楊佳利，曹文宇，姚 舜，劉 凱，謝鵬福，胡忠志

（清華大學(xué)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究院，北京 100084）

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是復(fù)雜的多學(xué)科集成動(dòng)力裝置，涉及氣動(dòng)熱力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、燃燒學(xué)、傳熱學(xué)、控制理論等眾多學(xué)科，數(shù)字化轉(zhuǎn)型是實(shí)現(xiàn)技術(shù)發(fā)展模式變革，加速解決航空發(fā)動(dòng)機(jī)卡脖子問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)途徑[1]。航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)具有危險(xiǎn)度高、操作難度大、成本高等問(wèn)題，使用實(shí)時(shí)高性能計(jì)算和虛擬現(xiàn)實(shí)等先進(jìn)信息化技術(shù)，能夠縮短研發(fā)周期，節(jié)省研制成本。在《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035 年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)被列入“建設(shè)數(shù)字中國(guó)”數(shù)字經(jīng)濟(jì)重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)[2]。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與工業(yè)相結(jié)合，具備高效、高性價(jià)比的優(yōu)勢(shì)[3]。在航空航天領(lǐng)域，能夠?qū)崿F(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)沉浸式設(shè)計(jì)，催生可視化智能展示技術(shù)，提高管理水平[4]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)憑借成本低、仿真度高的特點(diǎn)已被廣泛應(yīng)用[5]。RR 公司[6]在組裝最新的發(fā)動(dòng)機(jī)組件時(shí)，使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)協(xié)助員工工作，工程師將在虛擬環(huán)境下驗(yàn)證所有組件擁有足夠空間和縫隙實(shí)現(xiàn)順序安裝，并可得到安裝過(guò)程的干涉警告；PW 公司[7]通過(guò)收集F119 渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)，創(chuàng)建物理部件的數(shù)字副本進(jìn)行數(shù)字孿生研究，更加準(zhǔn)確地預(yù)估部件壽命、改善機(jī)動(dòng)性能，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期運(yùn)行和維護(hù)成本的降低；俄羅斯聯(lián)合發(fā)動(dòng)機(jī)制造集團(tuán)[8]將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入發(fā)動(dòng)機(jī)研制，已在蘇-57 戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)過(guò)程中應(yīng)用，可有效降低開(kāi)發(fā)成本，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期；北京航空航天大學(xué)仿真中心[1]于2005 年引進(jìn)高性能集群計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，推動(dòng)了發(fā)動(dòng)機(jī)向信息化、數(shù)字化發(fā)展；沈景鳳等[9]搭建了航空發(fā)動(dòng)機(jī)半物理仿真試車(chē)系統(tǒng)，利用洞穴狀自動(dòng)虛擬系統(tǒng)系統(tǒng)（Cave Automatic Virtual Environment，CAVE）實(shí)現(xiàn)試車(chē)數(shù)據(jù)3 維實(shí)時(shí)可視化；任浩男[10]對(duì)CFM56-7B 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行建模，開(kāi)發(fā)了1 套支持碰撞檢測(cè)的虛擬維修系統(tǒng)；高穎等[11]針對(duì)教學(xué)需求，研究數(shù)據(jù)手套交互、立體顯示技術(shù)，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于課堂教學(xué)，達(dá)到了良好的教學(xué)效果。

上述研究將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和研發(fā)過(guò)程中，有效提高了工作效率和質(zhì)量，驗(yàn)證了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)過(guò)程中的重要作用。然而，由于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)工程應(yīng)用的研究案例較少，相關(guān)研究工作主要局限于單一學(xué)科信息傳遞，存在系統(tǒng)功能較為單一、拓展性和兼容性較弱，不能滿足實(shí)際工程應(yīng)用過(guò)程中多學(xué)科信息融合、實(shí)時(shí)仿真渲染的需要。此外，畫(huà)面逼真度作為虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)沉浸感的重要指標(biāo)之一[12]，在上述案例中也少有探討。

