模型實時驅動的航空發動機沉浸式虛擬運行系統

楊佳利，曹文宇，姚 舜，劉 凱，謝鵬福，胡忠志

（清華大學航空發動機研究院，北京 100084）

0 引言

航空發動機是復雜的多學科集成動力裝置，涉及氣動熱力學、結構力學、燃燒學、傳熱學、控制理論等眾多學科，數字化轉型是實現技術發展模式變革，加速解決航空發動機卡脖子問題的關鍵技術途徑[1]。航空發動機試車具有危險度高、操作難度大、成本高等問題，使用實時高性能計算和虛擬現實等先進信息化技術，能夠縮短研發周期，節省研制成本。在《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035 年遠景目標綱要》中，虛擬現實技術被列入“建設數字中國”數字經濟重點產業[2]。

虛擬現實技術與工業相結合，具備高效、高性價比的優勢[3]。在航空航天領域，能夠實現航空發動機沉浸式設計，催生可視化智能展示技術，提高管理水平[4]。虛擬現實技術憑借成本低、仿真度高的特點已被廣泛應用[5]。RR 公司[6]在組裝最新的發動機組件時，使用虛擬現實技術協助員工工作，工程師將在虛擬環境下驗證所有組件擁有足夠空間和縫隙實現順序安裝，并可得到安裝過程的干涉警告；PW 公司[7]通過收集F119 渦扇發動機數據，創建物理部件的數字副本進行數字孿生研究，更加準確地預估部件壽命、改善機動性能，實現長期運行和維護成本的降低；俄羅斯聯合發動機制造集團[8]將虛擬現實技術融入發動機研制，已在蘇-57 戰斗機的發動機開發過程中應用，可有效降低開發成本，縮短產品研發周期；北京航空航天大學仿真中心[1]于2005 年引進高性能集群計算機系統和虛擬現實系統，推動了發動機向信息化、數字化發展；沈景鳳等[9]搭建了航空發動機半物理仿真試車系統，利用洞穴狀自動虛擬系統系統（Cave Automatic Virtual Environment，CAVE）實現試車數據3 維實時可視化；任浩男[10]對CFM56-7B 發動機進行建模，開發了1 套支持碰撞檢測的虛擬維修系統；高穎等[11]針對教學需求，研究數據手套交互、立體顯示技術，將虛擬現實技術用于課堂教學，達到了良好的教學效果。

上述研究將虛擬現實技術應用于航空發動機設計和研發過程中，有效提高了工作效率和質量，驗證了虛擬現實技術在航空發動機研發過程中的重要作用。然而，由于虛擬現實技術在航空發動機工程應用的研究案例較少，相關研究工作主要局限于單一學科信息傳遞，存在系統功能較為單一、拓展性和兼容性較弱，不能滿足實際工程應用過程中多學科信息融合、實時仿真渲染的需要。此外，畫面逼真度作為虛擬現實系統沉浸感的重要指標之一[12]，在上述案例中也少有探討。

本文主要介紹了模型實時驅動的航空發動機沉浸式交互虛擬運行系統的組成及研究過程中的關鍵技術。在實現該系統功能基礎上，面向教學培訓、維修驗證的行業需求，提出系統未來升級方案及研究方向。

1 總體設計

本文設計的虛擬運行系統，面向航空發動機設計的實際需求，用于展示和驗證自適應變循環發動機原理、先進性和綜合性能，同時使用虛擬現實技術設備提高用戶沉浸感。整體方案設計效果如圖1 所示，采用操控臺和立體顯示屏幕的組合方案。其中操控臺是系統的運算中心，配備狀態顯示屏、實體油門桿；立體顯示屏幕是視覺輸出和人機交互的主要設備，支持立體顯示技術、配備動作捕捉硬件。部署完成后，用戶通過操控臺油門桿輸入接口操控發動機運行狀態，實現發動機起動、加減速、加力、模式切換等功能，并實時查看各狀態性能參數；立體顯示屏幕提供3 維沉浸式視覺效果，1∶1 呈現發動機結構、運行狀態的物理場數據。采用基于從外向內追蹤[13]技術的動作捕捉設備，沉浸式人機交互如圖2 所示。用戶可以隔空操作虛擬空間中的3 維對象，實現漫游、模型剖切等功能，觀察內部運行狀態、拆裝發動機部件。

