一种用于舰载机飞行员训练损伤评估的三维虚拟仿真系统及仿真方法

摘要

本发明公开了一种用于舰载机飞行员训练损伤评估的三维虚拟仿真系统及仿真方法，三维虚拟仿真系统包括：硬件平台，底层支撑模型库，数据管理模块，生物力学仿真模块，三维虚拟视景模块和后处理模块。三维虚拟仿真方法包括：数据管理模块接收用户输入的数据和配置参数；并将配置参数管理传递给生物力学仿真模块和三维虚拟视景模块，得到生物力学仿真数据再分别传递给后处理模块和三维虚拟视景模块，开展三维虚拟视景仿真并保存结果；综合对比三维虚拟视景仿真数据以及生物力学仿真数据，向用户展示分析飞行员的训练损伤评估结果。解决了传统实验研究的不可重复性和高风险性的缺点，具有高效率、可重复性和低成本的特点。

说明书

技术领域

本发明属于计算机仿真应用技术领域，具体涉及一种用于舰载机飞行员训练损伤评估的 三维虚拟仿真系统及仿真方法。

背景技术

目前，舰载机飞行员所面临的复杂飞行环境及对飞行员生理健康的影响日益凸显，例如， 航母舰载机起降距离较短，使得在起降过程中作用在飞行员脊柱系统和视觉系统的载荷，与 普通飞机飞行员相比明显增大，会增加飞行员头颈部和视觉的损伤风险。由于人体是一个非 常复杂的系统，舰载机飞行员在复杂起飞、着舰和机动飞行时，飞行员损伤部位的损伤机理 及防护措施的效果，仅靠实验手段和临床研究无法得到全面的认识，而且目前飞行员训练损 伤评估还缺少有效的分析平台。

目前，国内已有的舰载机视景仿真工作集中在对舰载机着舰和起飞过程的视景仿真研究， 但是缺少对飞行员训练相关内容的关注。

比如，文献1：李航.2012.航母舰载机着舰视景仿真研究[D].哈尔滨工程大学，从舰载 机着舰过程的位姿和着舰点分布两个方面进行分析，利用基于三维视景软件MultiGenVega 和三维建模软件MultigenCreator的视景仿真技术完成了虚拟场景的搭建和模型的建立工作， 对舰载机着舰钩索制动和复飞两个过程开展了视景仿真研究。

文献2：李娟,边信黔,夏国清,王宏健.2008.基于HLA的舰载机飞行仿真可视化研究[J]. 系统仿真学报,20(9):2352-2356；和文献3：李娟,边信黔,夏国清,王宏健.2008.舰载机飞 行仿真可视化研究[J].计算机仿真,25(2):294-298；基于HLA的体系结构和基于成员的设计 思想，利用MultiGenCreator、MultiGenVega和VC++开发了虚拟现实仿真平台，实现了舰载 机飞行仿真全过程的可视化。

文献4：梁焕.2010.基于MultiGenVega的舰载机降落视景仿真[D].哈尔滨工程大学； 是基于MultiGenVega开展了舰载机降落飞行数据处理和降落过程的三维视景仿真。运用 MultiGenCreator的各种图形工具，以Creator的层级结构，完成了对舰载机、航空母舰及地 形的建模和纹理的使用，通过读入飞机位置、速度等参数，对舰载机、航空母舰和海洋环境 等进行实时驱动。通过场景、观察者、运动模型对象的设置及引入碰撞检测，由控制程序实 现舰载机飞行、降落和复飞过程的视景仿真。

文献5：杨大光,胡维多,曹栋,刘畅,孙晨.2012.舰载机着舰视景系统设计与实现[J]. 系统仿真技术与应用,14:495-450；是基于Creator/GLStudio/VegaPrime实现了舰载机视景系 统的视景数据库、座舱平显仪表的开发。