本文主要介紹了模型實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)沉浸式交互虛擬運(yùn)行系統(tǒng)的組成及研究過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)。在實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)功能基礎(chǔ)上，面向教學(xué)培訓(xùn)、維修驗(yàn)證的行業(yè)需求，提出系統(tǒng)未來(lái)升級(jí)方案及研究方向。

1 總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的虛擬運(yùn)行系統(tǒng)，面向航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的實(shí)際需求，用于展示和驗(yàn)證自適應(yīng)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)原理、先進(jìn)性和綜合性能，同時(shí)使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)備提高用戶沉浸感。整體方案設(shè)計(jì)效果如圖1 所示，采用操控臺(tái)和立體顯示屏幕的組合方案。其中操控臺(tái)是系統(tǒng)的運(yùn)算中心，配備狀態(tài)顯示屏、實(shí)體油門(mén)桿；立體顯示屏幕是視覺(jué)輸出和人機(jī)交互的主要設(shè)備，支持立體顯示技術(shù)、配備動(dòng)作捕捉硬件。部署完成后，用戶通過(guò)操控臺(tái)油門(mén)桿輸入接口操控發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)、加減速、加力、模式切換等功能，并實(shí)時(shí)查看各狀態(tài)性能參數(shù)；立體顯示屏幕提供3 維沉浸式視覺(jué)效果，1∶1 呈現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行狀態(tài)的物理場(chǎng)數(shù)據(jù)。采用基于從外向內(nèi)追蹤[13]技術(shù)的動(dòng)作捕捉設(shè)備，沉浸式人機(jī)交互如圖2 所示。用戶可以隔空操作虛擬空間中的3 維對(duì)象，實(shí)現(xiàn)漫游、模型剖切等功能，觀察內(nèi)部運(yùn)行狀態(tài)、拆裝發(fā)動(dòng)機(jī)部件。

圖1 整體方案設(shè)計(jì)效果

圖2 沉浸式人機(jī)交互

虛擬運(yùn)行系統(tǒng)包括發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)熱力性能實(shí)時(shí)仿真模型、全包線實(shí)時(shí)控制器、3 維結(jié)構(gòu)模型、3 維視景顯示系統(tǒng)、操控臺(tái)等部分。虛擬運(yùn)行系統(tǒng)模塊關(guān)系如圖3 所示。操控臺(tái)通過(guò)油門(mén)操縱桿給出發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行指令，操控軟件通過(guò)以太網(wǎng)將發(fā)動(dòng)機(jī)指令發(fā)送給發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)控制器，其根據(jù)油門(mén)桿指令信號(hào)和傳感器反饋信號(hào)，通過(guò)控制計(jì)劃和控制策略計(jì)算得到各部件控制指令信號(hào)，發(fā)動(dòng)機(jī)性能模型仿真計(jì)算機(jī)根據(jù)各部件控制信號(hào)和當(dāng)前工作狀態(tài)，計(jì)算得到最新的截面參數(shù)和發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)，其數(shù)據(jù)可用于傳感器信號(hào)模擬和3 維視景顯示，同時(shí)實(shí)時(shí)記錄相關(guān)仿真數(shù)據(jù)。

