虚拟现实座舱工程模拟器的制作方法

本发明涉及一种虚拟现实(Virtual Reality,VR)模拟设备，具体涉及一种虚拟现实座舱工程模拟器。

背景技术：

传统座舱工程模拟器采用半物理系统实现，一旦制作完成，很难修改。这对快速收敛用户需求，提高设计效率，缩短设计时间极为不利。

半物理系统的座舱由多个子系统共同组成并协同工作。其中，主要部分是座舱中的仪表显示系统和操作控制系统。仪表显示系统集成机内各个系统采集的数据并进行显示处理。对于每个显示模块，在子系统测试验证时需要制作子系统的模拟设备，进入整体座舱仪表显示系统后，需要再次进行整体测试验证。座舱系统中以用户为对象的人机接口是设计的核心，往往用户在模拟系统或原型系统制作完成后才能开始体验和反馈意见，此时用户反馈意见以及测试模拟出现问题，对于后期修改再设计是十分不利的。对于操作控制系统等其他座舱系统来说也具有同样问题。因此，传统座舱工程模拟器无法真正为设计、用户反馈，设计改进，以及后续的仿真、验证等开发工作带来高效率的服务。在投入使用时受到空间和资源限制。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决上述技术问题。

如果存在一套体积小、应用范围广、并支持快速开发的轻型座舱工程模拟器，使得座舱系统在开发初始阶段时即可进行用户仿真体验，便可为开发者与用户之间建立起快速闭环迭代过程，为设计开发带来效率和品质的大幅提升。

为此，本发明的目的在于提出一种虚拟现实座舱工程模拟器，实现座舱的快速设计、仿真和评估。

为了实现上述目的，本发明的实施例公开了一种虚拟现实座舱工程模拟器，包括：虚拟现实头戴显示设备，所述虚拟现实头戴显示设备用于根据计算平台发送的座舱模型进行显示；虚拟现实输入设备，所述虚拟现实输入设备用于向计算平台输入虚拟现实操作信息；所述计算平台，所述计算平台分别与所述虚拟现实头戴显示设备、所述虚拟现实输入设备和后述运动学平台连接，所述计算平台用于生成座舱模型，所述计算平台还用于对虚拟现实仿真信息进行评估并向用户反馈评估结果，所述计算平台还用于根据用户针对所述评估结果调整模型参数，以实现在设计者与用户(Designer to Customer,D2C)之间进行闭环快速迭代以调整所述座舱模型，所述计算平台还用于响应所述虚拟现实输入设备并输出动力学参数；运动学平台，所述运动学平台上设置有座椅，所述运动学平台与所述计算平台连接，以根据所述计算平台发送的运动指令进行相应的运动。

根据本发明实施例的虚拟现实座舱工程模拟器，利用D2C闭环快速迭代开发方法实现了座舱系统的设计、仿真、分析评估、用户反馈的链式服务，构建高效率的一体化座舱工程模拟器平台。本发明利用座舱设计、模拟仿真、分析评估，使得设计者与用户互联，形成闭环结构。座舱设计与用户数据作为交互数据在设计者与用户间交互，迭代完善座舱设计。

另外，根据本发明上述实施例的虚拟现实座舱工程模拟器，还可以具有如下与D2C闭环快速迭代开发方法有关的技术特征：

进一步地，所述D2C闭环快速迭代方法包括：接收用户输入的调整后的模型外观及功能参数，并根据所述调整后的模型参数更新所述座舱模型；根据更新的座舱模型进行座舱系统仿真；仿真中用户对更新后的座舱模型进行操作并提供最新评估结果，如果所述最新评估结果不满足用户需求则对调整模型参数至提供最新评估结果之间的步骤继续迭代，直至最新评估结果满足所述用户需求为止；如果所述最新苹果结果满足用户需求，则确定满足所述用户需求的座舱模型为最终座舱模型。

进一步地，所述计算平台包括：座舱框架模型库，所述座舱框架模型库中存储有多个座舱框架模型；设备外观设定模块，用于设定座舱的仪表显示系统和操作控制系统的外观显示形式；系统功能设定模块，用于设定座舱的仪表显示系统和操作控制系统的功能；反馈信息接收模块，用于接收用户提供的座舱操作反馈信息；信息推送模块，用于向预设用户终端推送所述座舱操作反馈信息，以便所述预设用户终端通过所述计算平台调整座舱模型；其中，所述座舱设计过程包括：从所述座舱框架模型库中选择座舱框架模型，然后设定座舱的仪表显示系统和操作控制系统的外观显示形式，以及设定座舱的仪表显示系统和操作控制系统功能组成座舱模型。

