一种基于VR的飞机导航模拟训练系统

技术领域

本发明涉及模拟训练系统技术领域，具体涉及一种基于VR的飞机导航模拟训练系统。

背景技术

现阶段，飞行模拟训练已经逐步成为主流的飞机实操训练模式，它具有经济、安全，且不受到场地和气象条件限制的有点，在飞行员培训中发挥着较为重要的作用。现有的飞行模拟训练系统大多都仿制实际机型，具有较为真实的实操环境，并结合模拟环境系统，提供较为逼真的外界环境，以构成较为符合实际的虚拟环境。

其中，飞行模拟训练中的导航模拟训练，主要是训练者通过既定的路线，操作飞机到达目标点。其中在路线中存在一定的障碍物，根据导航设备获取障碍物信息和障碍物位置，并且根据障碍物的信息和位置，调整飞机飞行姿态和飞行线路。

然而，现有的飞行模拟训练系统通常采用预设障碍点的模式提供导航模拟训练时的障碍物设置，这种设置方式缺少随机性，并且模拟障碍物为静态配置，无法给予动态反馈，缺少真实的感官效果，进而降低了模拟环境的信服度，以及降低了飞机飞行操作的要求，极大影响训练效果。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于VR的飞机导航模拟训练系统。该系统通过VR技术辅助，使训练者能够在构建虚拟的环境中进行导航模拟训练。

本发明提供了如下的技术方案。

一种基于VR的飞机导航模拟训练系统，包括：

场景模拟模块，构建飞行仿真环境；

障碍点构建平台，通过多组无线电发射单元提供多个空间点的无线电信号作为障碍点，并根据飞机的预设移动轨迹和无线电信号传播路径，构建动态传播路径，即障碍点的移动路径；将无线电强度和相位动态变化与障碍点的动态坐标对应，动态更改无线电信号的强弱状态；

场景数据处理模块，接收多个动态无线电信号；根据无线电信号的强弱以及对应的动态坐标确定障碍物体积，构建虚拟动态障碍物模型；

任务模拟系统，确定飞行目标和线路，根据飞行仿真环境和虚拟动态障碍物模型构成三维任务模拟系统仿真模型；

机舱模拟交互装置，用于飞行员进行飞行操作，并生成动态实操数据；

其中，所述机舱模拟交互装置生成的动态实操数据实时发送至障碍点构建平台，所述障碍点构建平台处理实操数据生成飞机飞行状态并更新各无线电发射单元的无线电信号的强弱。

优选地，所述障碍点构建平台包括：

矩形安装平台，架设在所述机舱模拟交互装置外侧，构建绝对坐标系统；多组频段不同的所述无线电发射单元分别挂设安装平台顶部，且高度不同；

障碍点信息获取单元，接收机舱模拟交互装置发送的实操数据，实时更新飞机的飞行速度以及预设移动轨迹，并获取各无线电发射单元的位置；

障碍点信息处理单元，根据无线电发射单元与飞机的预设移动轨迹，获取每个无线电发射单元发射无线电至飞机接收的传播路径；根据无线电发射单元的位置构建无线电发射单元矩阵，并根据无线电发射单元矩阵通过三维虚拟建模软件构建无线电发射环境三维虚拟模型；根据每个无线电发射单元发射无线电至飞机接收的传播路径构建动态传播路径三维虚拟模型；

障碍点信息更新单元，确定动态传播路径三维虚拟模型的动态坐标与无线电发射单元发射的无线电强度和相位关系；将无线电发射环境三维虚拟模型和动态传播路径三维虚拟模型的动态坐标进行归一化处理，获得归一化后的动态坐标；根据动态坐标的动态变化情况通过动态坐标与无线电发射单元发射的无线电强度和相位关系转化成无线电强度和相位动态变化策略；根据无线电强度和相位动态变化策略，更改多组的所述无线电发射单元所发射的无线电信号的动态强弱状态。