圖3 虛擬運(yùn)行系統(tǒng)模塊關(guān)系

2 發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)仿真軟件

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)性能實(shí)時(shí)模型

發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)熱力性能模型用于表征發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)象特性的動(dòng)力學(xué)模型，以發(fā)動(dòng)機(jī)控制指令和飛行條件為輸入，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，計(jì)算和更新下一時(shí)刻的狀態(tài)變化，輸出發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、各特征截面狀態(tài)、內(nèi)部狀態(tài)和響應(yīng)推力等信號(hào)。其中，發(fā)動(dòng)機(jī)可測(cè)信號(hào)包含轉(zhuǎn)速、總溫、總壓等，給至發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)控制器，用于實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)閉環(huán)控制功能；有些非可測(cè)信號(hào)，如空氣流量、流場(chǎng)溫度和壓力等信號(hào)，給至視景仿真系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)渲染。發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)模型建模方法流程如圖4 所示。根據(jù)各部件特性參數(shù)、變量平衡約束關(guān)系計(jì)算下一時(shí)刻狀態(tài)變化值。為保證發(fā)動(dòng)機(jī)模型的收斂，首先對(duì)模型的輸入進(jìn)行保護(hù)，防止因錯(cuò)誤的輸入變化導(dǎo)致模型出現(xiàn)異常。模型計(jì)算中，迭代參數(shù)為：壓氣機(jī)增壓比、風(fēng)扇增壓比、高壓渦輪落壓比、低壓渦輪落壓比。將迭代參數(shù)代入部件氣路關(guān)系（圖4）中，根據(jù)風(fēng)扇特性、高壓壓氣機(jī)特性、高壓渦輪特性、低壓渦輪特性、燃燒室總壓恢復(fù)系數(shù)特性與燃燒效率特性、外涵道總壓恢復(fù)系數(shù)特性、加力與噴口段總壓恢復(fù)系數(shù)特性計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和加減速過(guò)程。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)模型建模方法流程

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)控制方案

變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)變量多，工作狀態(tài)復(fù)雜，單個(gè)調(diào)節(jié)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的幾何部件，只能提升發(fā)動(dòng)機(jī)某一方面的性能，而其他方面有可能下降。所以單靠調(diào)節(jié)單個(gè)幾何部件無(wú)法有效進(jìn)行模式切換，需要多個(gè)變幾何部件協(xié)調(diào)來(lái)實(shí)現(xiàn)模式切換從而最大可能的發(fā)揮其潛在性能。同時(shí)，控制過(guò)程中保證發(fā)動(dòng)機(jī)在單、雙涵模式之間安全、可靠地切換，確保發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)在安全邊界范圍內(nèi)的基礎(chǔ)上，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的推力與耗油率要求，同時(shí)性能變化的動(dòng)態(tài)特性如超調(diào)量、波動(dòng)等滿足要求。

結(jié)合未來(lái)先進(jìn)飛行器飛推綜合控制、直接推力控制的需求[14]，發(fā)動(dòng)機(jī)控制方案采用在線性能綜合尋優(yōu)控制策略，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)工作模式和運(yùn)行狀態(tài)。發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)研究方案如圖5 所示。根據(jù)飛行器飛控系統(tǒng)發(fā)來(lái)的推力需求和飛行狀態(tài)，以及飛行員給定的發(fā)動(dòng)機(jī)工作模式，通過(guò)機(jī)載模型實(shí)時(shí)運(yùn)算和在線尋優(yōu)算法，計(jì)算得到模式切換控制指令、加減速控制指令和喉道調(diào)節(jié)控制指令，通過(guò)具體的模式切換控制算法、加減速控制算法和喉道調(diào)節(jié)控制方案實(shí)現(xiàn)具體的控制功能，產(chǎn)生實(shí)際控制指令信號(hào)，給至發(fā)動(dòng)機(jī)各控制部件，如涵道引射器、模式選擇閥門(mén)、導(dǎo)葉調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、喉道調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、燃油計(jì)量裝置等。另外，在發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)控制功能之上，采用變循環(huán)航空發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)機(jī)載模型、基于卡爾曼濾波器的涵道比、推力以及耗油率等狀態(tài)參數(shù)估計(jì)方法、喘振裕度估計(jì)、多變量控制器設(shè)計(jì)以及過(guò)渡態(tài)控制器設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)控制性能提升和優(yōu)化。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)研究方案

2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)3維結(jié)構(gòu)模型

本文所用的ACE 發(fā)動(dòng)機(jī)3 維結(jié)構(gòu)模型采用了整機(jī)參數(shù)化結(jié)構(gòu)建模技術(shù)路線，可根據(jù)外界輸入實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)自動(dòng)更新流程，支撐自頂向下的設(shè)計(jì)迭代活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)建模過(guò)程中與設(shè)計(jì)體系、設(shè)計(jì)流程的交互和融合。

