航空電子系模擬器專題
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第一章
模擬器概述
第二章
模擬器簡史
第三章
模擬器系統架構
第四章
模擬器產業分析與認證
第五章
結論

   
影片區
參考資料

 

第三章  模擬器系統架構

3.1主計算機分系統

3.2視效分系統(包含影像產生器系統及顯示系統)

3.3音效圖像分系統

3.4輸出入介面控制分系統

3.5模擬座艙分系統

3.6控制力感分系統

3.7動感平台分系統

3.8教官台分系統

3.9模擬軟體分系統

                                                         模擬器系統架構圖

        

 

3.1主計算機分系統   <back>

主計算機系統在模擬器裡扮演著核心的角色,它的工作包含了提供即時模擬的環境、模式模擬數學計算、輸出入訊號處理、網路傳輸等。其中最重要的是即時(Real-Time)系統的建立,即時系統大體可分為兩類:硬即時(hard real time)系統和軟(soft real time)即時系統。硬即時系統須保證關鍵工作在一定的時間內能夠完成,否則對系統會有負面的影響;軟即時系統對時間的要求就沒有這麼嚴苛,萬一工作沒有在一定的時間內完成,它還是有部分價值,軟即時系統主要的要求為重要行程的優先權須高於其他行程。即時管理系統負責各項工作時間的排程,對於飛行模擬器而言,工作包含了飛操模組、氣動力模組、次系統模組、軍電模組、及視效音效驅動模組等。

    軍事用途的模擬器在真實度上的要求比一般電玩類的模擬器來的嚴格,所以對於主計算機在計算方面的性能需求諸如計算精確度及即時度等要求也相對地特別高。因此,以往在籌建模擬器時為降低風險,大部分都採用高價位且具即時

系統之伺服器當作模擬器的主計算機,但此作法卻造成以下之缺點:

–訓模器之造價成本居高不下

–硬體通路不普及,每年需支付原製造廠可觀的維護費

–硬體後續擴充性及零備件之取得完全操之於原製造廠商

為此發展個人電腦相關之模擬關鍵技術,並整合成以個人電腦為平台之訓模器是必走的路。 

    綜觀現今市場上的個人電腦,在硬體上的支援無庸置疑已可滿足,但除硬體外,模擬器的主計算機更重視全系統在長時間運作的穩定性與即時性。因主計算機乃為模擬軟體的運算中心,每個模擬軟體實際上是個週期性的處理且大部分是以時間當作積分運算的基底。當模擬軟體的個數增多,每個週期內要處理的軟體量勢必增大,Content Switch的次數也跟著增加。假如系統無法立即提供充分的CPU處理時間給模擬軟體反而耗費太多的系統負擔在處理Content Switch及Interrupt Handler的話,經過長時間後,所累積下來的時間延遲將會造成模擬軟體計算發散,嚴重的話會導致系統當機,這方面則端視所使用的作業系統環境。 

大多數個人電腦都是微軟系列的作業系統,而微軟系列的作業系統種類眾多,每一種作業系統皆有其優缺點及功能。最大的詬病為核心程式不公開,當當機時使用者無法輕易debug系統核心問題之所在。此外,模擬器的主計算機屬於CPU-Bound的系統,如果作業系統本身為即時,則可以滿足此需求;如果不是,則希望系統除核心程式的處理外其他GUI及I/O程式的處理都能避免,以讓CPU可以全力執行模擬軟體。但微軟的作業系統除核心外包裝太多GUI軟體層,據記憶體及CPU等系統資源,此外另有延遲處理中斷程序機制使得重要的中斷無法即時反應。諸如上述種種的限制,使得個人電腦運用在模擬器的主計算機依舊困難重重。 

  •  但自從Linux商業化後,這種作法已經慢慢改觀,主要是Linux沿襲大型電腦UNIX作業系統的核心標準,此標準具有以下的特色,且這些特色已經過全球不少使用者反覆測試驗證。 

  •  穩定度

  •  強大的網路功能

  •  可信賴的系統效能

  •  強大且獨特的系統功能

  •  免費或低成本的軟體開發工具(如各種編譯程式C/C++、Fortran、Java….)