优选地，所述场景数据处理模块包括：

数据处理单元，将无线电发射环境三维虚拟模型与无线电发射单元所发射的无线电信号的动态强弱数据进行归一化，获得归一化后的无线电信号的动态强弱数据；

虚拟动态障碍物构建单元，确定无线电信号与动态传播路径三维虚拟模型进行匹配，获得每组无线电信号的强弱数据与动态传播路径上，相对于飞机动态坐标所对应的坐标范围的匹配策略；根据无线电信号的动态强弱数据和匹配策略，获取同一时刻动态传播路径三维虚拟模型的对应的坐标范围，根据多组无线电信号的动态强弱数据分别获得坐标范围矩阵，根据坐标范围矩阵通过三维软件构建虚拟动态障碍物模型；

虚拟动态障碍物更新单元，当各组无线电信号由强转弱至初始值时，相对于飞机的实时坐标，重新更新各组无线电信号的初始坐标，并重新更新飞机初始坐标，随机发送强度不同的无线电信号，并通过障碍点构建平台以及虚拟动态障碍物构建单元重新生成新的虚拟动态障碍物；

虚拟动态障碍物修正单元，获取虚拟动态障碍物的三维坐标，当虚拟动态障碍物的三维坐标与飞机的飞行移动轨迹重合，被动修改飞机移动轨迹，并发送碰撞状态警示数据；根据修改后的飞机移动轨迹重构动态传播路径三维虚拟模型，更新多组无线电信号的动态强弱数据，并根据无线电信号的动态强弱数据和匹配策略，分别获得坐标范围矩阵，根据坐标范围矩阵通过三维软件重构虚拟动态障碍物模型。

优选地，还包括：

以太网通信模块，用于场景模拟模块与任务模拟系统之间的数据通信，以及场景数据处理模块与任务模拟系统之间的数据通信；飞行环境VR显示系统与任务模拟系统的数据通信；机舱模拟交互装置与障碍点构建平台的数据通信。

优选地，所述场景模拟模块包括：

三维态势显示模块，通过三维态势显示计算机生成飞机外界飞行三维环境，构成定坐标范围的空间范围。

优选地，所述任务模拟系统包括：

三维任务模拟系统仿真模块，根据场景模拟模块提供的飞机外界飞行三维环境和数据模拟模块提供的虚拟动态障碍物模型搭建构成三维任务模拟系统仿真模型；

模拟路线拟定模块，在所述三维任务模拟系统仿真模块中拟定路线，结合三维仿真模型构成飞行任务模拟模型；

模拟信号生成设备，根据飞行任务模拟模型提供飞机飞行时各类模拟信号。

优选地，所述机舱模拟交互装置包括：

模拟舱体，包括模拟座舱的操作平台和各类电气部件仿真；

飞机仿真单元，用于控制飞机航电设备的功能和接口仿真，以及飞机飞行过程仿真；所述飞机航电设备的仿真包括：显控仿真、航电任务仿真、雷达仿真，以及通信、导航及惯导仿真，均按照实际的位置在模拟舱体中进行布置，并且均通过以太网通信模块进行数据传递；

数据采集单元，获取模拟信号生成设备实时生成的飞行任务模拟模型中的各类模拟信号；

模拟操作单元，用于控制完成飞机的操纵模拟，并向所述障碍点构建平台发送实操数据。

优选地，还包括：

飞行数据处理单元，接收飞行任务模拟模型，将获得的飞行任务模拟模型进行解析获得视图数据，并进行数据转换，得到显示数据；

VR显示系统，用于显示转换获得的显示数据，以及场景数据处理模块发送的碰撞状态警示数据。

优选地，还包括：

远程监控模块，用于远程监控机舱模拟交互装置的操作情况；

声音仿真单元，用于控制完成飞行过程的各种环境音响仿真。

本发明有益效果：

(1)该系统结合VR技术和无线电技术，实现了动态障碍生成以及动态飞行的模拟，提供了可视化的飞行状态实操，有效增加了飞机导航模拟训练的操作度以及可信度；通过对无线电信号的处理以及实操信息的交互，确保了飞行模型的准确性以及实时性，能够根据飞行情况以及飞行状态实时改变飞行任务模型，使得飞行模拟更贴近于实际飞行，增加了实操性。

(2)该系统通过基于阵列的无线电发射平台的障碍点构建平台提供强弱变化的无线电信号，提供了障碍物模型有效生成数据，获得对应的障碍物类型和体积，构建准确的虚拟障碍物，为导航训练提供较为真实的平台。

