飛行模擬器視景仿真畢設(shè)論文(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 OF節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)。DOF 節(jié)點(diǎn)可以控制其子節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，包括其子DOF節(jié)點(diǎn)，即DOF節(jié)點(diǎn)可以嵌套，并且DOF節(jié)點(diǎn)具有繼承性，用來(lái)保證子節(jié)點(diǎn)能夠符合邏輯的運(yùn)動(dòng)，最后模型的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是所有起作用的DOF節(jié)點(diǎn)共同作用的結(jié)果。3) 利用Local—DOF/Position DOF命令設(shè)計(jì)局部坐標(biāo)系。 4) 在DOF節(jié)點(diǎn)屬性中設(shè)置節(jié)點(diǎn)自由度范圍。5) 在DOF Viewer中檢驗(yàn)DOF的設(shè)置效果。 包圍盒技術(shù)包圍盒(Bounding Volumes)是指一個(gè)包圍著模型對(duì)象的不可見(jiàn)的幾何形狀，如長(zhǎng)方體形、球形、圓柱形等等。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。根據(jù)包圍盒方式不同可分為幾種類型：沿坐標(biāo)軸的包圍盒AABB、有向包圍盒OBB以及多層樹(shù)級(jí)包圍盒。包圍盒技術(shù)主要用于實(shí)時(shí)系統(tǒng)交互過(guò)程中不同過(guò)程中不同模型間的碰撞檢測(cè)，實(shí)時(shí)系統(tǒng)只需判斷模型的包圍盒是否相交即可判斷是否發(fā)生了碰撞，非常有效。如果不使用包圍盒技術(shù)，則需要遍歷所有的多邊形來(lái)判斷是否和其余的多邊形相交叉，實(shí)時(shí)速度降下降很多。 本文中的碰撞檢測(cè)就是采用包圍盒技術(shù)。 飛機(jī)本體建模 建模的兩種方式飛機(jī)本體建模有兩種方法：。兩種方法各有千秋，利用Creator直接建模能根據(jù)自己的需要建立所需要的三維模型，在建立完成后能直接為系統(tǒng)所用。通過(guò)模型轉(zhuǎn)換的方式則能省略掉建模的過(guò)程，因?yàn)槟壳熬W(wǎng)絡(luò)上有許多建好的三維模型，通過(guò)轉(zhuǎn)換后就能為自己所用，但在轉(zhuǎn)換后為了滿足系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求，需要對(duì)模型的面片數(shù)進(jìn)行修改。 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。一般來(lái)說(shuō)，飛行狀態(tài)的飛機(jī)可見(jiàn)的基本結(jié)構(gòu)包括：機(jī)頭、機(jī)身、座艙、機(jī)翼、水平尾翼、垂直尾翼、副翼舵、方向舵、升降舵等。在Creator中，對(duì)于復(fù)雜模型的構(gòu)造一般是采用放樣的方法來(lái)創(chuàng)建。所謂的放樣，是指將一個(gè)二維形體對(duì)象作為沿著某個(gè)路徑的剖面而形成復(fù)雜三維對(duì)象。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。格式轉(zhuǎn)換是指將在其它三維建模工具建出的各種各樣的模型格式轉(zhuǎn)化為自己所需要的模型格式。Creator中集成了將3ds、dxf(AutoCAD Files)，但對(duì)于其它的格式文件就得利用專門的轉(zhuǎn)換工具。這里介紹一種功能強(qiáng)大的轉(zhuǎn)換工具Deep Exploration。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wrvrm1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。飛機(jī)的模型多種多樣，不同的客戶需求也會(huì)要求利用自己的模型進(jìn)行視景仿真，所以當(dāng)需要不一樣的模型時(shí)，所有的三維模型一般由客戶單位提供，我們只需將其轉(zhuǎn)換為flt的文件格式并修改成能滿足視景仿真要求的模型，最后用其進(jìn)行視景仿真開(kāi)發(fā)即可。本次試驗(yàn)用的模型是查資料時(shí)公開(kāi)的不涉密的模型，具有較高的靈活性。 飛機(jī)座艙建模Creator的儀表面板模塊(instrumentation option)提供了用于自動(dòng)創(chuàng)建包括盤式量表、矩形量表等在內(nèi)的各種常見(jiàn)量表儀器面板的模版，并且提供優(yōu)化儀表面板顯示的剪裁特性，同時(shí)該模塊還特別提供了用于創(chuàng)建和編輯多邊形字體的編輯器，用字體編輯器創(chuàng)建的多邊形文字不僅可以用于各種儀表面板，還可以直接放到模型數(shù)據(jù)庫(kù)的任意位置上，不幸的是Creator的儀表面板模塊除了平顯外，其它的并不是標(biāo)準(zhǔn)的航空儀表，而標(biāo)準(zhǔn)的航空儀表是座艙系統(tǒng)必須的，所以只能從其他方面尋找解決的辦法。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。平顯也叫機(jī)載量表，是飛行仿真中飛機(jī)座艙最常見(jiàn)的儀表。它通常用來(lái)顯示飛機(jī)模型在飛行過(guò)程中的側(cè)偏和俯仰角度。