發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)從方案設(shè)計(jì)到具有合理結(jié)構(gòu)需要反復(fù)迭代，需要考慮在系統(tǒng)工程中應(yīng)用的先進(jìn)建模方法。在方案設(shè)計(jì)階段，通過(guò)自頂向下的整機(jī)骨架模型的控制，根據(jù)性能要求進(jìn)行整體布置、確定各部件的尺寸和裝配關(guān)系。復(fù)雜可調(diào)結(jié)構(gòu)構(gòu)型和參數(shù)化建模工作是3 維結(jié)構(gòu)建模的核心關(guān)鍵內(nèi)容，為后續(xù)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真和優(yōu)化、動(dòng)態(tài)干涉檢查的快速迭代提供基礎(chǔ)。

根據(jù)工程化結(jié)構(gòu)建模要求，采用結(jié)構(gòu)建模的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，整機(jī)參數(shù)化結(jié)構(gòu)建模技術(shù)路線如圖6 所示。將整機(jī)建模分為3 層，各層之間通過(guò)技術(shù)打通，滿足上層對(duì)下層的控制和關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)面向不同層次設(shè)計(jì)分析的結(jié)構(gòu)參數(shù)化架構(gòu)。通過(guò)二次開(kāi)發(fā)，根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)則和約束，建立結(jié)構(gòu)樣機(jī)骨架模型的幾何參數(shù)關(guān)系式，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整，從而滿足高效設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)修改。為滿足快速整機(jī)結(jié)構(gòu)更新要求，建立結(jié)構(gòu)模型云儲(chǔ)存和參數(shù)交互的平臺(tái)運(yùn)行模式，實(shí)現(xiàn)整機(jī)結(jié)構(gòu)更新小于1 h的目標(biāo)。

圖6 整機(jī)參數(shù)化結(jié)構(gòu)建模技術(shù)路線

針對(duì)有限元仿真結(jié)果與結(jié)構(gòu)模型融合的可視化需求，為實(shí)現(xiàn)局部仿真結(jié)果與整機(jī)坐標(biāo)對(duì)齊功能，本文提出了空間自動(dòng)對(duì)齊方法：部件3 維結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)出時(shí)記錄相對(duì)坐標(biāo)信息，仿真完成后，利用該信息與整機(jī)結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)對(duì)齊。有限元分析可視化自動(dòng)對(duì)齊方法如圖7 所示。采用此技術(shù)路線，局部結(jié)構(gòu)導(dǎo)出時(shí)以整機(jī)為參照，在局部坐標(biāo)系下記錄模型移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、縮放信息，有限元分析結(jié)束后，通過(guò)圖像處理器渲染工具對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行可視化轉(zhuǎn)換，空間對(duì)齊算法讀取坐標(biāo)信息，通過(guò)變換矩陣將可視化結(jié)果對(duì)齊到整機(jī)上顯示。以燃燒室部分有限元分析結(jié)果和結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)效果為例，燃燒室應(yīng)力仿真可視化效果如圖8 所示。使用點(diǎn)云將計(jì)算結(jié)果對(duì)齊到整機(jī)坐標(biāo)，能實(shí)現(xiàn)清晰、動(dòng)態(tài)的可視化效果。

圖7 有限元分析可視化自動(dòng)對(duì)齊方法

圖8 燃燒室應(yīng)力仿真可視化效果

2.4 3維視景渲染系統(tǒng)