(3)该系统能够有效针对避障训练，形成三维动态障碍物，场景数据处理模块、任务模拟系统和飞行环境VR显示系统动态更新虚拟动态障碍物模型、飞行任务模拟模型以及显示视图数据，使得动态障碍物的移动状态更为真实，能够有效进行导航训练。

附图说明

图1是本发明实施例的一种基于VR的飞机导航模拟训练系统的主要系统结构图；

图2是本发明实施例的一种基于VR的飞机导航模拟训练系统的训练步骤流程图；

图3是本发明实施例的一种基于VR的飞机导航模拟训练系统的障碍点构建平台的系统结构图；

图4是本发明实施例的一种基于VR的飞机导航模拟训练系统的场景数据处理模块的系统结构图；

图5是本发明实施例的一种基于VR的飞机导航模拟训练系统的任务模拟系统的系统结构图；

图6是本发明实施例的一种基于VR的飞机导航模拟训练系统的机舱模拟交互装置的结构图；

图7是本发明实施例的一种基于VR的飞机导航模拟训练系统的障碍点构建流程图；

图8是本发明实施例的一种基于VR的飞机导航模拟训练系统的场景数据处理流程图；

图9是本发明实施例的一种基于VR的飞机导航模拟训练系统的任务模拟流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

一种基于VR的飞机导航模拟训练系统，如图1-9所示，包括：

场景模拟模块，构建飞行仿真环境；障碍点构建平台，通过多组无线电发射单元提供多个空间点的无线电信号；该无线电信号强弱变化，且频率不同；场景数据处理模块，接收多个无线电信号，进行无线电发射源定位；根据无线电信号的波形以及对应的发送位置确定障碍物具体类型和体积，并通过强弱变化情况构建虚拟动态障碍物模型；任务模拟系统，确定飞行目标和线路，根据场景模拟模块提供的飞行仿真环境和数据模拟模块提供的虚拟动态障碍物模型融合构建飞行任务模拟模型；机舱模拟交互装置，用于飞行员进行飞行操作，并生成动态实操数据；飞行环境VR显示系统，架设在机舱模拟交互装置中，根据任务模拟系统提供的飞行任务模拟模型解析为视图数据，并通过显示系统进行显示；以太网通信模块，用于场景模拟模块与任务模拟系统之间的数据通信，以及场景数据处理模块与任务模拟系统之间的数据通信，飞行环境VR显示系统与任务模拟系统的数据通信，机舱模拟交互装置与障碍点构建平台的数据通信；远程监控模块，用于远程监控机舱模拟交互装置的操作情况；声音仿真单元，用于控制完成飞行过程的各种环境音响仿真。

其中，机舱模拟交互装置生成的动态实操数据实时发送至障碍点构建平台，障碍点构建平台处理实操数据生成飞机飞行状态并更新各无线电发射单元的无线电信号的强弱；进一步，场景数据处理模块、任务模拟系统和飞行环境VR显示系统动态更新虚拟动态障碍物模型、飞行任务模拟模型以及显示视图数据。

进一步的，场景模拟模块包括：三维态势显示模块，通过三维态势显示计算机生成飞机外界飞行三维环境，构成定坐标范围的空间范围。

如图3所示，障碍点构建平台包括：矩形安装平台，架设在所述机舱模拟交互装置外侧，构建绝对坐标系统；多组频段不同的所述无线电发射单元分别挂设安装平台顶部，且高度不同；障碍点信息获取单元，接收机舱模拟交互装置发送的实操数据，实时更新飞机的飞行速度以及预设移动轨迹，并获取各无线电发射单元的位置；障碍点信息处理单元，根据无线电发射单元与飞机的预设移动轨迹，获取每个无线电发射单元发射无线电至飞机接收的传播路径；根据无线电发射单元的位置构建无线电发射单元矩阵，并根据无线电发射单元矩阵通过三维虚拟建模软件构建无线电发射环境三维虚拟模型；根据每个无线电发射单元发射无线电至飞机接收的传播路径构建动态传播路径三维虚拟模型；障碍点信息更新单元，确定动态传播路径三维虚拟模型的动态坐标与无线电发射单元发射的无线电强度和相位关系；将无线电发射环境三维虚拟模型和动态传播路径三维虚拟模型的动态坐标进行归一化处理，获得归一化后的动态坐标；根据动态坐标的动态变化情况通过动态坐标与无线电发射单元发射的无线电强度和相位关系转化成无线电强度和相位动态变化策略；根据无线电强度和相位动态变化策略，更改多组的所述无线电发射单元所发射的无线电信号的动态强弱状态。

