【正文】 工作組。尤其是像并行和分 布式仿真這樣的基礎(chǔ)技術(shù)，圍繞這個(gè)主題將就“仿真互操作性”展開行動(dòng)計(jì)劃。 （ 2） 90 年代我國(guó)開始對(duì)分布交互仿真，虛擬現(xiàn)實(shí)等先進(jìn)仿真技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)行研究，開展了較大規(guī)模的復(fù)雜系統(tǒng)仿真，由單個(gè)武器平臺(tái)的性能仿真發(fā)展為多武器平臺(tái)在作戰(zhàn)環(huán)境下的對(duì)抗仿真。有效的應(yīng)用于新型武器的研制，優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高武器系統(tǒng)性能；以及診斷并排除隱患和故障、提高型號(hào)研制質(zhì)量；大大減少實(shí)彈試驗(yàn)次數(shù)和試驗(yàn)數(shù)量，從而起到了縮短研制周期、節(jié)約研制經(jīng)費(fèi)、提高武器系統(tǒng)效費(fèi)比的巨大作用。通用航空作為航空領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，其技術(shù)含量高、產(chǎn)業(yè)鏈條長(zhǎng)，對(duì)地方經(jīng)濟(jì)拉動(dòng)性強(qiáng)， 對(duì)經(jīng)濟(jì)貢獻(xiàn)率大，對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整、 實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)、提升現(xiàn)代服務(wù)業(yè)綜合實(shí)力具有重要意義。 ，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展、低空域的逐漸開放，我國(guó)的航空事業(yè)已步入快速發(fā)展軌道，航空器數(shù)量逐步增加，當(dāng)前擁有航空器數(shù)量已達(dá)到 40余種 1000余架飛機(jī)，未來 5 至 10 年將增加到 10000 架左右，年增長(zhǎng)率達(dá) 30%。前沿技術(shù)是指高技術(shù)領(lǐng)域中具有前瞻性、先導(dǎo)性和探索性的重大技術(shù)，是未來高技術(shù)更新?lián)Q代和新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，是國(guó)家高技術(shù)創(chuàng)新能力的綜合體現(xiàn)。仿真系統(tǒng)不僅能節(jié)省更多的人力，物力資源，相對(duì)于飛機(jī)飛行的高能消耗，還能有效減少環(huán)境污染和噪音污染，而且可以將訓(xùn)練風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)降到零。視景仿真模型指視景仿真中所涉及到的所有模型結(jié)構(gòu)。 圖 Vega Prime 開發(fā)流程 開發(fā)流程主要包括： 1) 本體建模 構(gòu)造系統(tǒng)中所需要的三維模型。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該仿真系統(tǒng)包括一個(gè)逼真的虛擬環(huán)境，通過程序加載特定格式的飛機(jī)模型文件和地形模型文件進(jìn)行虛擬仿真。 三維視景仿真系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 根據(jù) Vega Prime 開發(fā)流程和系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，在 Visual C++環(huán)境下，集合 Vega Prime 提供的庫(kù)函數(shù)，開發(fā)飛機(jī)飛行三維視景仿真軟件，軟件結(jié)構(gòu)圖如圖 所示。