3 維視景系統(tǒng)提供高逼真度、流暢的視覺(jué)效果。由于視覺(jué)內(nèi)容由發(fā)動(dòng)機(jī)性能仿真數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)，不能使用預(yù)渲染動(dòng)畫(huà)，因此采用實(shí)時(shí)渲染方案。根據(jù)系統(tǒng)要求，需實(shí)現(xiàn)3840×1890的分辨率，及不低于60 Hz 的刷新率，渲染延遲不能高于16.6 ms。本文采用實(shí)時(shí)渲染引擎作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，通過(guò)專業(yè)加速處理模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染能力評(píng)估，測(cè)試了不同模式下的渲染效能，不同渲染策略對(duì)運(yùn)行流暢度影響見(jiàn)表1。其中高精度模式注重還原結(jié)構(gòu)模型精度，面數(shù)達(dá)4.6億，材質(zhì)和光影配置較低，幀率達(dá)不到沉浸式系統(tǒng)要求；平衡模式結(jié)構(gòu)精度較高，且保留了所有裝配節(jié)點(diǎn)；高清渲染模式降低了渲染面數(shù)，采用了高清渲染管線，同時(shí)對(duì)裝配節(jié)點(diǎn)數(shù)適當(dāng)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了畫(huà)面效果和流暢度之間的平衡。

表1 不同渲染策略對(duì)運(yùn)行流暢度影響

為提升3 維結(jié)構(gòu)模型渲染流暢度，對(duì)3 維結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行優(yōu)化處理，充分利用圖形硬件的三角形繪制加速功能，使用鑲嵌細(xì)分算法將3 維結(jié)構(gòu)模型數(shù)據(jù)生成近似的Mesh 網(wǎng)格。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，可將場(chǎng)景整體面數(shù)降低至3 千萬(wàn)，處理后文件模型大小為398 MB，相比于原CAD 文件的3.38 GB，文件大小縮減約89%。為進(jìn)一步提升渲染流暢度，研究了實(shí)時(shí)渲染優(yōu)化技術(shù)，提出了一種“基于相似對(duì)象的動(dòng)態(tài)合批”的渲染方法[15]，在程序運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)優(yōu)化，將處于同一級(jí)別葉片進(jìn)行塌陷，有效降低Draw Calls 值（繪制調(diào)用）[16]，在面數(shù)不變的情況下可將幀率提升至120 fps左右。

為實(shí)現(xiàn)3 維視景渲染的模型驅(qū)動(dòng)和數(shù)據(jù)映射功能，在數(shù)據(jù)可視化方面，通過(guò)撰寫(xiě)程序腳本對(duì)性能實(shí)時(shí)仿真數(shù)據(jù)包進(jìn)行接收、解析，并實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)3 維結(jié)構(gòu)模型。以內(nèi)涵道為例，首先根據(jù)涵道構(gòu)型在建模軟件中制作面片網(wǎng)格，使用紋理工具確保模型紋理橫向展開(kāi)；撰寫(xiě)Shader文件，當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)讀取性能數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)上述參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程模擬和流體的溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)可視化，內(nèi)涵道性能可視化效果如圖9所示。

圖9 內(nèi)涵道性能可視化效果

為進(jìn)一步提高渲染真實(shí)感，表現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)材質(zhì)紋理，采用了可編程渲染管線和基于物理的渲染技術(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)表面材質(zhì)進(jìn)行精確定義。表面參數(shù)信息存儲(chǔ)在2D 紋理中，通過(guò)紋理坐標(biāo)映射到發(fā)動(dòng)機(jī)部件表面，實(shí)現(xiàn)在1 個(gè)部件上表達(dá)多種質(zhì)感的效果。在光線反射方面，使用光線追蹤技術(shù)會(huì)帶來(lái)噪點(diǎn)和大量計(jì)算性能開(kāi)銷(xiāo)，難以滿足系統(tǒng)使用需求。本文采用了空間反射與探針結(jié)合的方式為金屬材質(zhì)提供反射信息。在渲染幀繪制完成后，使用后期堆棧方法，如顏色校準(zhǔn)、曝光控制、環(huán)境光遮蔽及動(dòng)態(tài)模糊等，對(duì)場(chǎng)景的整體畫(huà)面進(jìn)行優(yōu)化。在正確設(shè)置材質(zhì)、反射及后期堆棧后，渲染效果得以大幅提升。技術(shù)優(yōu)化前后的渲染效果對(duì)比如圖10所示。