如图4所示，场景数据处理模块包括：数据处理单元，将无线电发射环境三维虚拟模型与无线电发射单元所发射的无线电信号的动态强弱数据进行归一化，获得归一化后的无线电信号的动态强弱数据；虚拟动态障碍物构建单元，确定无线电信号与动态传播路径三维虚拟模型进行匹配，获得每组无线电信号的强弱数据与动态传播路径上，相对于飞机动态坐标所对应的坐标范围的匹配策略；根据无线电信号的动态强弱数据和匹配策略，获取同一时刻动态传播路径三维虚拟模型的对应的坐标范围，根据多组无线电信号的动态强弱数据分别获得坐标范围矩阵，根据坐标范围矩阵通过三维软件构建虚拟动态障碍物模型；虚拟动态障碍物更新单元，当各组无线电信号由强转弱至初始值时，相对于飞机的实时坐标，重新更新各组无线电信号的初始坐标，并重新更新飞机初始坐标，随机发送强度不同的无线电信号，并通过障碍点构建平台以及虚拟动态障碍物构建单元重新生成新的虚拟动态障碍物；虚拟动态障碍物修正单元，获取虚拟动态障碍物的三维坐标，当虚拟动态障碍物的三维坐标与飞机的飞行移动轨迹重合，被动修改飞机移动轨迹，并发送碰撞状态警示数据；根据修改后的飞机移动轨迹重构动态传播路径三维虚拟模型，更新多组无线电信号的动态强弱数据，并根据无线电信号的动态强弱数据和匹配策略，分别获得坐标范围矩阵，根据坐标范围矩阵通过三维软件重构虚拟动态障碍物模型。

如图5所示，任务模拟系统包括：三维任务模拟系统仿真模块，根据场景模拟模块提供的飞机外界飞行三维环境和数据模拟模块提供的虚拟动态障碍物模型搭建构成三维任务模拟系统仿真模型；模拟路线拟定模块，在所述三维任务模拟系统仿真模块中拟定路线，结合三维仿真模型构成飞行任务模拟模型；模拟信号生成设备，根据飞行任务模拟模型提供飞机飞行时各类模拟信号。

如图6所示，机舱模拟交互装置包括：模拟舱体，包括模拟座舱的操作平台和各类电气部件仿真；飞机仿真单元，用于控制飞机航电设备的功能和接口仿真，以及飞机飞行过程仿真；所述飞机航电设备的仿真包括：显控仿真、航电任务仿真、雷达仿真，以及通信、导航及惯导仿真，均按照实际的位置在模拟舱体中进行布置，并且均通过以太网通信模块进行数据传递；数据采集单元，获取模拟信号生成设备实时生成的飞行任务模拟模型中的各类模拟信号；模拟操作单元，用于控制完成飞机的操纵模拟，并向所述障碍点构建平台发送实操数据。

飞行环境VR显示系统包括：飞行数据处理单元，接收飞行任务模拟模型，将获得的飞行任务模拟模型进行解析获得视图数据，并进行数据转换，得到显示数据；显示系统，用于显示转换获得的显示数据。

本实施例中，如图2所示，包括以下执行步骤：

S1：通过场景模拟模块，构建飞行仿真环境，具体生成飞机外界飞行三维环境，构成定坐标范围的空间范围。

S2：通过障碍点构建平台的多组无线电发射单元提供多个空间点的无线电信号，并通过场景数据处理模块进行无线电发射源定位，以及分析无线电波形和对应的发送位置生成初始的障碍物模型。具体如图7-8所示：

S2.1：通过障碍点信息获取单元接收机舱模拟交互装置发送的实操数据，实时更新飞机的飞行速度以及预设移动轨迹，并获取各无线电发射单元的位置。

S2.2：通过障碍点信息处理单元，根据无线电发射单元与飞机的预设移动轨迹，获取每个无线电发射单元发射无线电至飞机接收的传播路径；根据无线电发射单元的位置构建无线电发射单元矩阵，并根据无线电发射单元矩阵通过三维虚拟建模软件构建无线电发射环境三维虚拟模型；根据每个无线电发射单元发射无线电至飞机接收的传播路径构建动态传播路径三维虚拟模型。