进一步地，所述计算平台还包括模型导入接口，用于导入座舱框架模型。

进一步地，所述座舱设计模块通过计算机辅助设计(Computer Aided Design，CAD)软件设计形成所述多个座舱框架模型。

进一步地，还包括：第三方监视模块，所述第三方监视模块与所述计算平台连接，用于以从第三方视角显示与所述虚拟现实头戴显示设备上的显示内容相应的信息。

进一步地，所述第三方监视模块还用于显示所述虚拟现实头戴显示设备上的显示内容和相应的仿真参数。

进一步地，所述运动学平台为六自由度平台。

进一步地，所述虚拟现实头戴显示设备为3维(Three-Dimension，3D)显示且视角为360度的虚拟现实头戴显示设备。

进一步地，所述虚拟现实输入设备为数据手套。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明一个实施例的虚拟现实座舱工程模拟器的结构框图；

图2是本发明一个实施例中使用设计者与用户闭环快速迭代方法的示意图；

图3是本发明一个实施例中虚拟现实座舱工程模拟器的硬件平台的示意图；

图4是本发明一个实施例中虚拟现实座舱工程模拟器的软件功能的结构框图；

图5是本发明一个实施例中虚拟现实座舱工程模拟器的执行过程的流程图。

具体实施方式

以下结合附图描述本发明。

图1是本发明一个作为实施例的虚拟现实座舱工程模拟器的结构框图。如图1所示，一种虚拟现实座舱工程模拟器，包括虚拟现实头戴显示设备100、虚拟现实输入设备200、计算平台300和运动平台400。

其中，虚拟现实头戴显示设备100用于显示计算平台发送的座舱模型。

在本发明的实施例中，虚拟现实头戴显示设备100可以为3D显示且视角为360度的虚拟现实头戴显示设备，其体积小、方便穿戴，克服了现有小型虚拟现实模拟器中视角显示受限的问题，可以很逼真地模拟出实际环境下试飞场景。且眼镜中的视景可以根据需求进行软件开发，场景的切换也很方便。全空间的3D视景显示可以很大程度上提高试飞员等相关人员的沉浸感。

虚拟现实输入设备200用于向计算平台300输入虚拟现实操作信息。

进一步地，虚拟现实输入设备200为高精度数据手套。高精度数据手套保证用户在座舱中对仪表显示系统以及操作控制系统的模拟操作更加精准、灵活、稳定。使用VR显示与高精度数据手套相结合，利用高精度数据手套的力反馈、定位、姿态模拟功能，在VR世界中完全模拟操作过程与操作感受，取代原有的机械开关，使得座舱系统的模拟不再需要真实的设备，降低座舱模拟器的开发难度与开发周期。

运动学平台400上设置有座椅。运动学平台与计算平台300连接，以根据计算平台300发送的运动指令进行相应的运动。

计算平台300分别与虚拟现实头戴显示设备100、虚拟现实输入设备200和运动学平台400连接。计算平台300用于根据外部输入的模型参数生成座舱模型，所述计算平台还用于D2C之间进行闭环快速迭代以调整座舱模型，计算平台300还用于响应虚拟现实输入设备200和输出动力学参数。计算平台还用于根据用户针对所述评估结果调整模型参数，以实现在D2C之间进行闭环快速迭代以调整所述座舱模型，所述计算平台还用于响应所述虚拟现实输入设备并输出动力学参数。

进一步地，D2C闭环快速迭代方法包括：接收用户输入的调整后的模型外观及功能参数，并根据调整后的模型参数更新座舱模型；根据更新的座舱模型进行座舱系统仿真；仿真中用户对更新后的座舱模型进行操作并提供最新评估结果，如果最新评估结果不满足用户需求则对调整模型参数至提供最新评估结果之间的步骤继续迭代，直至最新评估结果满足用户需求为止；如果最新苹果结果满足用户需求，则确定满足用户需求的座舱模型为最终座舱模型。

本发明利用座舱设计、模拟仿真、分析评估三大模块将设计者与用户互联，形成闭环结构。座舱设计与用户数据作为交互数据在设计者与用户间交互，迭代完善座舱设计。

进一步地，计算平台300包括：座舱框架模型库，座舱框架模型库中存储有多个座舱框架模型；设备外观设定模块，用于设定座舱的仪表显示系统和操作控制系统的外观显示形式；系统功能设定模块，用于设定座舱的仪表显示系统和操作控制系统功能；反馈信息接收模块，用于接收用户提供的座舱操作反馈信息；信息推送模块，用于向预设用户终端推送座舱操作反馈信息，以便预设用户终端通过计算平台300调整座舱模型。其中，座舱设计模块根据从座舱框架模型库中选择座舱框架模型，设定座舱的仪表显示系统和操作控制系统的外观显示形式，以及设定座舱的仪表显示系统和操作控制系统功能，组成座舱模型。