圖1 整體方案設計效果

圖2 沉浸式人機交互

虛擬運行系統包括發動機氣動熱力性能實時仿真模型、全包線實時控制器、3 維結構模型、3 維視景顯示系統、操控臺等部分。虛擬運行系統模塊關系如圖3 所示。操控臺通過油門操縱桿給出發動機運行指令，操控軟件通過以太網將發動機指令發送給發動機實時控制器，其根據油門桿指令信號和傳感器反饋信號，通過控制計劃和控制策略計算得到各部件控制指令信號，發動機性能模型仿真計算機根據各部件控制信號和當前工作狀態，計算得到最新的截面參數和發動機狀態，其數據可用于傳感器信號模擬和3 維視景顯示，同時實時記錄相關仿真數據。

圖3 虛擬運行系統模塊關系

2 發動機實時仿真軟件

2.1 發動機性能實時模型

發動機氣動熱力性能模型用于表征發動機對象特性的動力學模型，以發動機控制指令和飛行條件為輸入，根據發動機當前的運行狀態，計算和更新下一時刻的狀態變化，輸出發動機轉速、各特征截面狀態、內部狀態和響應推力等信號。其中，發動機可測信號包含轉速、總溫、總壓等，給至發動機實時控制器，用于實現發動機閉環控制功能；有些非可測信號，如空氣流量、流場溫度和壓力等信號，給至視景仿真系統，用于實時渲染。發動機動力學模型建模方法流程如圖4 所示。根據各部件特性參數、變量平衡約束關系計算下一時刻狀態變化值。為保證發動機模型的收斂，首先對模型的輸入進行保護，防止因錯誤的輸入變化導致模型出現異常。模型計算中，迭代參數為：壓氣機增壓比、風扇增壓比、高壓渦輪落壓比、低壓渦輪落壓比。將迭代參數代入部件氣路關系（圖4）中，根據風扇特性、高壓壓氣機特性、高壓渦輪特性、低壓渦輪特性、燃燒室總壓恢復系數特性與燃燒效率特性、外涵道總壓恢復系數特性、加力與噴口段總壓恢復系數特性計算發動機的起動和加減速過程。

圖4 發動機動力學模型建模方法流程

2.2 發動機控制方案

變循環發動機的調節變量多，工作狀態復雜，單個調節變循環發動機的幾何部件，只能提升發動機某一方面的性能，而其他方面有可能下降。所以單靠調節單個幾何部件無法有效進行模式切換，需要多個變幾何部件協調來實現模式切換從而最大可能的發揮其潛在性能。同時，控制過程中保證發動機在單、雙涵模式之間安全、可靠地切換，確保發動機運行狀態在安全邊界范圍內的基礎上，滿足發動機的推力與耗油率要求，同時性能變化的動態特性如超調量、波動等滿足要求。

結合未來先進飛行器飛推綜合控制、直接推力控制的需求[14]，發動機控制方案采用在線性能綜合尋優控制策略，實時調節發動機工作模式和運行狀態。發動機控制系統研究方案如圖5 所示。根據飛行器飛控系統發來的推力需求和飛行狀態，以及飛行員給定的發動機工作模式，通過機載模型實時運算和在線尋優算法，計算得到模式切換控制指令、加減速控制指令和喉道調節控制指令，通過具體的模式切換控制算法、加減速控制算法和喉道調節控制方案實現具體的控制功能，產生實際控制指令信號，給至發動機各控制部件，如涵道引射器、模式選擇閥門、導葉調節機構、喉道調節機構、燃油計量裝置等。另外，在發動機基礎控制功能之上，采用變循環航空發動機實時機載模型、基于卡爾曼濾波器的涵道比、推力以及耗油率等狀態參數估計方法、喘振裕度估計、多變量控制器設計以及過渡態控制器設計等關鍵技術進行發動機控制性能提升和優化。