  •  多樣化的應用程式(Application)

  •  安全性

  •  開放的設計

  •  多功能且無所不在

  •  叢集架構 

因此,在Linux的個人電腦上開發即時模擬環境,將是模擬器主計算機系統發展的趨勢。

 

3.2視效分系統 <back>

視效系統正如模擬器的眼睛,給予學員在操作飛行器時的一切視覺上的效果,藉由視覺接收外界訊息的狀況來對當時情境作正確的判斷,達到模擬訓練的實際用意,正因為飛行操作皆仰賴飛行員觀看外部視野、儀錶指示的資訊,所以模擬器的擬真程度,大部分決定於視效系統所呈現出的逼真程度,而在有限的經費、硬體設備、以及當時科技能力,要使視覺環境完全達到真實的情況並不容易,視效系統也因此有各種不同的設計。

3.2.1視效系統架構 

系統架構如圖3-2-1所示:

3-2-1視效系統架構

當系統啟動時,主計算機提供場景、環境條件以及訓練課目等等條件,當視效系統接受到訊息之後,藉由影像產生器(Image Generator),找尋並取得所需要的場景資料庫來產生當時的視覺條件,然後由顯示畫面將視覺效果給予學員,然後藉由學員的反應動作,回傳給主計算機,然後視效系統在藉由所得到的資料更改顯示畫面資料。

3.2.2影像資料庫 

若要產生影像視覺畫面,首先需要有各種環境的模組,例如:地形地貌、敵機、地面目標物、起降機場等等,給予飛行員的參考資訊與標的,作為任務執行的憑藉,而場景環境模組以3D立體物件型態建立,使得飛行時,對於場景與學員當時的相對位置改變而變化,產生擬真的效果,而環境模組的變化參考下列三圖:

                     3-2-2立體物件之表面變化建立

                              

                     3-2-3加入表面型態之立體物件

                               

                

                       3-2-4立體物件模組建立完成

              

先以各個多邊型來完成物體表面的變化,然後再以該物件外貌型態之變化貼在表面上,最後去除多邊型之線條,完成物件模組的建立。 

而物體距離飛行員的遠近,會產生視覺上辨識能力的不同:

  •  遠距離:可辨識-有無物體、物體大小、顏色等。

  •  中距離:可辨識-建築物、飛機、人、汽車等。

  •  近距離:可辨識-軍營、戰鬥機、警察、休旅車等。

所以在模組的建立上,也有考慮辨識能力的效果而定出解析程度(Level of detail)如以下三圖:

                        3-2-5 IDF經國號戰機-低解析度

                

                     

3-2-6 IDF經國號戰機-中解析度

                

                

                        3-2-7 IDF經國號戰機-高解析度

                

而座艙儀錶指示畫面屬於2D平面顯示,如圖3-2-8:

              

3.2.3影像產生器(Image Generator)

影像產生器的主要功能是對應當時模擬的場景,在各種環境的模組中選取適當的資料,並加入對當時環境與劇情的改變參數,變化出情境視覺表現,圖3-2-9說明天候環境情況的改變所造成的不同現象,正常機場環境模組(下方),加入霧濃度的變化,產生可視成度的改變(左、右兩個不同的情況);圖3-2-10主要在說明顯示模式的不同產生的不同效果,以不同觀察方式所呈現的視覺效果,其中左圖為正常坦克環境模組,右圖為紅外光熱感應攝影的視覺效果;圖3-2-11的例子是場景進行時,狀況的改變影響顯示結果,其中左圖為正常大砲模組,右圖為大砲損毀模組;以上這些畫面都需要藉由影像產生器的工作來完成。

                 圖3-2-9天候變化對於可視能力的變化

 

       圖3-2-10不同顯示環境之視覺效果,一般模式(左)與IR模式(右)

 

 

       圖3-2-11動作改變之視覺效果,一般模式(左)與損毀模式(右)

 