以上文献中软件的缺点在于都只能展示舰载机飞行过程的视景，无法显示飞行员的视景， 也无法展示飞行员的动力学响应，无法进一步评估飞行员的损伤情况。

发明内容

本发明针对上述缺点，提出了一种用于舰载机飞行员训练损伤评估的三维虚拟仿真系统 及仿真方法。

一种用于舰载机飞行员训练损伤评估的三维虚拟仿真系统，包括六个模块：硬件平台， 底层支撑模型库，数据管理模块，生物力学仿真模块，三维虚拟视景模块和后处理模块。

硬件平台包括计算机组件、显示组件和网络交换机，用于支撑该三维虚拟仿真系统的运 行并提供用户接口，方便舰载机飞行员训练单位通过用户接口使用三维虚拟仿真系统。

底层支撑模型库包括虚拟视景仿真几何模型和生物力学仿真几何模型，其中虚拟视景仿 真几何模型包括航空母舰模型、舰载机模型，座椅模型、飞行员模型和服装背带模型，为三 维虚拟视景模块提供模型；生物力学仿真几何模型根据实际舰载机飞行员人体真实尺寸构建， 包括人椅背带模型、心肺模型和视觉系统模型，为生物力学仿真模块提供模型；底层支撑模 型库根据实际装备和训练人员使用情况设定。

数据管理模块接收用户输入的数据：给定载荷和生物力学仿真配置参数，以及三维虚拟 视景配置参数；并将给定载荷和生物力学仿真配置参数管理传递给生物力学仿真模块，得到 生物力学仿真数据再分别传递给后处理模块和三维虚拟视景模块；同时将三维虚拟视景配置 参数传递给三维虚拟视景模块，并保存三维虚拟视景仿真结果。

生物力学仿真模块，对给定载荷和生物力学仿真配置参数进行几何建模，并调用有限元 分析程序开展生物力学仿真，包括人椅背带约束系统仿真，心肺系统生物力学仿真，以及视 觉系统生物力学仿真，输入给定载荷，获取生物力学仿真数据：飞行员各个部位的姿态和变 形数据。

三维虚拟视景模块包括三维视景渲染组件和虚拟环境模型，虚拟环境模型包括海洋模型、 天空模型和辅助性元素。通过调用并控制底层支撑模型库中的虚拟视景仿真几何模型，按照 生物力学仿真数据运动与显示，得到关于飞行员各个部位的姿态和变形数据的三维虚拟视景 仿真，并保存到数据管理模块。

后处理模块对生物力学仿真数据进行显示、绘制曲线和对图形进行视频渲染，得到关于 飞行员各个部位的姿态和变形数据的数值和图表。

最后，通过综合研究三维虚拟视景仿真数据以及生物力学仿真数据，向用户展示分析飞 行员的训练损伤评估结果。

一种用于舰载机飞行员训练损伤评估的三维虚拟仿真方法，具体步骤如下：

步骤一、启动舰载机飞行员训练损伤评估的三维虚拟仿真系统；

步骤二、用户向数据管理模块输入给定载荷和生物力学仿真配置参数，后传递给生物力 学仿真模块；

步骤三、生物力学仿真模块依据生物力学仿真配置参数进行有限元仿真，得到生物力学 仿真数据；

生物力学仿真模块调用底层支撑模型库中的生物力学仿真几何模型，并开展生物力学仿 真分析，对生物力学仿真配置参数进行有限元仿真，具体包括，人椅背带约束系统仿真，心 肺系统生物力学仿真，以及视觉系统生物力学仿真，得到飞行员各个部位的姿态和变形数据；

步骤四、飞行员各个部位的姿态和变形数据经过数据管理模块，传递给三维虚拟视景模 块和后处理模块；

飞行员各个部位的姿态和变形数据均保存为数据格式、图形格式和视频格式；如果数据 管理模块中已经保存了上次开展生物力学仿真分析后的数据，直接读取离线的生物力学仿真 配置参数和飞行员各个部位的姿态和变形数据。