圖5 發動機控制系統研究方案

2.3 發動機3維結構模型

本文所用的ACE 發動機3 維結構模型采用了整機參數化結構建模技術路線，可根據外界輸入實現結構自動更新流程，支撐自頂向下的設計迭代活動，實現建模過程中與設計體系、設計流程的交互和融合。

發動機結構從方案設計到具有合理結構需要反復迭代，需要考慮在系統工程中應用的先進建模方法。在方案設計階段，通過自頂向下的整機骨架模型的控制，根據性能要求進行整體布置、確定各部件的尺寸和裝配關系。復雜可調結構構型和參數化建模工作是3 維結構建模的核心關鍵內容，為后續的運動學仿真和優化、動態干涉檢查的快速迭代提供基礎。

根據工程化結構建模要求，采用結構建模的規范和標準，整機參數化結構建模技術路線如圖6 所示。將整機建模分為3 層，各層之間通過技術打通，滿足上層對下層的控制和關聯，實現面向不同層次設計分析的結構參數化架構。通過二次開發，根據結構設計規則和約束，建立結構樣機骨架模型的幾何參數關系式，可以實現發動機參數的自動調整，從而滿足高效設計和結構修改。為滿足快速整機結構更新要求，建立結構模型云儲存和參數交互的平臺運行模式，實現整機結構更新小于1 h的目標。

圖6 整機參數化結構建模技術路線

針對有限元仿真結果與結構模型融合的可視化需求，為實現局部仿真結果與整機坐標對齊功能，本文提出了空間自動對齊方法：部件3 維結構模型導出時記錄相對坐標信息，仿真完成后，利用該信息與整機結構精準對齊。有限元分析可視化自動對齊方法如圖7 所示。采用此技術路線，局部結構導出時以整機為參照，在局部坐標系下記錄模型移動、旋轉、縮放信息，有限元分析結束后，通過圖像處理器渲染工具對仿真結果進行可視化轉換，空間對齊算法讀取坐標信息，通過變換矩陣將可視化結果對齊到整機上顯示。以燃燒室部分有限元分析結果和結構的對應效果為例，燃燒室應力仿真可視化效果如圖8 所示。使用點云將計算結果對齊到整機坐標，能實現清晰、動態的可視化效果。

圖7 有限元分析可視化自動對齊方法

圖8 燃燒室應力仿真可視化效果

2.4 3維視景渲染系統

3 維視景系統提供高逼真度、流暢的視覺效果。由于視覺內容由發動機性能仿真數據實時驅動，不能使用預渲染動畫，因此采用實時渲染方案。根據系統要求，需實現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。本文采用實時渲染引擎作為開發平臺，通過專業加速處理模塊進行實時渲染能力評估，測試了不同模式下的渲染效能，不同渲染策略對運行流暢度影響見表1。其中高精度模式注重還原結構模型精度，面數達4.6億，材質和光影配置較低，幀率達不到沉浸式系統要求；平衡模式結構精度較高，且保留了所有裝配節點；高清渲染模式降低了渲染面數，采用了高清渲染管線，同時對裝配節點數適當優化，實現了畫面效果和流暢度之間的平衡。

表1 不同渲染策略對運行流暢度影響

為提升3 維結構模型渲染流暢度，對3 維結構模型進行優化處理，充分利用圖形硬件的三角形繪制加速功能，使用鑲嵌細分算法將3 維結構模型數據生成近似的Mesh 網格。通過優化設計參數，可將場景整體面數降低至3 千萬，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%。為進一步提升渲染流暢度，研究了實時渲染優化技術，提出了一種“基于相似對象的動態合批”的渲染方法[15]，在程序運行時動態優化，將處于同一級別葉片進行塌陷，有效降低Draw Calls 值（繪制調用）[16]，在面數不變的情況下可將幀率提升至120 fps左右。

為實現3 維視景渲染的模型驅動和數據映射功能，在數據可視化方面，通過撰寫程序腳本對性能實時仿真數據包進行接收、解析，并實時驅動3 維結構模型。以內涵道為例，首先根據涵道構型在建模軟件中制作面片網格，使用紋理工具確保模型紋理橫向展開；撰寫Shader文件，當程序運行時讀取性能數據，驅動上述參數，可實現轉子的轉動過程模擬和流體的溫度場、壓力場可視化，內涵道性能可視化效果如圖9所示。