3.2.4顯示方式

模擬器的顯示方式由於真實情況的不同、經費、當代科技與環境空間大小等等不同的需求,而有不同設計與構型,列舉如下:

  a.  顯示器-種類繁多,主要以CRT顯示器,頭戴顯示器(圖3-2-12)、單槍、三槍投影器

      (圖3-2-13)、液晶顯示器為主,其中投影器又可分為正投式與背投(圖3-2-14)式兩種。

3-2-12 頭戴顯示器

                

                  

     

                     圖3-2-13 投影機-三槍(左)、單槍(右)

    

      

 

  

                    圖3-2-14 投影機-背投式(左)、正投式(右)

        

    

b.  投影型式-球體螢幕(圖3-2-15)、弧形螢幕、碟型螢幕(圖3-2-16)、多面投射式(圖3-2-17)

   等等。

 

                                                 3-2-15球體螢幕

 

     

3-2-16球體螢幕

                  

  

                                圖3-2-17球體螢幕

   

    視效系統提供飛行任務時之飛行員外部目視環境之合成影像,圖像均隨著飛機運動而即時運算,由三個固定視窗(前方、兩側廣角)投射器將影像投射至弧形螢幕,產生仿真視效,整個視效系統架構圖如圖3-2-18

   

                         圖3-2-18、視效系統架構圖

 

3.3音效圖像分系統   <back>

    音效系統可模擬產生引擎、氣流、警告聲等各種不同環境聲音效果,及模擬無線電通訊與機內通話等功能。 圖像系統用以產生顯示各種符號、圖形、數據在模擬座艙儀表或教官台之多種顯示器上(如抬頭顯示器HUD、多功能顯示器MFD、模擬雷達等)。

3.4輸出入介面控制分系統   <back> 

         輸出入介面控制分系統負責執行主計算機與各分系統間之訊號處理、轉換與傳輸。

3.5模擬座艙分系統   <back>

   模擬座艙分系統,為飛行學員接受模擬訓練時最密不可分的模擬器分系統,有些乘員艙裝置在動感平臺上,有些乘員艙則直接放置於地面,艙內包含電力,空調,液壓,氣壓以及訊號線路等設備。

    座艙內部的設計,通常依據所模擬的飛機機種進行仿真製作,包含飛機的機身,座椅,飛行儀表,控制盒,操縱桿,及其他控制機構。儀表為飛行模擬座艙內部重要的元件,其製作技術與控制技術為模擬器發展的重要領域。

                         圖3-5-1、模擬座艙

                
            

 

3.6控制力感分系統    <back>

   真實飛機在飛行時,會因不同速度、高度、地表等因素影響,而使得在各種飛形狀態下感受不同操作反作用力,例如可控制水平尾翼、襟翼之操縱桿,在飛機實際飛行時會因翼面本身之力矩,連桿的慣性力、氣動力所組成之力矩,及連桿與各轉軸的摩擦力等阻力,而反應至操縱桿;使得飛行員需施與不同力量來操控飛機;因模擬器本身並無相關飛機結構或氣動力存在,故需提供一可受控制之力量產生裝置,該裝置可模擬不同狀況下操縱桿之作用力,使飛行員感受真實飛機操縱力感,以獲得較佳之學習效果,提升模擬器之使用效益。

飛行模擬器力感系統在功能上可分為兩種,在一般小型飛機其氣動力對控制面所造成影響會傳至操縱桿而使操縱桿呈現不同反作用力,我們稱此種力感呈現方式為可回復(reversible)。

另一種為使用在大型飛機及部分軍機,其氣動力對飛機控制面所造成影響不會直接作用於控制桿,而是藉由連桿、扇形板、鋼繩、液壓致動器之伺服閥等傳動機構,所產生之反作用力直接施於操縱桿上,使飛行員並不會直接感受到飛機因姿態、速度變化後所產生氣動力對控制面之作用力,此種力感呈現方式稱作不可回復(irreversible)。

力感系統架構一般可如下圖表示

                                                    3-5-1、力感系統架構

   

    俯仰軸及滾轉軸連桿機構主要是連接操縱桿及致動器單元,在設計上須注意操縱桿活動範圍及與致動器輸出力量轉換比例,使操縱桿呈現實際系統力量感覺。致動器單元一般可按需求採用液壓系統或電動伺服馬達作為動力產生來源。