座艙模塊主要在視點(diǎn)切換到座艙時(shí)使用，為了模擬真實(shí)的座艙效果，座艙內(nèi)應(yīng)包含飛機(jī)一些主要的標(biāo)準(zhǔn)儀表并能驅(qū)動(dòng)其正確的指示飛 行數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)中，機(jī)場(chǎng)的附屬物主要是增強(qiáng)真實(shí)感的作用，包括房子、樹等一些模型。啟動(dòng)界面是展示系統(tǒng)運(yùn)行前所進(jìn)行的一些加載動(dòng)作，系統(tǒng)在運(yùn)行前會(huì)首先啟動(dòng) Vega Prime 并加載 ACF 文件其中在加載 ACF 文件后會(huì)的配置過程中會(huì) 自動(dòng)將 ACF 文件轉(zhuǎn)換成 C++代碼并加載系統(tǒng)運(yùn)行過程中所需要的三維模型，所以這部分過程相對(duì)而言會(huì)很慢，尤其在遇到電腦配置不算好的電腦時(shí)，用戶會(huì)錯(cuò)誤的判斷程序?qū)е铝怂罊C(jī)，這樣就需要一個(gè)啟動(dòng)界面的展示這個(gè)過程，界面上會(huì)將整個(gè)系統(tǒng)加載資源的過程展示給用戶。 飛行仿真場(chǎng)景模塊設(shè)計(jì) 飛行仿真場(chǎng)景主要是指飛行仿真時(shí)觀察到的景象以及相應(yīng)的仿真環(huán)境。為了對(duì)飛行狀態(tài)有更深的了解，比如飛行姿態(tài)和舵面偏轉(zhuǎn)做實(shí)時(shí)的觀察，用戶需要能從不同時(shí)刻對(duì)飛機(jī)各個(gè)角度或者在同一時(shí)刻對(duì)飛機(jī)各個(gè)角度進(jìn)行觀察，為此可在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了兩種觀察方法例如多視點(diǎn)和多通道，多視點(diǎn)是指對(duì)同一個(gè)通道的觀察位置進(jìn)行改變，而多通道是指對(duì)飛機(jī)同時(shí)通過多個(gè)通道進(jìn)行觀察，每個(gè)通道的視點(diǎn)位置不同。它是操縱者與系統(tǒng)之間打交道的唯一通道，它包括了人與計(jì)算機(jī)之間的交互控制，用戶可以通過輸入設(shè)備以執(zhí)行者的身份控制虛擬場(chǎng)景。 航跡云的效果是指飛機(jī)飛過后在空中所留下的云霧效果，系統(tǒng)中利用粒子系統(tǒng)生成了航跡云的效果。 飛機(jī)可以在各種天氣條件下飛行，同樣系統(tǒng)也支持天氣系統(tǒng)的選擇以模擬各種天氣狀況下的飛行仿真。平顯是將飛行參數(shù)以圖形化方式顯示能讓用戶更直接的觀察飛行參數(shù)以及時(shí)刻掌握飛機(jī)的動(dòng)態(tài)信息以便做出各種有利于飛機(jī)飛行的決策，所以平顯是飛行仿真系統(tǒng)不可缺少的部分根據(jù)實(shí)際的需要平顯顯示了俯仰角、滾轉(zhuǎn)角、偏航角、速度、高度 、升降舵、方向舵、副翼舵等七個(gè)重要的信息，這里的平顯與儀表中的平顯有所不同，這里的平顯是通過 OpenGL 直接在仿真的，通道上直接繪制而成，而儀表中的平顯是通過平顯儀表的方式表示出來，由于時(shí)間和技術(shù)的原因，這一部分并未在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，為后續(xù)能力提高之作。在大面積地形建模中應(yīng)用了 LOD 技術(shù)，利用 DOF 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了儀表指針的動(dòng)態(tài)交互，利用包圍盒技術(shù)和 vsb 格式提高了模型控制的實(shí)時(shí)反應(yīng)速度 并使用上述技術(shù)實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)飛行數(shù)據(jù)和地形仿真可視化。 OpenFlight 樹狀結(jié)構(gòu)層次來組織管理場(chǎng)景數(shù)據(jù)的。 