圖10 技術(shù)優(yōu)化前后的渲染效果對(duì)比

3 沉浸式交互硬件方案

3.1 立體顯示設(shè)備及人機(jī)交互設(shè)備

采用Power Wall作為主要的顯示、交互設(shè)備，由2部分組成：LED立體顯示系統(tǒng)及ART動(dòng)作捕捉設(shè)備。

傳統(tǒng)2D 顯示屏幕只能顯示單目畫(huà)面，用戶無(wú)法通過(guò)雙目匯聚及視差感知結(jié)構(gòu)上的深度信息[17]。常用的立體顯示技術(shù)有基于主動(dòng)快門(mén)、紅藍(lán)色差、偏振等方式，其中紅藍(lán)色差、偏振技術(shù)會(huì)導(dǎo)致畫(huà)面偏色或損失清晰度，不符合系統(tǒng)要求。主動(dòng)快門(mén)技術(shù)[18]則是基于高刷新率屏幕，交替顯示左右眼畫(huà)面，配合快門(mén)眼鏡依次顯示單眼信息，使用戶產(chǎn)生立體視覺(jué)效果，支持多人同時(shí)觀看。

采用的LED 立體顯示系統(tǒng)支持NVIDIA 3D Vi?sion 技術(shù)，采用上述主動(dòng)快門(mén)方式交替顯示左右眼的視差畫(huà)面，在用戶戴上配套的快門(mén)眼鏡后，即可看到清晰的立體視覺(jué)效果。

ART 紅外動(dòng)捕套件負(fù)責(zé)用戶動(dòng)作數(shù)據(jù)捕捉、識(shí)別，主要包含8個(gè)紅外探頭、Fly Stick 手柄、數(shù)據(jù)手套，能夠在3m×4m×2.5m（長(zhǎng)×寬×高）的空間內(nèi)精確捕捉用戶頭部及手部位置、接收按鈕指令。ART主機(jī)會(huì)將采集的數(shù)據(jù)保存為字符串，通過(guò)UDP 協(xié)議廣播發(fā)送。3 維視景軟件根據(jù)協(xié)議解析出各追蹤點(diǎn)的位置、旋轉(zhuǎn)信息，便可以在虛擬空間中定位坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)用戶通過(guò)自然手勢(shì)操作虛擬對(duì)象的交互功能。

3.2 虛擬運(yùn)行操控臺(tái)

虛擬運(yùn)行操控臺(tái)是發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)熱力性能仿真和實(shí)時(shí)控制運(yùn)算、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)可視化、用戶指令輸入的主要設(shè)備。虛擬運(yùn)行操控臺(tái)外觀如圖11 所示。采用琴式設(shè)計(jì)方案，安裝了3 個(gè)顯示屏幕，分別顯示飛行儀表界面、操控軟件界面、3 維預(yù)覽界面。臺(tái)面安裝油門(mén)桿和推力矢量控制桿，用于接收操作人員輸入指令。油門(mén)桿和推力矢量控制桿的信號(hào)，通過(guò)操控軟件傳至實(shí)時(shí)控制器，用于實(shí)時(shí)計(jì)算分析、仿真與控制等功能。

圖11 虛擬運(yùn)行操控臺(tái)外觀

4 虛擬運(yùn)行系統(tǒng)集成與測(cè)試

虛擬運(yùn)行系統(tǒng)總體集成方案構(gòu)架如圖12 所示。根據(jù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能設(shè)計(jì)結(jié)果建立發(fā)動(dòng)機(jī)性能實(shí)時(shí)仿真模型，模擬發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)控制計(jì)劃和控制律設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制功能，油門(mén)桿和推力矢量控制桿用于接收人機(jī)交互輸入信號(hào)，3 維視景顯示系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行效果的沉浸式體驗(yàn)。

