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训练系统的飞行器模型设计与实现

张沫  
【摘要】:随着时代的发展,逐渐庞大的数据量早就超过了人力所能分析的范围。可视化技术便应运而生,它将数据以图形的形式展示给受众。现在,在诸多学科中都能看到三维可视化技术的身影。本训练仿真系统便运用到此技术,它能帮助飞行员在仿真环境下进行训练,从而提升飞行员的应变能力与在各种环境下的掌控能力。更重要的是,这种模拟训练仿真软件相较于其他训练方法,具有成本低、仿真效果好、见效快等优势。 本训练系统以真实项目需求为背景,实现了战斗机及其环境的三维可视化要求,并最终在FlightGear上呈现。系统能够对飞行器的操控迅速作出反应,并对操作过程进行全程监控,同时能够根据训练时取得的飞行参数和脑力负荷评价参数,对使用者进行飞行评价。 本文作者使用三维制图软件完成了对飞行器的建模。现在主流的三维建模软件有:3Dmax,Blender与AC3D制图软件。由于AC3D软件功能强,操作简单,故本文使用其对飞行器进行建模。作者使用顶点,曲面,纹理等基本元素对建模对象进行操作,并依据飞机的真实图片对飞行器制作了相应的纹理贴图。同时,为了让仿真效果更佳真实,此飞行器独到的使用了三段式尾焰。在建模过程中,作者对飞行器的每一个对象单独给予了一个唯一的全局名称,用以在后文为飞行器动作的定义做准备。 接下来作者实现了飞行器进行加载。首先通过定义主配置文件Aircraft-set.xml文件来制定飞行器模型、声音模型、场景模型。并根据需要的效果,为飞行器制定飞行动力学模型并调整主配置文件中各部分的参数。飞机飞行动力学模型(FDM)的作用是决定在整个软件中系统如何对飞机飞行进行仿真。由于本训练仿真系统对参数正确性,和仿真的效果要求较高,故选择了在各种飞行条件下仿真结果都是准确的JSBSim动力学模型。最后,作者定义了飞行器相关动作。定义飞行器动作就必须先要定义各种属性。FlightGear中的属性以树状结构呈现。属性树通过一种非常直观的树状层次结构的访问方法去访问低级别的运行的时状态变量。而飞行器动作定义的代码,全部在aircraft.xml配置文件中。在FlightGear支持的多种仿真飞行动作中,主要选择了两种旋转类型,无阴影,选择动作类型共四种。为了完成最终飞行器三段式尾焰动作,作者对焰心,内焰,外焰动作都做了具体设计。同时作者完成了飞行器起落架,舱门的动作实现。 本文使用了FlightGear软件中支持的Nasal脚本语言,通过自定义函数,设置监听器等手段对仿真效果进一步细化。在FlightGear中,有预先设置的各种视角。视角定义了视点在视野中的位置,并能够追踪或者聚焦于任何一个眼睛看见的物体。在整个系统开发过程中,经常出现飞行器偏移,视角偏移的情况,通过参数的定义,设置与修改,作者完成了对飞行器的校正。常见有两种类型的偏移,但是只有一种被使用到编写视角配置当中。作者通过定义LookFrom,LookAt视角,修正偏移量,使得飞行器在操作中任意视角都正常。这些偏移变量都放在aircraft-set.xml文件中。 文章最后作者借用多学科优化思想,利用学科间耦合关系的相关算法,进一步设计和优化飞行器模型。 本训练系统,依据需求完成了在FlightGear软件上进行三维视景生成。同时证明了系统依据不同需求做出相应的调整是完全可行的,效果是令人满意的。


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