g g3 為群節(jié)點(diǎn)。因此，面是組成各種模型的基本，單位面底下還管轄許多條線，線又管轄了許多個(gè)點(diǎn)，但在層次結(jié)構(gòu)視圖中并不顯示出線和點(diǎn)。同樣的，在圖形視圖中選中了多邊形后，在層次數(shù)據(jù)庫(kù)里也能顯示出被選中的各個(gè)面片 。第三，層次結(jié)構(gòu)還為應(yīng)用可見性與消隱技術(shù)，實(shí)例技術(shù)、 LOD 技術(shù)、紋理映射等策略帶來了方便，能有效地降低場(chǎng)景中面的片數(shù)。目前 LOD 技術(shù)主要可以分為與視點(diǎn)相關(guān)和與實(shí)現(xiàn)無關(guān)兩大類。 Creator 采用了 Morphing方法來平滑相鄰 LOD 的轉(zhuǎn)換，即在相鄰的 LOD 間分配一個(gè)過渡區(qū)，使不同 LOD 之間能夠平滑過渡。DOF 節(jié)點(diǎn)可控制它的所有子節(jié)點(diǎn)按照設(shè)置的自由度范圍進(jìn)行移動(dòng)或者旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 3) 利用 Local— DOF/Position DOF 命令設(shè)計(jì)局部坐標(biāo)系。包圍盒是該模型對(duì)象的一個(gè)保守估計(jì)，可以近似地代替模型進(jìn)行一些粗略的計(jì)算。 本文中的碰撞檢測(cè)就是采用包圍盒技術(shù)。 在利用 Creator 建模工具建立飛機(jī)本體建模前首先要確定飛機(jī)的結(jié)構(gòu)和制作飛機(jī)紋理的圖片。對(duì)于飛機(jī)的構(gòu)造，首先根據(jù)飛機(jī)結(jié)構(gòu)數(shù) 據(jù)，在機(jī)頭頂點(diǎn)、垂尾頂點(diǎn)、翼尖等特征點(diǎn)處設(shè)置放樣點(diǎn)，在平尾和垂尾邊沿等特征線處勾畫與特征線吻合的放樣線，在機(jī)身不同部位的垂直橫截面，座艙各段橫截面等處創(chuàng)建與其形狀一致的放樣面，然后在根據(jù)不同部位放樣點(diǎn)、線、面歸屬不同的 object結(jié)點(diǎn)，放樣點(diǎn)、線面的層次結(jié)構(gòu)，接著就是利用 Creator 的 Loft 工具將每個(gè) object 結(jié)點(diǎn)中的放樣、點(diǎn)、線、面，根據(jù)其實(shí)際的 形體結(jié)構(gòu)，放樣為飛機(jī)的不同的位置。 Deep Exploration 是 Right Hemisphere 出品的一款功能強(qiáng)大的 3D 文件轉(zhuǎn)換大師，它可以導(dǎo)入預(yù)覽 VRML 的 wr vrm1 格式文件 ,Viewpoint的 mtx、 vpp 格式文件，可以轉(zhuǎn)換導(dǎo)出 Shockwave 3D 文件 w3d 格式 VRML 場(chǎng)景世界文件 (wrl、 vrml)、 Viewpoint 媒體全部的文件格式 (mts、 mtz、 html、 mtx、 vpp)、 WildTangent 加密的文件 (wsad)；但利用 Deep Exploration 直接將模型轉(zhuǎn)換為 flt 格式后會(huì)出現(xiàn)丟失紋理的現(xiàn)象，所以合理的轉(zhuǎn)換步驟是：先在 Deep Exploration 中將其它的模型文件格式轉(zhuǎn)換為 3ds 格式，然后再在 Creator 中轉(zhuǎn)換成 flt 格式。在 大量 查詢建模書籍的基礎(chǔ)上 ，有種可行辦法即 直接添加紋理 ， 采用這方法 可以 構(gòu)造出標(biāo)準(zhǔn)的儀表模型 ，但囿于技術(shù)實(shí)力的原因，僅僅實(shí)現(xiàn)屏顯功能。 地形及建模 對(duì)飛機(jī)的虛擬仿真系統(tǒng)來說，地形是一個(gè)非常重要的組成部分。包括地形模型的設(shè)計(jì)、紋理、設(shè)計(jì)制作等。 