步骤五、三维虚拟视景模块开展三维虚拟视景仿真；

步骤501、用户输入三维虚拟视景配置参数，并调用底层支撑模型库的虚拟视景仿真几 何模型；

步骤502、三维虚拟视景模块调用生物力学仿真配置参数和飞行员各个部位的姿态和变 形数据，得到飞行员的姿态信息；姿态信息包括躯干角度、颈部角度等。

步骤503、对飞行员的姿态进行视景展示，显示三维虚拟视景仿真的飞行员各个部位的 姿态和变形数据。

步骤六、后处理模块开展结果分析，得到飞行员各个部位的姿态和变形数据的数值和图 表。

采用文本脚本模式配置数据结果和对应的执行程序；后调用数据管理模块，读取要展示 的数据结果，包括数值结果、静态图片、动态曲线图和视频，进行分析。

步骤七、综合对比三维虚拟视景仿真结果以及生物力学仿真数据，向用户展示分析飞行 员的训练损伤评估结果。

本发明较现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

(1)一种用于舰载机飞行员训练损伤评估的三维虚拟仿真系统，能够针对舰载机各个 飞行阶段进行高精度有限元数值分析和可视化视景仿真，解决了传统实验研究的不可重复性 和高风险性的缺点，具有高效率、可重复性和低成本的特点。

(2)一种用于舰载机飞行员训练损伤评估的三维虚拟仿真系统，具有高可靠性，良好可 扩展性，要提供足够的接口和操作界面，能够方便利用本系统开展更多的生物力学问题研究。

(3)一种用于舰载机飞行员训练损伤评估的三维虚拟仿真系统，易用性好，系统的调整、 使用简单易行，用户操作界面直观，操作过程简捷，手册完整齐全，经短时培训即可操作使 用。

(4)一种用于舰载机飞行员训练损伤评估的三维虚拟仿真方法，可以用于再现舰载机飞 行员在不同飞行阶段可能面临的冲击过程，评估对应的过载损伤及其危害，为我国舰载机飞 行员的科研和训练工作提供可靠的理论指导。

附图说明

图1为本发明用于舰载机飞行员训练损伤评估的三维虚拟仿真系统的平台架构示意图；

图2为本发明用于舰载机飞行员训练损伤评估的三维虚拟仿真系统的数据传递示意图；

图3为本发明一种用于舰载机飞行员训练损伤评估的三维虚拟仿真方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

一种舰载机飞行员训练损伤评估的三维虚拟仿真系统，如图1所示，包括六个模块：硬 件平台、三维虚拟视景模块，生物力学仿真模块，后处理模块，底层支撑模型库和数据管理 模块。

其中，硬件平台是整个三维虚拟仿真系统研究工作顺利开展的必要条件，包括计算机组 件、显示组件和网络交换机。

计算机组件包括一台控制和图形服务器，以及两台数值计算服务器；

其中，控制和图形服务器作为主控计算机，选用戴尔高性能工作站，用于模型的建立、 网格划分等有限元前处理任务，实现系统控制界面和视景软件运行平台，接受输入数据和计 算服务器的结果，并控制有限元计算和视景实现；配备高性能专业图形卡，通过运行相应的 视景仿真程序，载入高逼真度模型，生成所需视景。视景场景包括海洋、舰船、飞机、设备 和人员等实体，白天、黑夜、云、雾、雪等气象景象以及驾驶舱内景等。

数值计算服务器作为客户端，选用戴尔高性能工作站或者具有类似性能的设备；用于实 施数值仿真计算任务，能实现三维有限元数值仿真技术和用于后期结果的动态后处理，以及 结果的动态显示等任务，客户端根据实际情况需要进一步扩展来提升有限元仿真能力。

