专利名称：基于虚拟技术的飞机安全警告系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及基于虚拟技术的飞机安全警告系统，特别涉及一种按照空气动力学原理设计的具有三维视景的虚拟飞机安全警告系统。
背景技术：
安全是航空部门永恒的主题。为了保证飞行安全，现代飞机已经安装了许多性能很好的安全警告设备，并取得了良好的效果。但是在正常的飞行中，这些安全警告设备不会报警，也不需要飞行员做出处置。长此下去，将使飞行员缺乏必要的实际训练，如果出现了安全事故，即使警告设备已经报警，但飞行员不能正确理解和迅速处置，必将危及飞行安全、酿成飞行事故。例如在我国，1992年7月31日中国通航雅克42飞机在南京大较场机场起飞时， 未能正确使用自动飞行系统，同时错误地关闭了警告信号，飞机冲出跑道，造成一等飞行事故；1993年11月13日北方航空公司MD82飞机在乌鲁木齐机场进近时，未能正确使用高度表致使飞机高度过低，近地警告系统已报警，但机组不能理解，最后飞机坠毁。在国外，由于不能正确使用航空电子设备而影响航空安全的实例则有更多的报导。国内未见研制了基于PC和虚拟技术的民用飞机安全警告设备仿真训练系统，包括实时仿真近地警告系统、实时仿真增强型近地警告系统、实时仿真空中交通警戒与防撞系统、实时仿真风切变预警系统及实时仿真火警系统、马赫/空速警告、失速警告、起飞形态警告、起落架形态警告系统的文献报道。国内未见基于PC，利用OpenGL开发可缩放实时交互式大型民用飞机虚拟座舱，利用ActiveX技术实现B737-NG飞机飞行动力学模型和仪表控制，在不规则网格构建的三维地形视景中采用QuadTree与三角形碰撞检测技术快速检测飞机无线电高度的文献报道。目前，飞行员对警告系统的使用训练只能在模拟机上进行。模拟机训练真实性强， 但是成本高，特别是训练时间有限，不能根据飞行员的需要自主进行、经常进行，这就不能从根本上提高飞行员使用警告系统的熟练程度。除此之外，当前还没有更好的办法。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明提供一种基于虚拟技术的飞机安全警告系统。系统采用Windows XP操作系统作为平台，利用Visual Studio. NET 2003开发环境开发完成，整个系统可在一台计算机上完成所有的模拟工作，也可通过网络在两台计算机上实现。无论那种方式，飞行位(学员位)都通过网络与教员位进行通讯。上述基于虚拟技术的飞机安全警告系统在Microsoft Visual Studio. NET 2003 开发环境下使用C++程序语言，利用面向对象技术开发完成。软件主要包括飞行动力学仿真模块、视景模块、虚拟仪表模块、教员台模块、音效处理模块、操纵杆和开关输入模块、发动机模块、网络通讯模块、导航计算和导航数据管理模块。
上述系统主程序是基于对话框的应用程序，为了保证系统运行的实时性，使用了多线程和多进程技术。系统主进程的主线程运行过程主要由一个定时器来控制完成。教员台进程和主进程之间通过Winsock进行通讯。教员台可对飞行进程进行监控，设置飞行状态(如改变飞机位置、冻结参数、设置故障等)，飞行状况可在教员台上完全显示。把飞行和教员台分割成两个进程主要是考虑在网络模式下一个教员台位置可监控所有的飞行位置， 因此本系统可在网络环境下和在单机上使用。由于Windows系统自身提供的定时器精度较低和具有很低的线程优先级，因此不能使用该定时器作为该系统的定时器，为了保证该实时仿真系统具有精确的定时器，设计了具有毫秒级精度的定时器，作者使用了 Visual C++提供的仅供Windows 95及其后续版本使用，并要求计算机从硬件上支持高精度计时器的高精度时间函数 QueryPerformanceFrequency ()函数禾口 QueryPerformanceCounter ()函数来设计高精度的基于事件的定时器。整个软件系统在定时器的控制下工作。上述基于虚拟技术的飞机安全警告系统的座舱仿照广泛使用的波音飞机设计，仪表可以放大缩小，驾驶盘、推力杆及其它操纵设备可以自由控制(如图4、5、6)，三维视景、 地形显示真实形象。系统可以人工操纵飞机进入各种报警状态，也可以通过教员台任意设置并自动进入各种报警状态，然后进行解除练习，操作简单，设置方便，报警形象真实，人机界面友好。上述系统中，利用ActiveX技术实现了 B737-NG飞机飞行动力学模型和仪表控制。上述系统设计了基于OpenGL图形技术的虚拟现实B737-800座舱环境，系统性能和图像品质与国际通用GI^tudio软件接近。实现了虚拟实时交互式飞机驾驶舱的仿真；实现了人的虚拟复杂控制行为的模拟。上述基于虚拟技术的飞机安全警告系统是一种自行研制的基于OpenGL图形技术的实时三维视景系统，而非采用第三方工业实时图形开发软件包(如VEGA，OpenGVS) 二次开发，但系统性能和图形质量与采用第三方图形开发包开发的视景系统接近。实现了机场数据库的结构化、系统化开发。上述系统采用3DSMAX软件和Photoshop软件进行机场三维数据库建模，摸索出机场建模的较合理方法，从而减少了建模时间，提高了逼真度。可替代传统的采用Multigen Creator软件建模方法。上述系统实现了 TCAS系统仿真中虚拟飞机目标队列在虚拟B737-800导航显示仪表的显示与视景系统中的统一。上述基于虚拟技术的飞机安全警告系统实现了虚拟实时EGPWS地形显示和前视地形警戒、报警。
