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1．引言

自20世紀9O年代以來，以計算機仿真技術、多媒體技術和虛擬現(xiàn)實技術為特征的“虛擬仿真實驗室”開始在世界各地出現(xiàn)，并逐步滲透到教學領域。作為一種新型的實驗教學手段，虛擬仿真教學對傳統(tǒng)的教學手段產(chǎn)生了強烈沖擊，并引發(fā)了教學領域一系列深刻的變化。種種跡象表明，虛擬仿真教學將是今后實驗教學改革的一個重要發(fā)展方向。本文結合多年來在航空電子裝備教學中應用虛擬仿真技術的經(jīng)驗，探討在航空電子裝備教學軟件中應用虛擬仿真技術的方法和體會。

2．虛擬仿真技術簡介

虛擬仿真技術是對虛擬現(xiàn)實技術和系統(tǒng)仿真技術的合稱。

2．1虛擬現(xiàn)實技術

虛擬現(xiàn)實技術就是利用三維建模技術，構建一個與現(xiàn)實世界的物體和環(huán)境相同或相似的虛擬三維場景，并能響應用戶的輸入，根據(jù)用戶的不同動作做出相應的反應。虛擬現(xiàn)實的關鍵技術主要有動態(tài)環(huán)境建模技術、實時三維圖形生成技術、立體顯示和傳感器技術等。虛擬現(xiàn)實技術主要側重于對真實物體物理特征的仿真，也稱為視景仿真，它主要用于產(chǎn)品設計與展示、商業(yè)廣告、游戲設計等。

在航空電子裝備教學中，大量用到對裝備的外觀、結構、組成、連接、機安裝位置的展示，傳統(tǒng)教學大都采用實物展示的方法。近年來隨著大量航空電子裝備的更新?lián)Q代，因受經(jīng)費、場地及使用壽命等因素的限制，傳統(tǒng)教學方法已遠遠不能滿足要求，而采用虛擬現(xiàn)實技術的展示方法則以其廉價、無場地限制和效果良好得以廣泛應用。

目前有大量成熟的軟件平臺可以進行視景仿真的開發(fā)，主流平臺CreatorVegaVegaPrimeVTreeOPENGVSQUEST3DVRTOLLSEON、WEB3D、JAVA3D、GLStudio等。其中，MULTIGEN公司的虛擬現(xiàn)實數(shù)據(jù)庫OPENFLIGHT已經(jīng)成為了工業(yè)標準，在軍事、航空航天等領域應用都比較成熟。在航空電子裝備虛擬仿真軟件的開發(fā)中我們采用rVegaPrime、GLStudio和EON作為視景仿真開發(fā)的技術平臺，解決物理模型的創(chuàng)建、場景顯示等問題。該平臺可以達到照片級的視景仿真效果．同時采用嵌入OPENGL技術來解決物理模型的交互問題。

2．2系統(tǒng)仿真技術

系統(tǒng)仿真技術是伴隨著計算機技術的發(fā)展而逐步形成的一門新興學科．它通過建立實際系統(tǒng)的數(shù)學模型，利用計算機運算來達到對被仿真系統(tǒng)的分析、研究、設計等目的。系統(tǒng)仿真技術主要側重于對真實系統(tǒng)的內(nèi)在機理、運動方式的仿真，也稱為行為仿真。系統(tǒng)仿真技術最初主要用于航空、航天、原子反應堆等價格昂貴、周期長、危險性大實際系統(tǒng)試驗難以實現(xiàn)等少數(shù)領域，后來逐步發(fā)展到電力、石油、化工、冶金、機械等一些主要工業(yè)部門，并進一步擴大到社會系統(tǒng)、經(jīng)濟系統(tǒng)、交通運輸系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)等一些非工程系統(tǒng)領域。