主控计算机和客户端均安装有限元分析软件和后处理软件，采用两种运行方式：1)多机 独立或者并行，开展有限元仿真计算和结果显示；2)由主控机启动或者单独使用；

网络交换机分别与主控计算机和客户端之间对应电通信连接，用于传递控制指令、数据 结果和系统状态信息，并连接到显示组件。

显示组件包括4台液晶显示器，其中两个显示器用于显示三维视景；另外两个普通显示 控制台界面和数值模拟结果等内容，包括以下界面：总体控制界面；三维视景界面；两个有 限元仿真与结果分析界面，其中第一有限元仿真与结果分析界面显示：总体飞行结果；以及 人椅背带约束系统的建模与仿真结果；第二有限元仿真与结果分析界面显示：心建模与仿真 结果，肺建模与仿真结果，以及视觉系统生物力学仿真结果；

三维虚拟视景模块和生物力学仿真模块是本系统的核心，接受来源于数据管理模块的生 物力学仿真配置参数和三维虚拟视景配置参数，并调用来源于底层支撑模型库的各类模型， 实现三维虚拟视景仿真结果的展示和生物力学仿真分析，并将仿真结果数据传递给数据管理 模块；

三维虚拟视景模块采用商业飞行虚拟现实软件VegaPrime对整个过程进行再现，直接调 用底层支撑模型库中的虚拟视景仿真几何模型模型，将所建舰载机模型、座舱模型、座椅模 型、飞行员背带模型和航空母舰模型导入到虚拟现实软件VegaPrime中，且将多体动力学分 析软件ADAMS仿真得到的数据输入到虚拟现实软件VegaPrime中，定义各模型的运动。开 发多窗口现实子系统，实现全视野与局部视野的同时显示，其中全视野用来现实飞机着舰等， 局部视野用来显示人体在约束系统下的运动过程。

生物力学仿真模块首先将底层支撑模型库中的生物力学仿真几何模型导入多体动力学和 有限元分析软件中，以典型舰载机工况下的飞机运动参数为边界条件，运用动力学分析的方 法计算在拦阻着舰过程中飞行员身体各部位的过载。再分别开展各子系统建模与仿真：

1)人椅背带约束系统的建模与仿真，采用底层支撑模型库中的人椅背带模型，导入有限 元前处理器中对人体进行网格划分，得到飞行员的有限元模型。考虑到计算仿真时将座椅当 做不变形体，因此只建立座椅的表面结构，将座椅利用网格划分软件hypermesh软件的前处 理子系统进行网格划分。进一步利用飞机在拦阻着舰过程中的过载曲线，开展人椅背带约束 系统在舰载机典型工作状态下的人体-座椅-背带系统动力学响应研究。

2)视觉系统生物力学仿真，采用视觉系统模型，通过扫掠方式将几何模型生成纯粹的六 面体网格，进一步利用人椅背带系统分析得到的眼部过载曲线，开展舰载机典型工作状态下 的视觉系统响应研究。

3)心肺系统生物力学仿真，采用心肺系统模型，划分四面体网格，根据文献中可查阅到 的器官力学材料属性参数建立有限元模型，同时设立肺与周围组织之间的牵拉和约束关系。 再综合考虑心肺内固体组织和内部血液特征，以赋予粘弹性材料的方式对肺部模型进行细化 建模。最后用有限元分析软件ANSYS计算心肺在拦阻着舰情况下的结构变形，及心肺内应 力应变分布，分析肺内不同部位出现损伤的可能性。

后处理模块利用各类后处理软件将获得的研究成果以数据、曲线、图形或视频的方式展 示。后处理子系统则显示系统分析过程中的各类飞行数据、飞行员动态响应数据和同步显示 人体各个系统(背带、视觉、心肺等)的生物力学仿真的数据文件、静态图片、动态曲线和 视频等数据结果；

底层支撑模型库包括虚拟视景仿真几何模型和生物力学仿真几何模型，其中虚拟视景几 何模型包括航空母舰模型、舰载机模型，座椅模型、飞行员模型和背带模型，为三维虚拟视 景模块提供模型；生物力学仿真几何模型则包括人椅背带模型、心肺模型和视觉系统模型， 为生物力学仿真模块提供模型；底层支撑模型库用于管理系统用到的各类虚拟视景几何模型 和有限元几何模型。