圖9 內涵道性能可視化效果

為進一步提高渲染真實感，表現航空發動機材質紋理，采用了可編程渲染管線和基于物理的渲染技術對發動機表面材質進行精確定義。表面參數信息存儲在2D 紋理中，通過紋理坐標映射到發動機部件表面，實現在1 個部件上表達多種質感的效果。在光線反射方面，使用光線追蹤技術會帶來噪點和大量計算性能開銷，難以滿足系統使用需求。本文采用了空間反射與探針結合的方式為金屬材質提供反射信息。在渲染幀繪制完成后，使用后期堆棧方法，如顏色校準、曝光控制、環境光遮蔽及動態模糊等，對場景的整體畫面進行優化。在正確設置材質、反射及后期堆棧后，渲染效果得以大幅提升。技術優化前后的渲染效果對比如圖10所示。

圖10 技術優化前后的渲染效果對比

3 沉浸式交互硬件方案

3.1 立體顯示設備及人機交互設備

采用Power Wall作為主要的顯示、交互設備，由2部分組成：LED立體顯示系統及ART動作捕捉設備。

傳統2D 顯示屏幕只能顯示單目畫面，用戶無法通過雙目匯聚及視差感知結構上的深度信息[17]。常用的立體顯示技術有基于主動快門、紅藍色差、偏振等方式，其中紅藍色差、偏振技術會導致畫面偏色或損失清晰度，不符合系統要求。主動快門技術[18]則是基于高刷新率屏幕，交替顯示左右眼畫面，配合快門眼鏡依次顯示單眼信息，使用戶產生立體視覺效果，支持多人同時觀看。

采用的LED 立體顯示系統支持NVIDIA 3D Vi?sion 技術，采用上述主動快門方式交替顯示左右眼的視差畫面，在用戶戴上配套的快門眼鏡后，即可看到清晰的立體視覺效果。

ART 紅外動捕套件負責用戶動作數據捕捉、識別，主要包含8個紅外探頭、Fly Stick 手柄、數據手套，能夠在3m×4m×2.5m（長×寬×高）的空間內精確捕捉用戶頭部及手部位置、接收按鈕指令。ART主機會將采集的數據保存為字符串，通過UDP 協議廣播發送。3 維視景軟件根據協議解析出各追蹤點的位置、旋轉信息，便可以在虛擬空間中定位坐標，實現用戶通過自然手勢操作虛擬對象的交互功能。

3.2 虛擬運行操控臺

虛擬運行操控臺是發動機氣動熱力性能仿真和實時控制運算、發動機運行數據可視化、用戶指令輸入的主要設備。虛擬運行操控臺外觀如圖11 所示。采用琴式設計方案，安裝了3 個顯示屏幕，分別顯示飛行儀表界面、操控軟件界面、3 維預覽界面。臺面安裝油門桿和推力矢量控制桿，用于接收操作人員輸入指令。油門桿和推力矢量控制桿的信號，通過操控軟件傳至實時控制器，用于實時計算分析、仿真與控制等功能。

圖11 虛擬運行操控臺外觀

4 虛擬運行系統集成與測試

虛擬運行系統總體集成方案構架如圖12 所示。根據航空發動機性能設計結果建立發動機性能實時仿真模型，模擬發動機運行過程，通過發動機控制計劃和控制律設計實現實時控制功能，油門桿和推力矢量控制桿用于接收人機交互輸入信號，3 維視景顯示系統用于實現發動機結構和運行效果的沉浸式體驗。

圖12 總體集成架構

本系統已完成測試并投入使用，虛擬運行模式下，以仿真機為源節點，每10 ms發送1次實時運算結果，用于驅動3 維模型、數據可視化模塊，用戶可通過上位機、油門桿、推力矢量桿實時控制發動機運行，并對運行狀態進行評審。

經測試，實現了流暢、細節精確的航空發動機整機渲染效果，具體表現為：刷新率70 幀（立體模式）或120 幀（非立體模式）；分辨率為3840×1890，總渲染面數超過3000 萬。用戶戴上立體顯示眼鏡后，能看到的3 維立體發動機效果，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 應用方向及展望