在航空電子裝備教學中，對裝備工作原理的講解既是重點也是難點。傳統(tǒng)教學方法主要通過教員的講述，配合一些靜態(tài)的圖形幫助學員理解．教學效果主要依賴于教員的授課水平和技巧。近年來．我們嘗試將系統(tǒng)仿真技術應用到航空電子裝備教學中，根據(jù)被仿真裝備的工作原理，建立系統(tǒng)的數(shù)學模型，并根據(jù)裝備的不同工作狀態(tài)，對模型進行動態(tài)運行．結合虛擬現(xiàn)實技術實現(xiàn)的逼真場景．較好地模擬實際裝備的工作情況。利用該技術開發(fā)、研制的教學軟件不但可供教員教學使用．也可供學員自學，并達到了較好的教學效果。

目前，有許多成熟的系統(tǒng)仿真開發(fā)平臺軟件．如Simulink、SystemView等，這些軟件以其功能強大和使用方便、易用性受到廣大用戶歡迎．但價格較為昂貴，且大多未提供對外的仿真數(shù)據(jù)接口．仿真系統(tǒng)應用的靈活性、擴展性和可變性受到很多限制。當然也可自行開發(fā)適用的仿真開發(fā)平臺軟件。在航空電子裝備虛擬仿真軟件的開發(fā)中我們采用的是自行開發(fā)的系統(tǒng)仿真平臺軟件。

3．虛擬仿真技術在航空電子裝備教學中的應用方法和步驟

3．1建立仿真模型

這里所說的仿真模型既包括反映航空電子裝備外觀、結構的三維物理模型，也包括揭示其內(nèi)在工作機理及行為的數(shù)學模型。對三維物理模型的建立，主要依據(jù)裝備本身的物理狀態(tài)，其原則就是在盡量減小面數(shù)的同時提高逼真度。對系統(tǒng)數(shù)學模型的建立，則需要視系統(tǒng)的復雜程度進行取舍和優(yōu)化，本著夠用為度的原則，以盡量減小運算量。建立數(shù)學模型時，還應考慮到系統(tǒng)運行時的參數(shù)調(diào)整。

3．2創(chuàng)建仿真裝備的虛擬場景并驅(qū)動

對于虛擬場景的驅(qū)動，根據(jù)使用方式的不同采用了不同的方式如果進行的僅是裝備外觀、結構的展示，可使用EON進行動作的編輯和驅(qū)動；如果需要對裝備進行虛擬操作仿真，則使用GLStudio軟件先進行操作面板、虛擬儀表的編輯和制作，然后再利用VegaPrime驅(qū)動以實現(xiàn)更復雜的交互操作。

3.3系統(tǒng)集成

系統(tǒng)集成就是將上述做好的模型、場景按照教學軟件所需的形式將其有機的整合在一起，使之成為_個完整的、規(guī)范的教學軟件。系統(tǒng)集成可以使用目前常用的軟件開發(fā)平臺如VB、vc++等。由于上述虛擬現(xiàn)實驅(qū)動軟件如EON、GLStudio及VegaPrime等均以ActiveX控件方式提供了可用于常用軟件開發(fā)平臺的運行插件，因此，系統(tǒng)集成變得十分方便。編寫程序時，只需考慮軟件功能的安排，注意程序間的兼容性即可。

系統(tǒng)集成時，還需要將系統(tǒng)行為仿真的結果通過視景仿真表現(xiàn)出來，即用行為仿真的數(shù)據(jù)來驅(qū)動三維物理模型的動作。由于系統(tǒng)行為仿真采用了專門的運行平臺，與視景仿真處于不同的系統(tǒng)進程中．因此這種驅(qū)動是通過兩進程間的實時通信來完成的。這里還需要考慮進程間的同步問題。

4．結語

虛擬仿真教學系統(tǒng)研制的目的是高質(zhì)量服務于教學。目前．我們已開發(fā)完成了“XXX型無線電羅盤虛擬仿真訓練系統(tǒng)”、“XXX型塔康機載設備虛擬仿真訓練系統(tǒng)”等多個航空電子裝備虛擬仿真教學系統(tǒng)軟件，并在教學實踐中投入使用，均取得了良好的效果。隨著虛擬仿真技術在教學中應用的不斷深入，必將帶來教學手段的。次質(zhì)的飛躍。