示，运行效果图如图6所示。

图5 设备原理演示程序流程图

图6 气压式高度表原理演示效果图

3.4 视景系统

视景仿真环境，采用成熟的计算机成像技术，视景驱动平台选用Vega Prime2.0，基于C++语言开发，视景数据库大量使用可获取的地理信息数据，如高分辨率卫星遥感数据、数字、高程模型数据等，并使用CTS1.1生成极具现实感的地景环境生成。模型数据库采用Creator3.0开发，包括飞机、机场、建筑物等。视景生成系统的实现主要包含两个过程：视景数据库的建立和视景驱动程序的开发。视景数据库建模工作主要由地形建模和三维物体建模组成，在此基础上通过实例、LOD、纹理和子面等典型技术应用来节省系统资源、提高实时运行速度、提高视景清晰度。视景仿真效果图如图7所示。

图7 视景仿真效果图

4 结束语

本系统具有仿真度高，扩充性好，移植性强，操作简便，性能稳定、可靠等优点，弥补了特种设备理论教学中无法展示设备内部原理的盲区，适应部队飞行教学的实际需要，解决了目前部队飞行教学的急需，具有很好的推广应用价值。

参考文献

[1] 陈国军，茅坪. 基于虚拟仪表的全功能惯导训练仿真[J]. 系统仿真技术. 2002, 5(2):135-139.

[2] 陈坚，陈 伟等.Visual C++网络高级编程[M].人民邮电出版社. 2001:21-38

[3] 郭兆荣，李菁，王彦. Visual C++ OpenGL应用程序开发[M].北京：人民邮电出版社. 2006:19-21