        力感控制電腦是系統核心,其主要功能可模擬實際系統在不同位置變化下之力量命令輸出,其控制信號經致動器單元處理後經連桿機構傳達至操縱桿。

       力感控制電腦本身亦具有網路傳輸介面可和主電腦或其餘監測、維護PC作連線提供系統修改或監測維護。

       力感系統目前發展均以電動伺服馬達作為其動力輸出設備,並結合數位控制方式減少類比控制所需介面設備,使系統具有彈性且容易維護。因此除了應用於飛機系統亦可使用於車輛、輪船、值升機等操縱系統、或娛樂用各式搖桿、健身運動器材。

 

3.7動感平台分系統    <back>

在模擬器系統中視效座艙內操控設備可提供動態感覺外,提供較佳動感模擬可將座艙系統、影像顯示系統、力感系統安置於動感平台上,而依實際狀態反應,控制此平台使其具有一至六個自由度運動功能,如此可將現實狀況之動態感覺完完全全模擬出來。

動感平台因其位移、轉動空間及動態反應受限,無法做出無限空間之運動,而卻可使人產生錯覺來源主要為人體感知系統受下列三項影響

    a. 視覺系統

    b. 前庭系統:耳內部感覺器官(圖3-7-1)

           半規管(semicircular canals)感應頭部的角速度變化

           橢圓囊和球囊 (utricle & saccule),也稱為耳石器感知重力、直線加速度

    c. 自體感受系統 :人的身體活動所產生之感覺

    在視覺系統、自體感受系統可由視效系統及座艙系統來提供真實系統感覺,而速

度、位置變換感覺,就可由動感平台系統來做模擬。

 

                               圖3-7-1  耳朵構造

                                   

平台在設計上可能因系統需求不同型態亦不同,但其組成均包含下列三項

     a.    致動器系統:提供平台動力來源,主要可為伺服電動馬達系統、液壓系統、

                                    氣壓系統。

     b.    承載平台機構:作為支撐相關設備及提供一至六個自由度活動之機械結構。

      c.    控制軟體:模擬真實系統動態行為藉以提供控制命令驅動平台。

        在飛行模擬器一般其動感表現上,均會採用具有六個自由度【平台上下(heave)、平台前後(surge)、平台左右(sway)、平台俯仰(pitch),平台滾轉(roll),平台偏航(yaw)】之運動平台,其六軸平台系統基本架構如圖3-7-1。

                          圖3-7-1    六軸動感平台

                     

以表現飛機飛行時各種姿態所給於操作者之動態感覺。其系統架構如圖3-7-2

                          3-7-2 動感平台架構

      
 

平台控制電腦涵蓋了控制軟體及網路介面軟體(提供外界系統與平台系統溝通)。

        動感平台系統在動力來源以往均採氣壓或油壓系統,後因伺服電動馬達技術上改進,使得平台負載設計若在8噸以下,均會採用伺服馬達控制技術,使系統較簡單及較佳動態控制。整個平台亦可使用於車輛、輪船、值升機等操縱系統、或娛樂用動感電影系統。

3.8教官台分系統     <back>

   教官台是模擬器的監控制中樞,其目的為監看飛行學員的操作、判斷訓練成效及下達各項模擬指令獲致適切模擬環境。由於可以提供很多方式記錄飛行參數資料以為後續研究分析使用,使得模擬器能在任何天候(颱風、雷雨、暴風雪)任何時間(晨曦、黃昏、夜晚)完成即時模擬,戰術演練以及支援新機研發等多項目標。

     教官台軟體之主要功能在於提供對模擬環境之操作、設定與監控,在硬體裝備上主要由數台個人電腦組成,並透過Ethernet與主計算機連線進行資料傳遞。PC均可執行相同之操作顯控程式並可提供狀態顯示功能(模擬操作、狀態顯示、工程分析),依IP位址之不同,僅其中一台可執行選項設定。操作之教官僅需熟悉視窗環境之基本操作,即可透過滑鼠或鍵盤來進行各項設定。

                           圖3-8-1 教官台主要功能

     

                                                    圖3-8-2 教官台

          