下面將按這三個(gè)步驟構(gòu)建一個(gè)典型的地形實(shí)體模型 地形數(shù)據(jù)源 構(gòu)建地 形的原始數(shù)據(jù)是一組地表高程采樣點(diǎn)，即高度場(chǎng)。地形數(shù)據(jù)是建立三維地形模型的基礎(chǔ)。在以后的科研工作中，若條件允許，將會(huì)使用真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，以作提高能力之舉。凡是地理信息系統(tǒng)就必然要考慮到投影變換，投影變換的使用保證了空間信息，在地域上的聯(lián)系和完整性，在各類地理信息系統(tǒng)的建立過程中，選擇適當(dāng)?shù)耐队白儞Q是首先要考慮的問，由于地球橢球體表面是曲面，而地形 通常是要繪制在平面圖紙上，因此制作地形時(shí)首先要把曲面展為平面，然而球面是個(gè)不可擴(kuò)展的曲面，即把它直接展為平面時(shí)，不可能不發(fā)生破裂或皺褶。所覆蓋區(qū)域的大小、形狀、投影方式的選取原則是最大限度地降低所生成的地形的扭曲度。 (4) Lambert conic conformal 蘭伯特錐形正投影，適用于兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的平行邊界區(qū)域。 2） 地形轉(zhuǎn)換算法 將數(shù)字高程原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成 Creator 所能識(shí)別的 DED 格式后， Creator 是采用標(biāo)桿重新構(gòu)建地 形的，通常標(biāo)桿間的間隔是原始數(shù)據(jù)格網(wǎng)的間隔，如圖 所示。 (2) Delaunay Delaunay 算法是現(xiàn)在最為流行的三角網(wǎng)格生成算法，該算法是一種基于 Delaunay三角形的地形生成算法，可以十分有效地對(duì)空間進(jìn)行三角形剖分與 Polymesh 轉(zhuǎn)換算法相比，生成相同經(jīng)度的地形模 型。 4 視景仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 本文的無人機(jī)飛行仿真系統(tǒng)主要包括虛擬場(chǎng)景部分、界面部分和輔助部分組成。 2) 在 projectSettingAll ConfigurationsDebug tab 在 Program arguments 中預(yù)先輸入配置的 ACF 文件路徑， ACF 文件在應(yīng)用程序中將被作為命令行參數(shù)；選擇 C/C++ tab，在 Category 中選擇 Code Generation，在 Use runtime library 中選擇 Multithreaded DLL，可以便面 C 實(shí)時(shí)庫(kù)沖突；在 Category 中選擇 Preprocessor，在 Addition include directories 中，添加下列內(nèi)容 ： $(MPI_LOCATE_VEGA_PRIME)\include\vsg\stlport； $(MPI_LOCATE_VEGA_PRIME)\include\vega prime； $(MPI_LOCATE_VEGA_PRIME)\include\vsg； 選擇 Link tab，在 Category 中選擇 Input，在 Additional library path 中輸入： $(MPI_LOCATE_VEGA_PRIME_LIB)。 2) 定義 (Definition)—— 加載已經(jīng)配置好的 ACF 文件，系統(tǒng)在初始化時(shí)初始化了ACF 文件的剝析程序，在這里 ACF 文件能自動(dòng)轉(zhuǎn)為 C++程序。 系統(tǒng)初始化配置 系統(tǒng)的初始化主要是在 Lynx Prime 圖形用戶界面配置工具完成的。 模型的初始化配置是將第三章建立的模型導(dǎo)入到 Lynx Prime 中，并設(shè)置各個(gè)模型的初始位置。這一特色是 Vega Prime 與其他視景仿真平臺(tái)的最大區(qū)別之一。 