Creator的儀表面板模塊提供了標(biāo)準(zhǔn)的平顯創(chuàng)建模塊，利用此模塊創(chuàng)建好儀表。 地形及建模對(duì)飛機(jī)的虛擬仿真系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，地形是一個(gè)非常重要的組成部分。首先，地形是天空的基礎(chǔ)，飛機(jī)飛行的天空需要由地形的對(duì)比才能夠襯托出來(lái)；其次，視景仿真中的地形和天空往往作為整個(gè)畫面的背景，地形的逼真與否決，定了飛行視景仿真畫面的質(zhì)量。 地形建模概述要建立一個(gè)視景仿真應(yīng)用的地形是一個(gè)非常復(fù)雜的工作，但可以歸納為典型的三個(gè)步驟：1) 搜集有關(guān)的素材，它包括各種各樣的模型數(shù)據(jù)，如表示地形的海拔數(shù)據(jù)、表示河流山川道路等的文化特征數(shù)據(jù)，視景中所需要地形的尺寸以及地形紋理等。2) 根據(jù)這些素材建立三維的實(shí)時(shí)的地形模型。包括地形模型的設(shè)計(jì)、紋理、設(shè)計(jì)制作等。并按照要求為地形添加上控制參數(shù)、等高線顯示屬性等特性后就能生成逼真地形。3) 為了滿足仿真的需要，減少系統(tǒng)開(kāi)銷，最后需要對(duì)地形模型進(jìn)行修改。修改原則是，合并可以合并的面，刪除不必要的面，除了上述之外，還需要將地形模型導(dǎo)入到Vega Prime中，在漫游狀態(tài)下觀察地形，遇到不平滑的突起或者凹陷時(shí)則退出修改，不斷重復(fù)上面的工作直到地形適合所需求的仿真要求為止。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)。高度場(chǎng)是一組以柵格形式存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，具體來(lái)說(shuō)，就是高度場(chǎng)的每一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都代表了一個(gè)地形數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)，其中存儲(chǔ)了這個(gè)點(diǎn)的經(jīng)度、緯度和高度數(shù)據(jù)。高度場(chǎng)一般是由地質(zhì)勘測(cè)組織根據(jù)實(shí)地勘測(cè)數(shù)據(jù)或從灰度衛(wèi)星照片上獲得的數(shù)據(jù)采樣而來(lái)。采樣點(diǎn)的密度越小，數(shù)據(jù)的經(jīng)度也越高，與實(shí)際地形的差異也就越小，一般采樣點(diǎn)是按照經(jīng)度和緯度方向等距分布距離從10m到1000m。地形數(shù)據(jù)是建立三維地形模型的基礎(chǔ)。 可以提供地形原始信息的數(shù)據(jù)格式有很多種。常見(jiàn)的有美國(guó)地質(zhì)勘探局(United States Geological Survey)的DEM格式、美國(guó)國(guó)家成像和繪圖聯(lián)合會(huì)(National Imagery and Mapping Association)的DTED格式，DTM格式(Digital Terrain Models)即數(shù)字地圖模型，DRG格式(Digital Raster Graphic)即數(shù)字柵格地圖，這些原始數(shù)據(jù)格式用不同格式的規(guī)范描述了特定地區(qū)的高程圖，但是這些格式的地形數(shù)據(jù)并不能直接為Creator所用，而必須先將它們轉(zhuǎn)化為Creator專用的數(shù)字高程數(shù)據(jù)DED(Digital Elevation Data)格式，DED是MultigenParadigm公司為Creator地形創(chuàng)建工具開(kāi)發(fā)的統(tǒng)一高程圖格式。由于地形數(shù)據(jù)具有一定的保密性且需要一定的費(fèi)用購(gòu)買并花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間，不是本人所能承受的，google公司的google earth中的免費(fèi)得衛(wèi)星圖片數(shù)據(jù)也是一種選擇，但不具有較高的清晰度與靈活性。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。 地形生成過(guò)成中的一些技術(shù)MultigenCreator的地形建模模塊Terrain Pro是一個(gè)快速創(chuàng)建大面積地形數(shù)據(jù)庫(kù)的工具，它可以使地形精確接近真實(shí)世界，并帶有高逼真度三維文化特征及圖像特征。在地形建模過(guò)程中，值得關(guān)注的是投影方式的選擇和地形轉(zhuǎn)換算法的選擇。1） 投影變換方式所謂的投影變換就是指地球表面上的點(diǎn)與投影平面上點(diǎn)之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，其的本質(zhì)就是利用一定的數(shù)學(xué)法則把地球表面上的經(jīng)緯線網(wǎng)表示到平面上。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(guò)程中，選擇適當(dāng)?shù)耐队白儞Q是首先要考慮的問(wèn)，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。若用這種具有破裂或皺褶的平面制作地形，顯然是不實(shí)際的，所以必須采用特殊的方法將曲面展開(kāi)使其成為沒(méi)有破裂或皺褶的平面。