3.8.1教官台的各項功能

a.設定各種飛行起始狀況。

b.環境天候設定。

c.武器酬載與油量補充。

d.視效環境設定。

e.失效模擬功能設定。

f.目標機種類選擇及操作。

g.飛行參數凍結功能。

h.飛行課目過程錄放影功能。

I.飛行課目過程倒帶重置功能。

j.正常操作程序教學。

k.緊急操作程序教學。

l.飛機目標機快速移位功能。

m.單球獨立運作或雙球整合運作之控管。

n.敵我分類功能。

o.UHF無線電通訊塔台及頻道設定。

p.資料上鍵(Data Up Link)控管功能。

q.進場管制(ILS/GCA)監看功能。

r.三度空間鳥瞰圖監看功能。

s.全軟體模擬運作或硬品迴路整合模擬運作之控管

t.飛航區管制監看功能。

u.重要參數及時記錄繪圖及監看功能。

v.飛機運動監看功能。

w.武器命中分析判定。

x.試飛重現監看功能。

3.9模擬軟體分系統   <back>

        由於模擬器是一架 "軟體飛機" , 完全由數學模式來代替各實體功能。

   應用模擬軟體系統架構 如下(包括的軟體模組)

     •飛行動力模擬:

        •六自由度運動方程式

        •氣動力模式 - 氣動力方程式、 氣動力數據

        •衡重模式 - 燃油消秏、武器發射、 起落架收放

        •地面反應模式 - 地面摩擦、輪子煞車力、鼻輪轉向、重落地

        •大氣模式

    •飛機主系統模擬:

        •飛操系統 - 數控飛操電腦、整合大氣數據電腦、  感測器元件 (攻角儀、陀螺

                                儀、  加速儀)、制動器系統

        •引擎系統 - 引擎控制單元 (ECU)、 整合動力系統 (IPS)、引擎模式、引擎數據

    •飛機次系統模擬:

        •氣動力煞車系統

        •電子系統

        •燃油系統

        •起落架及煞車系統

        •液壓系統

        •環控系統

        •鼻輪操縱

        •警告燈、注意燈系統

    •空電系統模擬:

        •核心空電系統 - 任務電腦、顯示處理器、多功能顯示器、抬頭顯示器

    •感測系統 - 雷達、雷射慣性導航          

    •通訊導航辨識系統 - 超高頻通訊、太康、 資料連結 ( 上鏈 )、 敵我辨識

    •武器系統 - 機砲控制、 拋投控制、飛彈介面、雷達導引飛彈

    •防禦系統 - 反制拋投系統、雷達預警系統

         •控制單元 - 手控遙桿及油門閥、網路介面單元

  •目標機系統模擬:

     •空中目標機 - 各型飛機 

     •空中目標機控制模式 - 監控台搖桿控制、智慧型控制、自動飛行控制、固定軌跡

                                                 飛行、錄存軌跡飛行 

      •空中目標機火控裝備 - 機砲、 紅外線導引飛彈、雷達導引飛彈

      •地面移動目標 -

          •地面移動目標種類 - 各型坦克、戰艦、卡車

          •地面移動目標控制模式 - 監控台搖桿控制、固定軌跡移動

      •地面固定目標 -

          •地面固定目標種類 - 地對空飛彈基地、地對空防砲基地、橋樑、 油庫、工廠、

                                               卡車車隊、 靶場

          •地面固定目標火控設施 - SAM6、SAM8、SAM9、AAA

      •環境系統模擬:

          •擾流模式 - 引用美國軍規標準大氣擾流模式模擬

          •音效系統 - 引擎聲、機砲飛彈發射聲、地面反應聲等各種音效模擬

          •振動座椅 - 模擬飛行員所感受到的動態反應

       •毀機條件 - 超 "G" 、撞山、撞地、被目標機擊毀、起飛降落不當等各種毀機條件

     •環境效應 - 溫度、壓力、風、陣風擾動、地表高度調整等

     •模擬系統介面控制:

         •資料傳輸讀取

         •硬體驅動

     •教官監控台功能

         •控制功能/ 排序

         •監看功能

         •資料存錄

         •鍵盤操作

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