圖12 總體集成架構(gòu)

本系統(tǒng)已完成測(cè)試并投入使用，虛擬運(yùn)行模式下，以仿真機(jī)為源節(jié)點(diǎn)，每10 ms發(fā)送1次實(shí)時(shí)運(yùn)算結(jié)果，用于驅(qū)動(dòng)3 維模型、數(shù)據(jù)可視化模塊，用戶可通過(guò)上位機(jī)、油門(mén)桿、推力矢量桿實(shí)時(shí)控制發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行，并對(duì)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)審。

經(jīng)測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了流暢、細(xì)節(jié)精確的航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)渲染效果，具體表現(xiàn)為：刷新率70 幀（立體模式）或120 幀（非立體模式）；分辨率為3840×1890，總渲染面數(shù)超過(guò)3000 萬(wàn)。用戶戴上立體顯示眼鏡后，能看到的3 維立體發(fā)動(dòng)機(jī)效果，3維立體顯示效果圖如圖13所示。

圖13 3維立體顯示效果圖

5 應(yīng)用方向及展望

系統(tǒng)初步實(shí)現(xiàn)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字孿生的快速原型，其中3 維結(jié)構(gòu)模型文件輕量化、性能數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)仿真、3 維視景實(shí)時(shí)渲染優(yōu)化、立體視覺(jué)顯示等是支撐拓展現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的重要技術(shù)，亦可用于其他行業(yè)。在本文的系統(tǒng)基礎(chǔ)上，提出數(shù)個(gè)值得研究的應(yīng)用方向，以支持設(shè)計(jì)研發(fā)、運(yùn)行維護(hù)、人才培養(yǎng)等工作。

5.1 虛擬協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)

通過(guò)進(jìn)一步研究頭戴式顯示器設(shè)備開(kāi)發(fā)及無(wú)線串聯(lián)技術(shù)，在現(xiàn)有立體顯示終端的基礎(chǔ)上加入多臺(tái)VR頭盔，組建大空間多人沉浸式協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)，通過(guò)數(shù)據(jù)同步，用戶將共享同1 個(gè)虛擬空間，以第一人稱視角合作完成參數(shù)修改、附件拆裝等功能，并及時(shí)看到反饋結(jié)果；其他用戶可使用Power Wall 屏幕前以第三人稱視角進(jìn)行評(píng)審，及時(shí)發(fā)現(xiàn)操作問(wèn)題并做出指示，基于頭戴式顯示器的協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)如圖14所示。

圖14 基于頭戴式顯示器的協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)

5.2 沉浸式評(píng)審工具

進(jìn)一步研究3 維結(jié)構(gòu)模型輕量化技術(shù)和立體顯示技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)通用的工業(yè)模型的沉浸式評(píng)審系統(tǒng)。研究的3 維結(jié)構(gòu)模型輕量化算法，可實(shí)現(xiàn)NX、CATIA等軟件所設(shè)計(jì)工業(yè)模型的快速轉(zhuǎn)換和處理。沉浸式顯示方面，傳統(tǒng)的2D 顯示屏無(wú)法展示深度信息，依賴人的經(jīng)驗(yàn)感知判斷對(duì)象遠(yuǎn)近，在工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，可能造成嚴(yán)重的誤解，導(dǎo)致延誤和返工。通過(guò)立體顯示技術(shù)、以及本文提出的可視化坐標(biāo)對(duì)齊技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)精確的模型結(jié)構(gòu)信息展示、實(shí)現(xiàn)研究成果進(jìn)行跨學(xué)科集成展示、審查，增加子項(xiàng)目之間的協(xié)同效率，降低研發(fā)階段的風(fēng)險(xiǎn)。

5.3 虛擬裝配培訓(xùn)系統(tǒng)