虚拟视景几何模型则要高逼真度再现视景场景。航空母舰模型以辽宁航母外形为基础， 基于三维建模软件Creator建立其三维几何模型，包括完整的船体、甲板表面和舰桥三个主要 部分模型的外形特征和基本尺寸将按照网络公开的辽宁舰母的相关参数基本一致。

舰载机模型则以某机型外形为基础，基于三维建模软件Creator建立其三维几何模型；

座椅模型依据某型弹射座椅的外观尺寸进行建立，座面宽度、深度、高度，椅背高度、 头靠高度等参数均与实际座椅一致。部分难以测量的参数则参照相关的军标，如开放角、座 面角、背靠角、头盔支持面与背切面距离等进行设置。

飞行员模型和服装背带模型则参考我国实际飞行员尺寸和座椅约束来建立。

生物力学仿真几何模型则需要进一步考虑其开展生物力学仿真研究的用途，复杂的三维 模型可以很好的描述物体的几何正确性，但是对于生物力学仿真分析而言，考虑仿真速度和 精度，更需要有针对特定问题的进行适当调整和简化。

人椅背带模型中背带的外观尺寸根据假人的姿态以及体面形状来建立，使用逆向工程软 件RapidForm建立三维模型和约束模型，并在织带和假人体表之间保持1-2mm的间距。

视觉系统模型中眼眶几何模型来源于真实人的CT图像，眼球结构部分是根据正常人的数 据进行了简化。

心肺模型先根据解剖学特征，建立心肺及周围组织(胸廓、气管和膈肌)等的简化几何 模型，在保证模型与正常人体参数的成年男性器官尺寸基本一致的基础上使模型尽可能简单。

数据管理模块则用于在各个模块之间传递数据；

如图2所示，用户向数据管理模块输入给定载荷和生物力学仿真配置参数，以及三维虚 拟视景配置参数；给定载荷来源于舰载机训练实测数据；将给定载荷和生物力学仿真配置参 数传递给生物力学仿真模块开展分析，生物力学仿真模块调用生物力学仿真几何模型，进行 生物力学仿真，得到生物力学仿真数据经数据管理模块再分别传递给后处理模块和三维虚拟 视景模块；

三维虚拟视景模块根据三维虚拟视景配置参数，调用三维虚拟视景仿真几何模型，对生 物力学仿真数据进行三维渲染，得到飞行员各个部位的姿态和变形数据的三维视景；

同时后处理模块对生物力学仿真数据进行数据显示、曲线绘制和图形视频渲染，得到关 于飞行员各个部位的姿态和变形数据的数值和图表。

舰载机飞行员训练单位通过对三维虚拟视景仿真模块和后处理模块所展示的结果，结合 舰载机飞行员医学专家的意见，进行分析对比，得到舰载机的飞行员损伤评估分析，将损伤 情况反馈给训练组织和管理部分，建议其调整训练参数，避免飞行员受到进一步的训练伤害； 否则表明当前训练参数对于飞行员而言是适合的，可以进一步评估飞行员的训练效果。

一种用于舰载机飞行员训练损伤评估的三维虚拟仿真系统实现的功能如下：

1)能实现舰载机起降过程的视景仿真，能创建优化的高仿真度的实时三维模型用于视景 仿真，能够创建定制特殊及真实的视景内容和综合环境，能够在多台显示器上进行连续一致 的渲染，能够同时显示不同视角的视景；

2)三维虚拟视景仿真与生物力学有限元仿真分开，根据飞行轨迹和仿真获取的飞行员姿 态信息，配合航母运动实现场景视景仿真，同步显示数值仿真得到的数据结果；

3)三维虚拟视景几何模型均按照我国实际机型和飞行员人体数据为原型设计，逼真度要 求高，细节丰富，美观，突出重点；

4)人体、座椅和背带的生物力学仿真模型均依据我国实际机型和训练飞行员人体数据为 依据设计。

一种用于舰载机飞行员训练损伤评估的三维虚拟仿真方法，包括以下四个环节：采用实 验获取的飞行过程真实过载数据，开展载荷传递过程的数值分析，飞机飞行过程中的视景仿 真，数据结果的同步可视化再现，综合评估飞行员过载损伤；