图2是本发明一个实施例中使用D2C闭环快速迭代方法的示意图。如图2所示，本发明利用座舱设计、模拟仿真、分析评估将设计者与用户互联，形成闭环结构。座舱设计与用户数据作为交互数据在设计者与用户间交互，迭代完善座舱设计。其中，单次闭环过程为：以虚拟现实为硬件基础的系统将座舱模型通过模型标准接口直接推送到仿真模块中，设计结果将被快速构建成座舱仿真系统，其中仪表显示、操作控制设备根据模型功能均可进行相应操作；用户通过仿真系统对座舱内的设备进行规范操作，用户数据通过仿真系统的实时数据采集与用户反馈方式得到后，统一送到分析评估模块；在分析评估模块中，用户数据通过不同评估指标进行计算并生成系统评估报告；最后，设计者根据反馈的评估结果对座舱进行改善和再设计。该过程根据需要进行迭代，最终形成完全满足用户需求的座舱系统设计。

座舱框架模型库、设备外观设定模块、系统功能设定模块、反馈信息接收模块和信息推送模块之间形成了闭环迭代，实现了座舱系统的设计、仿真、分析评估、用户反馈的链式服务，构建高效率的一体化座舱工程模拟器平台。

进一步地，计算平台300利用VR技术，模型可视化效果大为提高。利用文件中包含的图形信息、材质信息、动画信息等，实现产品在设计开发时所见即所得的效果，并可以在模拟器中呈现逼真的模拟设备。根据初始设计以及迭代反馈信息，可在该编辑模块中对显示功能以及显示控制功能等进行设计与编辑，使得显示信息更精炼、信息内容易识别、更全面等实时反应座舱系统状态。

进一步地，计算平台300还包括模型导入接口，用于导入座舱框架模型。

进一步地，座舱设计模块通过CAD软件设计形成多个座舱框架模型，可以被直接导入至座舱框架模型库中，实际使用时，仅需在座舱框架模型库中选择合适的座舱框架模型即可。

进一步地，本发明实施例的虚拟现实座舱工程模拟器还包括第三方监视模块。第三方监视模块与计算平台300连接，用于以从第三方视角显示与虚拟现实头戴显示设备上的显示内容相应的信息。现有技术中的虚拟现实只能服务于头戴虚拟现实显示设备的第一人称操作者，无法使其他相关人员实施参与到模拟仿真中。在设计评测阶段，除了座舱专业操作用户的反馈，还需要其他专业人员的意见反馈。利用第三方显示功能，可以从第三方视角的主机屏幕上实时地看到虚拟场景。

进一步地，第三方监视模块还用于显示虚拟现实头戴显示设备上的显示内容相对应的仿真参数，以便相关人员根据仿真参数了解仿真情况，对仿真结果的准确性进行判断。

在本发明的一个实施例中，运动学平台400为六自由度平台，可以在六自由度上根据计算平台300发送的运动指令进行相应的运动。

为使本领域技术人员进一步理解本发明，将通过以下实施例进行详细说明。

图3是本发明一个实施例中虚拟现实座舱工程模拟器的硬件平台的示意图。如图3所示，本发明硬件系统由VR设备组成，以实现所见即所得的设计，快速形成座舱仿真，并可反映真实用户体验数据。本发明的硬件系统由如下设备构建：承载数据计算与VR图像驱动的计算平台、VR头戴显示设备、数据传输网络与计算平台，以及可选配VR交互用高精度数据手套和六自由度平台。

其中，计算平台安装了支持D2C闭环快速迭代座舱设计功能的软件，座舱设计、仿真、分析评估功能均可在计算平台得以实现。同时，计算平台具备与VR头戴显示设备、VR高精度数据手套、六自由度平台互联的能力，实现设备驱动、处理设备交互数据。该计算平台拥有强大的图像处理能力，支持VR图像的生成与驱动，以及仿真过程中第三方监视器中图像生成与驱动。

VR头戴显示设备，具有高沉浸感的3D显示功能且视角显示为全空间的360°显示，其体积小、方便穿戴，克服了现有小型虚拟模拟器中视角显示受局限的问题，可以很逼真的模拟出实际环境下试飞场景。且眼镜中的视景可以根据需求进行软件开发，场景的切换也很方便。全空间的3D视景显示可以很大程度上提高试飞员等相关人员的沉浸感。

