[发明专利]一种带有力/触觉反馈的虚拟现实飞机座舱系统

说明书

本发明公开了一种带有力/触觉反馈的虚拟现实飞机座舱系统，即用头盔显示器、运动跟踪传感器及力/触觉反馈系统，代替常规飞行模拟器实物座舱及操纵机构，以虚拟现实技术为人机交互方式而构造的飞行模拟器。本发明虚拟现实飞机座舱系统，由计算机和相应的虚拟现实接口设备组成，采用基于网络的分布式结构，以计算机作为计算节点，不同计算节点之间通过网络进行通信；通过运动跟踪传感器采集运动数据，以头盔显示器作为视觉反馈设备输出虚拟场景，力/触觉反馈系统为用户提供真实的力/触觉反馈。与传统的飞行仿真器相比，该系统体积较小，成本较低，在结构和功能上有较强的柔性，且能实现较好的力/触觉反馈体验，进而获得更好的沉浸感和交互性。

技术领域

本发明属于虚拟现实领域，尤其涉及虚拟仿真飞机座舱领域，是一种带有力/触觉反馈的虚拟现实飞机座舱系统。

背景技术

飞行模拟器是对飞行员进行训练的主要工具，可缩短训练周期，降低训练成本，提高训练安全性。因此，对飞行模拟器的研究具有重要意义。

传统的全任务飞行模拟器采用大屏幕投影和1：1实物座舱，舱内设备(如控制面板、操纵机构等)均采用与真实座舱尺寸、外形一致的实物，飞行员可直接对其进行操控。此类飞行模拟器功能强大，逼真度高，但体积庞大、结构复杂，且不同型号的飞机需配备不同的模拟器。

虚拟现实飞机座舱以虚拟现实技术作为人机交互方式，用头盔显示器和运动跟踪设备取代了常规飞行模拟器的实物座舱及操纵机构，大大减小了占地面积，精简了结构，且在结构以及功能上具有较强的柔性。但同时也牺牲了力/触觉交互，不能获得较好的沉浸感和交互性。

南京航空航天大学研发的半虚拟现实座舱方案是按照“眼见为虚，手摸为实”原则构建的模拟座舱，取消舱内用于显示的部件实物，采用头盔显示器作为立体显示设备，但可触摸操作的部分均保持1：1的实物，为用户提供力/触觉反馈。该方案仍存在体积较大、灵活性不佳的问题，没有突出虚拟现实飞机座舱的优势。

美国国防部下属的STRICOM主持研发的基于TOPIT(Touched Objects PositionedIn Time)技术的虚拟座舱系统，其中力/触觉反馈由TOPIT技术实现。该方案是在用户面前设置一个机械系统，上面装有不同类型的控件(如按钮、旋钮、拨钮)，每一个控件可代表虚拟座舱中所有同类型的控件。在用户进行操作时，通过伺服系统将相应的控件送至用户操作的目标位置，提供力/触觉反馈。该方案可简化控制面板和操纵机构，且可通过改变软件模拟不同的种类的控制面板，但该机械系统体积仍较大，且控件的运动范围是一个平面，无法实现三维空间中的交互。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种带有力/触觉反馈的虚拟现实飞机座舱系统，保持虚拟现实飞机座舱轻便、灵活性强的优点，同时获得较好的力/触觉体验。

本发明带有力/触觉反馈的虚拟现实飞机座舱系统，为计算机、虚拟现实接口设备和人构成的三层人机闭环系统。

计算机采用基于网络的分布式结构，采用两台，分别为综合控制计算机与图像渲染计算机。综合控制计算机负责运动数据的处理、力/触觉反馈机构控制、飞行动力学解算和系统的通信与同步；图像渲染计算机用于虚拟场景的计算与渲染。

虚拟现实接口设备用于实现虚拟环境与人的连接，包括头盔显示器、运动跟踪传感器与力/触觉反馈系统。运动跟踪传感器包括头部运动跟踪传感器和手部运动跟踪传感器，采集用户的运动数据，送入计算机进行处理；头盔显示器将计算机生成的虚拟场景进行三维输出，为用户提供视觉反馈；力/触觉反馈系统包括机械臂、滑轨和控制器，机械臂底座安装在滑轨上，末端执行器带有一个装有不同类型控件的简化的控制面板，用于给用户提供力/触觉反馈。