如图3所示，具体步骤如下：

步骤一、启动舰载机飞行员训练损伤评估的三维虚拟仿真系统；

步骤二、用户向数据管理模块输入给定载荷和生物力学仿真配置参数，后传递给生物力 学仿真模块；生物力学仿真配置参数包括仿真步长和仿真时间；

步骤三、生物力学仿真模块依据生物力学仿真配置参数进行有限元仿真，得到飞行员各 个部位的姿态和变形数据；

首先、生物力学仿真模块调用底层支撑模型库中的生物力学仿真几何模型，具体包括： 人椅背带约束系统模型，心肺系统生物力学模型，以及视觉系统生物力学模型。

然后、生物力学仿真模块开展生物力学仿真分析，对生物力学仿真配置参数进行有限元 仿真，具体包括，人椅背带约束系统仿真，心肺系统生物力学仿真，以及视觉系统生物力学 仿真，得到飞行员各个部位的姿态和变形数据；

针对仿真步长，满足500步为达到预期控制参数，结束仿真；针对仿真时间，满足4S为 达到预期控制参数，结束仿真；

步骤四、飞行员各个部位的姿态和变形数据以及生物力学仿真配置参数经过数据管理模 块，传递给三维虚拟视景模块和后处理模块；

飞行员各个部位的姿态和变形数据均保存为数据格式、图形格式和视频格式；如果数据 管理模块中已经保存了上次开展生物力学仿真分析后的数据，直接读取离线的生物力学仿真 配置参数和飞行员各个部位的姿态和变形数据传递给数据管理模块。

步骤五、三维虚拟视景模块对飞行员各个部位的姿态和变形数据以及生物力学仿真配置 参数开展三维虚拟视景仿真；

步骤501、用户输入三维虚拟场景配置参数，调用底层支撑模型库，读取虚拟视景仿真 几何模型的数据；包括航空母舰模型，舰载机模型、飞行员模型和服装背带模型；

步骤502、三维虚拟视景模块调用数据管理模块，读取生物力学仿真配置参数和飞行员 各个部位的姿态和变形数据，得到飞行员的姿态信息，姿态信息包括躯干角度、颈部角度等

步骤503、结合虚拟视景仿真几何模型和飞行员的姿态信息开始视景展示，得到三维虚 拟视景仿真的飞行员各个部位的姿态和变形数据。

步骤六、启动后处理模块，对生物力学仿真配置参数和飞行员各个部位的姿态和变形数 据，开展结果分析。

首先，对生物力学仿真配置参数和飞行员各个部位的姿态和变形数据，采用文本脚本模 式显示对应的内容和程序；然后，调用数据管理模块，读取需要展示的数值结果、静态图片、 动态曲线图和视频，进行分析。

步骤七、根据步骤五和步骤六的结果对比，用户评估损伤情况；

根据损伤结果反馈到第二步修改模型参数继续开展仿真及后续评估。

本发明用于舰载机飞行员训练损伤评估的三维虚拟仿真系统综合了视景仿真技术和生物 力学有限元仿真技术，通过开展有针对性的生物力学有限元仿真和视景再现，能够模拟出舰 载机飞行员训练过程的真实物理环境和力学环境，以综合直观的方式反馈飞行员实时响应， 及时评估飞行员可能遭受的物理损伤和损伤积累，实现了飞行训练和生理医学评估的结合， 强化了对训练过程的设计和训练结果的分析，有利于提升训练水平，改进训练方式。同时， 本发明能够促进未来舰载机飞行员训练过程的数字化管理和标准化实施，对我国舰载航空事 业的进一步发展有着十分重要的现实意义。

以上所述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。