但是，此時(shí)場(chǎng)景中的各個(gè)模型都是靜態(tài)的三維模型，用戶無法與其進(jìn)行交互，更不會(huì)有身臨其境的感覺，所以在三維視景模型完成之后還要完成三維視景仿真環(huán)境的設(shè)計(jì)工作，通過視景仿真環(huán)境完成場(chǎng)景的各種感官效果以及用戶與場(chǎng)景的交互。其主要實(shí)現(xiàn)函數(shù)是： setTranslate (double x,double y,double z,bool)，賦予對(duì)象分別沿 XYZ 軸平移量，bool值決定輸入的值是替換當(dāng)前對(duì)象還是累加到當(dāng)前對(duì)象上。 圖 Vega Prime 的坐標(biāo)系統(tǒng) Vega Prime 中默認(rèn)的視點(diǎn)是沿著 Y 軸正方向的，將飛機(jī)三維模型加到虛擬場(chǎng)景中，機(jī)頭方向是從 Y 到 +Y。運(yùn)動(dòng)模型就是一種位置策略，使我們用標(biāo)準(zhǔn)輸入能實(shí)現(xiàn)模型的動(dòng)態(tài)定位。 VpMotionDrive 是一個(gè) drive 模型，用戶可以控制其運(yùn)動(dòng)速度和轉(zhuǎn)向； vpMotionFly 是一個(gè)簡(jiǎn)單的飛行模擬模型，這個(gè)模型的效果和空氣動(dòng)力學(xué)的響應(yīng)、推動(dòng)力以及飛機(jī)模型的質(zhì)量有關(guān)，這三個(gè)參數(shù)是可以在 .acf 文件或者程序中設(shè)置的。我們可以選用其中的飛 行模式進(jìn)行簡(jiǎn)單的飛行仿真。為此，系統(tǒng)中定義了兩種觀察方法，多通道和單通道。圖 說明了顯示器窗口、窗口和通道三者之間的關(guān)系。 跟隨視點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)可以在 Vega Prime 的幀循環(huán)部分實(shí)時(shí)得到飛機(jī)的位置，并將飛機(jī)的位置經(jīng)過簡(jiǎn)單 處理后設(shè)置為視點(diǎn)的位置，但這樣實(shí)時(shí)的解算位置，會(huì)增加系統(tǒng)的損耗，為此可利用 Vega Prime 中的 VpTransform 類定義一局部坐標(biāo)系，將視點(diǎn)設(shè)置為這一局部坐標(biāo)系的原點(diǎn)，并將 VpTransform 的父節(jié)點(diǎn)設(shè)為飛機(jī)，這樣使飛機(jī)與這個(gè)局部坐標(biāo)系關(guān)聯(lián)起來，默認(rèn)局部坐標(biāo)系的原點(diǎn)在飛機(jī)的中心處，這樣只需更改局部坐標(biāo)系的原點(diǎn)位置就能實(shí)現(xiàn)跟隨的效果，同樣，只需調(diào)整局部坐標(biāo)系的原點(diǎn)位置就可以改變視點(diǎn)的位置。具體到飛機(jī)視景系統(tǒng)，飛機(jī)在起飛著陸時(shí)與跑道之間是有接觸的，在飛行過程中是否與地形發(fā)生了碰撞，這些都是碰撞檢測(cè)的體現(xiàn)，所以在虛擬仿真系統(tǒng)中的碰撞檢測(cè)技術(shù)對(duì)虛擬場(chǎng)景的真實(shí)性是至關(guān)重要的。 圖 帶有包圍盒的物體 要實(shí)現(xiàn)精確的碰撞檢測(cè)則需要精確碰撞檢測(cè)，即采用包圍盒表示虛擬物體邊界的同時(shí)，還采用多個(gè)多邊形來表示包圍盒，這樣虛擬物體邊界就能用一組多邊形表示。 Vega Prime 定義了七種碰撞檢測(cè)模式： Tripod、 Bump、 Los、 HAT、 XYZPR、 ZPR 和 Z。 HAT、 XYZPR、 ZPR 和 Z 都是定義了條沿著 Z 軸方向的線段。 除了上述的七種方法外， Vega Prime 還支持自定義的碰 撞檢測(cè)方法。在起飛著陸階段，檢測(cè)的是與跑道和地形的碰撞，這可以選擇 Z 碰撞算法。這些都是借助一種叫粒子系統(tǒng)的來實(shí)現(xiàn)，所以在研究無人機(jī)視景系統(tǒng)的碰撞前