图1为本发明示意图。图2为飞行界面图。图3为教员位操纵界面图。图4为放大模式下的实时交互式虚拟仿真MCP和EFIS控制面板。图5为实时交互式虚拟仿真操纵控制台。
图6为模拟飞行中地形前视警告发生时PFD、ND仪表屏幕截图。
具体实施例方式为了使本发明的创作特征、技术手段与达成目的易于明白理解，以下结合具体实施例进一步阐述本发明。实施例基于虚拟技术的飞机安全警告系统研制成功以后，用于《航空电子设备》、《机载电子设备》等课程教学中，同时由航空理论教师、模拟机教师、飞行员进行了测试、修改、使用。该系统可以自由安排时间、地点，自主学习训练，方法灵活、主动，对于飞行员学习和训练飞机安全警告设备、增进飞行安全具有很强的实用性；系统可以人工操纵进入各种报警状态，也可以通过教员台任意设置并自动进入各种报警状态，包括飞机所有重要安全警告装置近地警告系统GPWS、增强型近地警告系统EGPWS、空中交通警戒与防撞系统 TCAS、风切变预警系统PWS、火警系统、失速警告系统、飞机形态警告系统等，然后进行解除练习、操作。该系统对于学习和训练飞机安全警告设备的基本知识和操作技术，保证飞行安全有很好的意义。建议该系统在改装学习和飞行员自主学习、练习中推广应用。飞行人员可以把该仿真训练软件安装在普通个人计算机上，自主学习安全警告系统的知识，自主模拟交互式操作，练习警告系统的使用方法、报警信号、报警后的处置程序。以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
权利要求
1.一种基于虚拟技术的飞机安全警告系统，其特征在于，所述系统是在PC上主要利用 ActiveX技术实现了 B737-NG飞机飞行动力学模型和仪表控制，利用OpenGL开发可缩放实时交互式大型民用飞机虚拟座舱包含两个操作界面，一个飞行操纵界面(如图2)，一个教员PC机1操纵界面(如图3)，飞行操纵界面供使用者练习操作，教员PC机供设置飞机及警告状态，在不规则网格构建的三维地形视景中采用QuadTree与三角形碰撞检测技术快速检测飞机无线电高度。
2.根据权利要求1所述的基于虚拟技术的飞机安全警告系统，其特征在于，学员在学员PC机2、6有两种仿真练习方式自主飞行并进行各种警告报警练习，预先设置警告报警方式并进行练习。
3.根据权利要求1所述的基于虚拟技术的飞机安全警告系统，其特征在于，系统可通过鼠标3、7进行虚拟驾驶盘、虚拟操纵台的操纵，或者通过键盘4、8快捷键进行操纵，也可以用游戏手柄5、9 (或飞机驾驶盘)进行操纵，整个系统可通过网络在两台或多台计算机上实现，也可在一台计算机上完成所有的模拟工作。
4.根据权利要求1-3所述的基于虚拟技术的飞机安全警告系统，其特征在于，软件主要包括飞行动力学仿真模块、视景模块、虚拟仪表模块、教员台模块、音效处理模块、操纵杆和开关输入模块、发动机模块、网络通讯模块、导航计算和导航数据管理模块。
5.根据权利要求1所述的基于虚拟技术的飞机安全警告系统，其特征在于，系统主进程的主线程运行过程主要由一个定时器来控制完成，教员台进程和主进程之间通过 Winsock进行通讯，教员台可对飞行进程进行监控，设置飞行状态(如改变飞机位置、冻结参数、设置故障等)，飞行状况可在教员台上完全显示。
6.根据权利要求1所述的基于虚拟技术的飞机安全警告系统，其特征在于，系统座舱仿照广泛使用的波音飞机设计，仪表可以放大缩小，驾驶盘、推力杆及其它操纵设备可以自由控制，三维视景、地形显示真实形象，实现了 TCAS系统仿真中虚拟飞机目标队列在虚拟 B737-800导航显示仪表的显示与视景系统中的统一，仿真实现了实时EGPWS地形显示和前视地形警戒、报警。
7.根据权利要求1所述的基于虚拟技术的飞机安全警告系统，采用3DSMAX软件和 Photoshop软件进行机场三维数据库建模，摸索出机场建模的较合理方法，从而减少了建模时间，提高了逼真度，可替代传统的采用Multigen Creator软件建模方法。
全文摘要
本发明公开了一种基于虚拟技术的飞机安全警告系统，主要应用了机载安全警告设备理论，利用ActiveX技术实现了B737-NG飞机飞行动力学模型和仪表控制的设计。该系统座舱仿照波音飞机设计，仪表可以放大缩小，驾驶盘、推力杆及其它操纵设备可以自由控制，具备三维视景、地形真实显示的特点。该系统可以人工操纵飞机进入各种报警状态，也可以通过教员机任意设置并自动进入各种报警状态，学员机进行解除练习。实现了虚拟实时交互式飞机驾驶舱的仿真；实现了人的虚拟复杂控制行为的模拟。该系统实现了TCAS系统仿真中虚拟飞机目标队列在虚拟B737-800导航显示仪表的显示与视景系统中的统一。本发明操作简单，设置方便，报警形象真实，人机界面友好。
文档编号G09B9/16GK102254465SQ20111015189
公开日2011年11月23日 申请日期2011年6月8日 优先权日2011年6月8日
发明者何晓薇, 彭卫东, 王有隆, 胡焱, 苏彬, 陈又军, 魏麟 申请人:中国民用航空飞行学院