S2.3：通过障碍点信息更新单元确定动态传播路径三维虚拟模型的动态坐标与无线电发射单元发射的无线电强度和相位关系；将无线电发射环境三维虚拟模型和动态传播路径三维虚拟模型的动态坐标进行归一化处理，获得归一化后的动态坐标；根据动态坐标的动态变化情况通过动态坐标与无线电发射单元发射的无线电强度和相位关系转化成无线电强度和相位动态变化策略；根据无线电强度和相位动态变化策略，更改多组的所述无线电发射单元所发射的无线电信号的动态强弱状态。

S2.4：数据处理单元将无线电发射环境三维虚拟模型与无线电发射单元所发射的无线电信号的动态强弱数据进行归一化，获得归一化后的无线电信号的动态强弱数据；

S2.5：通过虚拟动态障碍物构建单元确定无线电信号与动态传播路径三维虚拟模型进行匹配，获得每组无线电信号的强弱数据与动态传播路径上，相对于飞机动态坐标所对应的坐标范围的匹配策略；根据无线电信号的动态强弱数据和匹配策略，获取同一时刻动态传播路径三维虚拟模型的对应的坐标范围，根据多组无线电信号的动态强弱数据分别获得坐标范围矩阵，根据坐标范围矩阵通过三维软件构建虚拟动态障碍物模型；

S2.6：通过虚拟动态障碍物更新单元，当各组无线电信号由强转弱至初始值时，相对于飞机的实时坐标，重新更新各组无线电信号的初始坐标，并重新更新飞机初始坐标，随机发送强度不同的无线电信号，并通过障碍点构建平台以及虚拟动态障碍物构建单元重新生成新的虚拟动态障碍物；

S2.7：为了模拟碰撞状态，通过虚拟动态障碍物修正单元获取虚拟动态障碍物的三维坐标，当虚拟动态障碍物的三维坐标与飞机的飞行移动轨迹重合，被动修改飞机移动轨迹，并发送碰撞状态警示数据；根据修改后的飞机移动轨迹重构动态传播路径三维虚拟模型，更新多组无线电信号的动态强弱数据，并根据无线电信号的动态强弱数据和匹配策略，分别获得坐标范围矩阵，根据坐标范围矩阵通过三维软件重构虚拟动态障碍物模型。

S3：任务模拟系统的三维任务模拟系统仿真模块根据场景模拟模块提供的飞行仿真环境和数据模拟模块提供的虚拟动态障碍物模型搭建构成三维仿真模型，并在三维仿真模块中拟定路线，构成飞行任务模拟模型。飞行环境VR显示系统解析飞行任务模拟模型，通过VR技术进行显示。

S4：训练员进入模拟舱体，结合各类模拟信号进行模拟飞行操作，生成实操数据。

S5：障碍点构建平台根据动态实操数据生成飞机飞行状态并更新各无线电发射单元的无线电信号的强弱，以改变障碍物的状态，并通过任务模拟系统重新生成新的飞行任务模拟模型，飞行环境VR显示系统进行解析展示，实现飞行任务模拟模型的动态调整。

S6：重复执行S4、S5，直至完成预定路线的训练。

本实施例提供的导航模拟训练系统，结合VR技术和无线电技术，实现了动态障碍生成以及动态飞行的模拟，提供了可视化的飞行状态实操，有效增加了飞机导航模拟训练的操作度以及可信度；通过对无线电信号的处理以及实操信息的交互，确保了飞行模型的准确性以及实时性，能够根据飞行情况以及飞行状态实时改变飞行任务模型，使得飞行模拟更贴近于实际飞行，增加了实操性。通过基于阵列的无线电发射平台的障碍点构建平台提供强弱变化，且波形不同无线电信号，提供了障碍物模型有效生成数据，获得对应的障碍物类型和体积，构建准确的虚拟障碍物，为导航训练提供较为真实的平台。本发明提供的系统能够有效针对避障训练，形成三维动态障碍物，场景数据处理模块、任务模拟系统和飞行环境VR显示系统动态更新虚拟动态障碍物模型、飞行任务模拟模型以及显示视图数据，使得动态障碍物的移动状态更为真实，更为有效进行导航训练。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。