MultigenCreator中提供了MAP投影。MAP投影既能表示為平面的地球也能近似表示為有曲度的地球，因地球不是真正意義上的圓球，所以不同的投影方式在某個(gè)特定的地區(qū)可以彌補(bǔ)地球的不規(guī)則性，在赤道和兩極附近的投影方式有天壤之別，投影方式的選取取決于地形的坐標(biāo)位置。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。MAP投影面板提供了5種投影方式：(1) Flat Earth：視經(jīng)緯度為X、Y坐標(biāo)，生成矩形地形數(shù)據(jù)，通常適用于東西向較長(zhǎng)且遠(yuǎn)離兩極的區(qū)域。(2) UTM(Universal Transverse Mercator)橫向墨卡托坐標(biāo)投影，適用于南北向較長(zhǎng)或沿著子午線的區(qū)域，沿著子午線方向的地形就越精確，反之東西離子午線越遠(yuǎn)，扭曲度就越大。(3) Geocentric是一種圓形地球投影方式，適用于大地形或要求仿真地球表面曲度。(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。在兩個(gè)邊界之間，所有的經(jīng)度線都垂直于緯度線，在北緯84度至南緯80之間，高緯度飛行所見(jiàn)的區(qū)域非常精確，越向兩級(jí)，變形越明顯。(5) Trapezoidal梯形投影，是一種方位角投影。突出中心區(qū)域，四周離中心越遠(yuǎn)，變形越明顯，適用于1度（經(jīng)度）1度（緯度）以內(nèi)的小地形。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。 Creato地形構(gòu)建圖Creator提供了四種的地形生成算法：Polymesh、Delaunay、TCT(Terrain Culture Triangulation)和CAT(Continuous Adaptive Terrain)。它們的差別主要是對(duì)地形數(shù)據(jù)重新采樣的方法不同，使用不同的地形轉(zhuǎn)換算法和參數(shù)，將會(huì)得到不同結(jié)構(gòu)和效果的地形模型，所以應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況合理選擇地形的轉(zhuǎn)換算法。(1) Polymesh該算法從原始數(shù)字高程數(shù)據(jù)左下角開(kāi)始，進(jìn)行有規(guī)律的采樣來(lái)獲取地形多邊形的頂點(diǎn)坐標(biāo)，所以用Polymesh方法生成的三角形網(wǎng)格非常有規(guī)則，生成地形速度快，對(duì)于LOD數(shù)量沒(méi)有限制，能夠預(yù)測(cè)多邊形數(shù)量，但是在生成比較平坦的地形部分時(shí)三角形數(shù)目要比實(shí)際需要的多，而在地形比較陡峭的地方獲取的三角形數(shù)量又偏小，造成有些地形失真。(2) DelaunayDelaunay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。使用Delaunay轉(zhuǎn)換算法的地形模型數(shù)據(jù)庫(kù)中包含的多邊形數(shù)量較少，它的缺點(diǎn)在于不能預(yù)測(cè)地形多邊形的生成數(shù)量，同時(shí)對(duì)地形模型多變形總數(shù)目也有一定的限制，還可能生成較短的三角帶。(3) TCT。(4) CATCAT轉(zhuǎn)換算法是Delaunay算法的改進(jìn)，能夠使相鄰LOD地形模型之間的過(guò)度更加平滑，能有效避免視覺(jué)上的不連貫現(xiàn)象，缺點(diǎn)是地形紋理至少跟地形面積一樣大占用比較大的CPU資源，它目前只能用于SGI系統(tǒng)。4 視景仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)本文的無(wú)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。本文通過(guò)Vega Prime軟件平臺(tái)，進(jìn)行相應(yīng)的虛擬場(chǎng)景開(kāi)發(fā)，通過(guò)C++語(yǔ)言應(yīng)用程序接口API調(diào)用Vega Prime的ACF文件，而ACF文件包含并配置了在第三章構(gòu)建的飛機(jī)、地形等模型，通過(guò)代碼編寫能夠驅(qū)動(dòng)或者設(shè)置這些模型的位置、姿態(tài)等，從而實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的動(dòng)作、儀表舵面的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)、飛機(jī)與地面的碰撞檢測(cè)等交互效果，使構(gòu)建的飛機(jī)仿真可視化虛擬環(huán)境更加逼真，更具有沉浸感。 Vega Prime應(yīng)用程序 配置Vega Prime應(yīng)用程序Vega Prime做為一專業(yè)的平臺(tái)，其編譯環(huán)境是Visual C++。應(yīng)用程序可在Visual C++ 創(chuàng)建一個(gè)工作區(qū)，添加工程設(shè)置，加載C++程序代碼，編譯連接生成一個(gè)可執(zhí)行文件具體的實(shí)現(xiàn)步驟如下：1) Vega Prime安裝后，在系統(tǒng)屬性中檢查系統(tǒng)環(huán)境變量定義。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_L