系統初步實現了航空發動機數字孿生的快速原型，其中3 維結構模型文件輕量化、性能數據實時仿真、3 維視景實時渲染優化、立體視覺顯示等是支撐拓展現實應用的重要技術，亦可用于其他行業。在本文的系統基礎上，提出數個值得研究的應用方向，以支持設計研發、運行維護、人才培養等工作。

5.1 虛擬協同設計系統

通過進一步研究頭戴式顯示器設備開發及無線串聯技術，在現有立體顯示終端的基礎上加入多臺VR頭盔，組建大空間多人沉浸式協同設計系統，通過數據同步，用戶將共享同1 個虛擬空間，以第一人稱視角合作完成參數修改、附件拆裝等功能，并及時看到反饋結果；其他用戶可使用Power Wall 屏幕前以第三人稱視角進行評審，及時發現操作問題并做出指示，基于頭戴式顯示器的協同設計系統如圖14所示。

圖14 基于頭戴式顯示器的協同設計系統

5.2 沉浸式評審工具

進一步研究3 維結構模型輕量化技術和立體顯示技術，以實現通用的工業模型的沉浸式評審系統。研究的3 維結構模型輕量化算法，可實現NX、CATIA等軟件所設計工業模型的快速轉換和處理。沉浸式顯示方面，傳統的2D 顯示屏無法展示深度信息，依賴人的經驗感知判斷對象遠近，在工業生產環節中，可能造成嚴重的誤解，導致延誤和返工。通過立體顯示技術、以及本文提出的可視化坐標對齊技術，可實現精確的模型結構信息展示、實現研究成果進行跨學科集成展示、審查，增加子項目之間的協同效率，降低研發階段的風險。

5.3 虛擬裝配培訓系統

在本文平臺基礎上，結合行業裝配培訓、發動機維護需求，可以進一步開發航發設計、制造、維護的沉浸式業務培訓系統?？赏ㄟ^結構分解、干涉檢查、機構運動仿真等功能提升受訓人員對結構的理解；通過裝配工藝和人機工程模擬，進行結構裝配和維修分析，對裝配過程、維護過程操作進行虛擬培訓；通過支持管路和柔性線纜仿真，可以開展發動機管路和線纜的虛擬場景布線裝配培訓。本平臺支持定制特定的發動機建立專用的模型和裝配環境，開發專門基于培訓流程的可視化課件，配備全面的人機交互系統、考試評價系統。

5.4 虛擬教學系統

本文實現的發動機虛擬運行系統采用3 維視景渲染技術，可通過沉浸式交互體驗環境直觀形象地展示航空發動機運行原理和結構方案，高逼真地展示各部件結構特征和相互之間的連接關系，利用3 維可視化體驗提升學生理解和接受能力。此系統包含實時控制和發動機模型2 部分，通過聯合可實現虛擬運行仿真?？蛇M一步面向學生開發部分控制器接口，拓展在線修改和更新運行功能，用于檢驗學生控制算法和控制邏輯的設計能力，提升學生在航空發動機控制專業的實踐能力和理解程度。

6 結論

（1）本文以自適應變循環發動機為研究對象開展發動機3 維結構設計，將3 維性能仿真結果進行降維處理得到支持實時仿真的發動機性能模型，將實時運行數據與3 維結構模型進行映射，通過3 維沉浸式實時渲染技術呈現發動機虛擬運行過程中的物理場分布，結合沉浸式交互硬件平臺形象逼真地展現航空發動機虛擬運行過程，實現發動機結構、系統和性能模型的功能關聯和數據同步，達到了航空發動機多學科、多物理量、多尺度聯合仿真效果。

（2）本文研究突破自頂向下參數化結構建模及自動化虛擬仿真表達技術、多維融合性能數據處理技術，以及系統模塊化協同仿真與實時魯棒控制技術，集成結構、性能和系統數字樣機的多學科數據，通過信息自動輕量化技術、實時高清渲染管線技術，打通數據傳輸障礙，實現了沉浸感強、逼真度高、操作響應快的數字發動機快速原型，可為下一步構建航空發動機數字孿生體和開展數字孿生技術研究提供基礎。