在本文平臺(tái)基礎(chǔ)上，結(jié)合行業(yè)裝配培訓(xùn)、發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)需求，可以進(jìn)一步開(kāi)發(fā)航發(fā)設(shè)計(jì)、制造、維護(hù)的沉浸式業(yè)務(wù)培訓(xùn)系統(tǒng)?？赏ㄟ^(guò)結(jié)構(gòu)分解、干涉檢查、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真等功能提升受訓(xùn)人員對(duì)結(jié)構(gòu)的理解；通過(guò)裝配工藝和人機(jī)工程模擬，進(jìn)行結(jié)構(gòu)裝配和維修分析，對(duì)裝配過(guò)程、維護(hù)過(guò)程操作進(jìn)行虛擬培訓(xùn)；通過(guò)支持管路和柔性線纜仿真，可以開(kāi)展發(fā)動(dòng)機(jī)管路和線纜的虛擬場(chǎng)景布線裝配培訓(xùn)。本平臺(tái)支持定制特定的發(fā)動(dòng)機(jī)建立專用的模型和裝配環(huán)境，開(kāi)發(fā)專門(mén)基于培訓(xùn)流程的可視化課件，配備全面的人機(jī)交互系統(tǒng)、考試評(píng)價(jià)系統(tǒng)。

5.4 虛擬教學(xué)系統(tǒng)

本文實(shí)現(xiàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬運(yùn)行系統(tǒng)采用3 維視景渲染技術(shù)，可通過(guò)沉浸式交互體驗(yàn)環(huán)境直觀形象地展示航空發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行原理和結(jié)構(gòu)方案，高逼真地展示各部件結(jié)構(gòu)特征和相互之間的連接關(guān)系，利用3 維可視化體驗(yàn)提升學(xué)生理解和接受能力。此系統(tǒng)包含實(shí)時(shí)控制和發(fā)動(dòng)機(jī)模型2 部分，通過(guò)聯(lián)合可實(shí)現(xiàn)虛擬運(yùn)行仿真?？蛇M(jìn)一步面向?qū)W生開(kāi)發(fā)部分控制器接口，拓展在線修改和更新運(yùn)行功能，用于檢驗(yàn)學(xué)生控制算法和控制邏輯的設(shè)計(jì)能力，提升學(xué)生在航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制專業(yè)的實(shí)踐能力和理解程度。

6 結(jié)論

（1）本文以自適應(yīng)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象開(kāi)展發(fā)動(dòng)機(jī)3 維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將3 維性能仿真結(jié)果進(jìn)行降維處理得到支持實(shí)時(shí)仿真的發(fā)動(dòng)機(jī)性能模型，將實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)與3 維結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行映射，通過(guò)3 維沉浸式實(shí)時(shí)渲染技術(shù)呈現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬運(yùn)行過(guò)程中的物理場(chǎng)分布，結(jié)合沉浸式交互硬件平臺(tái)形象逼真地展現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬運(yùn)行過(guò)程，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和性能模型的功能關(guān)聯(lián)和數(shù)據(jù)同步，達(dá)到了航空發(fā)動(dòng)機(jī)多學(xué)科、多物理量、多尺度聯(lián)合仿真效果。

（2）本文研究突破自頂向下參數(shù)化結(jié)構(gòu)建模及自動(dòng)化虛擬仿真表達(dá)技術(shù)、多維融合性能數(shù)據(jù)處理技術(shù)，以及系統(tǒng)模塊化協(xié)同仿真與實(shí)時(shí)魯棒控制技術(shù)，集成結(jié)構(gòu)、性能和系統(tǒng)數(shù)字樣機(jī)的多學(xué)科數(shù)據(jù)，通過(guò)信息自動(dòng)輕量化技術(shù)、實(shí)時(shí)高清渲染管線技術(shù)，打通數(shù)據(jù)傳輸障礙，實(shí)現(xiàn)了沉浸感強(qiáng)、逼真度高、操作響應(yīng)快的數(shù)字發(fā)動(dòng)機(jī)快速原型，可為下一步構(gòu)建航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字孿生體和開(kāi)展數(shù)字孿生技術(shù)研究提供基礎(chǔ)。