飞行模拟器中融入高精度数据手套，克服以往数据手套精度低、不灵敏、操作不准确的问题。高精度数据手套保证用户在座舱中对仪表显示系统以及操作控制系统的模拟操作更加精准、灵活、稳定。使用VR显示与数据手套相结合，利用数据手套的力反馈、定位、姿态模拟功能，在VR世界中完全模拟操作过程与操作感受，取代原有的机械开关，使得座舱系统的模拟不再需要真实的设备，降低座舱工程模拟器的开发难度与开发周期。

座舱模拟器为了更加真实的模拟座舱环境，加强用户在仿真过程中的体验感，引入六自由度平台，并在平台的基础上安装了座舱座椅，可以实时反馈座舱在仿真过程中的姿态与动感，使得用户在仿真过程中体验与在真实的座舱中一致，以提高沉浸感。

图4是本发明一个实施例中虚拟现实座舱工程模拟器的软件功能的结构框图。如图4所示，座舱工程模拟器的软件功能包括三大主要模块：座舱设计、仿真模拟、分析评估。

其中，座舱设计模块实现了座舱布局布置在线编辑，利用VR技术，模型可视化效果大为提高。工程模拟器支持模型的导入，即常用CAD工具所生成的模型文件类型，可以直接导入本工程模拟器。利用文件中包含的图形信息、材质信息、动画信息等，实现产品在设计开发时所见即所得的效果，并可以在模拟器中呈现逼真的模拟设备。根据初始设计以及迭代反馈信息，可在该编辑模块中对显示功能以及显示控制功能等进行设计与编辑，使得显示信息更精炼、信息内容易识别、更全面的实时反应座舱系统状态。

仿真模拟模块，直接载入设计座舱模型，向用户显示逼真座舱。依靠虚拟现实的模型显示技术，让用户在座舱中以第一人称视角360度全方位的观看座舱环境，使用数据手套作为输入设备选择座舱内显示仪表、操作控制系统进行模拟操作，以使用并验证设备功能设计。另外，系统模块图3中展示了第三方视角显示的功能，往往虚拟现实只能服务于头戴虚拟现实显示设备的第一人称操作者，无法使其他相关人员实施参与到模拟仿真中。在设计评测阶段，除了座舱专业操作用户的反馈，还需要其他专业人员的意见反馈。利用第三方显示功能，可以从第三方视角的主机屏幕上实时的看到虚拟场景。第三方视角的屏幕还可以实时的显示出仿真系统参数。

虚拟现实座舱工程模拟器的软件功能模块中，根据座舱操作安全规则、座舱模型人机功效规范的要求，模拟器的评估系统可对座舱使用过程安全性以及人机接口效能进行分析评估。对于座舱模型，评估系统对于工程设计、人机功效，根据采集数据中能够体现设计完好性的参数进行分析评估，对其中可能存在的潜在问题提出评判，工程师根据评估反馈进而对座舱工程设计进行改进与性能提升等再设计。对于用户反馈部分，评估系统统计反馈信息数据，推送给设计人员，设计人员根据反馈的重要程度进行再设计。根据分析评估和测试内容的不同，可在线增加和减少挂接的数据库。数据库的建立采用严格的数学建模方法，针对需求的设计流程需要引入数学规划、多目标优化和泛函分析等数学工具，形成可仿真、可分析评估的数学模型。如图5所示。座舱设计相关人员连同用户一起使用本平台完成座舱工程设计、仿真模拟、分析评估三项主要功能。首先在工程设计阶段，利用通用CAD软件设计座舱设备模型，将其导入本系统模型库中，在设计环节读取这些模型，进行外形、功能上的设计，设计结果可通过座舱展示进行查看；之后将形成的座舱模型导入仿真模块，进行座舱系统仿真，过程中将仪表显示系统与操作控制系统数据进行采集，并通过联机查看的方式形成第三方监视功能；最后将采集的系统数据进行转换，从评估算法库中得到相应的算法进行计算，最终将评估计算结果通过评估报告的方式进行输出。工程设计人员根据用户试用反馈，与系统采集数据结合，得到具体系统设计改善方案，以便快速的进行设计的迭代与需求的收敛。

使用系统的标准定义接口，可以以本系统为基础为特殊座舱的工程项目进行工具扩展与定制式开发。根据具体情况可进行的扩展有：模型交互的定制，设备功能的定制、采集数据的定制、第三方监视数据的定制、分析评估算法定制、评估报告的定制等。本发明中各部分硬件设备可以根据具体需求增加，主机之间利用数据传输网络实现互通互联，可以实时的相互通信和传输数据，以便形成联网式的交互式开发与评估环境。

另外，本发明实施例的虚拟现实座舱工程模拟器的其它构成以及作用对于本领域的技术人员而言都是已知的，为了减少冗余，不做赘述。

所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照本发明实施例的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。