數(shù)字化仿真產(chǎn)品讓你真的在天上飛

俞文斌

摘要：數(shù)字納米科技，計(jì)算機(jī)多媒體三維仿真學(xué)，在現(xiàn)實(shí)飛行環(huán)境模擬開發(fā)項(xiàng)目中，虛擬現(xiàn)實(shí)空間環(huán)境，視景圖像聲音環(huán)境，力場定位方向判別等人工三維虛擬演算參數(shù)的開發(fā)，使得航天飛行模擬產(chǎn)業(yè)鏈構(gòu)架在本世紀(jì)進(jìn)一步飛躍發(fā)展，飛行模擬器的人性化智能化可控性操作促進(jìn)了飛行產(chǎn)品實(shí)質(zhì)性開發(fā)的可持續(xù)發(fā)展道路，而飛行模擬數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室不僅能夠形成通用航空產(chǎn)業(yè)，還推動了不同航天飛行領(lǐng)域機(jī)械化生產(chǎn)模式的規(guī)模。模擬現(xiàn)實(shí)三維呈現(xiàn)和現(xiàn)實(shí)環(huán)境數(shù)字化模擬是社會技術(shù)進(jìn)步發(fā)展的必然產(chǎn)物，文章從模擬座艙飛行員轉(zhuǎn)動輪椅仿真到模擬飛行時周邊環(huán)境的視覺聽覺感官模擬到最后你如何真的坐在那里開飛機(jī)為案例，將設(shè)計(jì)的一系列參數(shù)與算法簡單概略介紹，讓你做到真的在天上飛。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)實(shí)環(huán)境;虛擬現(xiàn)實(shí);場景和視景;飛行模擬;仿真飛行

引言：作為我國支柱產(chǎn)業(yè)的通用航空事業(yè)，航天產(chǎn)品就是航空企業(yè)為社會提供大量福利所必須的資源基礎(chǔ)，是社會生活同人文科學(xué)更加生動靈活便利的意識形態(tài)。數(shù)字化模擬飛行實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)同仿真飛行產(chǎn)品鏈構(gòu)架的開發(fā)密不可分，民航飛行模擬仿真實(shí)驗(yàn)室的科技力量逐步提升也有利于整體全民社會經(jīng)濟(jì)效率的提高，隨同現(xiàn)實(shí)環(huán)境模擬同視景三維仿真生成技術(shù)的發(fā)展，有必要將數(shù)字化多媒體三維立體呈像感官技術(shù)應(yīng)用于飛行產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)項(xiàng)目上，從而進(jìn)一步推動我國航空道路的可持續(xù)發(fā)展。

一 數(shù)字虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境所相關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)與分析點(diǎn)

1. 1 陀螺效應(yīng)導(dǎo)致生成旋翼氣動力學(xué)的分析

旋翼氣動力場技術(shù)作為飛行器空氣動力學(xué)研究的首要關(guān)鍵，此項(xiàng)核心技術(shù)研究得到了世界各國的重視。不同于固翼飛機(jī)飛行器具有的復(fù)雜的旋翼結(jié)構(gòu)，飛行器的繞槳轂在飛行實(shí)際過程中會開始轉(zhuǎn)動產(chǎn)生槳葉渦輪揮舞的空氣動力學(xué)運(yùn)動失真。在科式力抖動的作用下槳葉將開始進(jìn)行領(lǐng)先到滯后的循環(huán)運(yùn)動。在前飛的過程中由于空氣來流速度并不對稱，所以旋翼上將會產(chǎn)生空氣氣流的錐體后傾現(xiàn)象，以至于旋翼的生理方向隨之嚴(yán)重的錯位偏移。這樣在機(jī)身與旋翼的相互物理推挽式耦合協(xié)拉作用下，旋翼將對機(jī)身施加反向的扭矩誤差，同時由于陀螺自轉(zhuǎn)軸承產(chǎn)生空氣進(jìn)動力場，所以機(jī)身還會產(chǎn)生特定的陀螺效應(yīng)。而槳距角、旋翼誘導(dǎo)速度、槳葉扭轉(zhuǎn)規(guī)律等這些因素的存在將會最終決定旋翼的空氣升力大小。其中誘導(dǎo)速度與機(jī)身速度有關(guān)計(jì)算時所需采取的迭代計(jì)算方法，在建立旋翼氣動力模型時需要對這些影響模型精確率的關(guān)鍵因素進(jìn)行精準(zhǔn)打擊的人工智能匹配計(jì)算。

1.2 拉格朗日法和牛頓歐拉法對空氣動力學(xué)的陀螺建模

完成旋翼氣動力分析后還要考慮飛行器機(jī)身的運(yùn)動特性會受到其他哪些因素的影響，以便建立相應(yīng)的動力學(xué)模型對機(jī)身受力展開分析。除了旋翼以外飛行器的尾槳、垂直和水平安定面都會對機(jī)身運(yùn)動特性產(chǎn)生影響。此外模擬器著陸時的輪胎和起落架也會產(chǎn)生阻尼力和彈性力，而這些力和空氣廢阻力都是建模時需要考慮的因素。就目前來看建模主要可以使用拉格朗日法和牛頓歐拉法。根據(jù)機(jī)身的受力特性和運(yùn)動特性可以選擇性采取其中一種方法建模。比如在對重力產(chǎn)生的加速度進(jìn)行分析時，就要在機(jī)體坐標(biāo)系中進(jìn)行重力的分析。若想要對任意時刻的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換矩陣進(jìn)行分析時，就要對機(jī)身運(yùn)動的歐拉角進(jìn)行確定。完成上述內(nèi)容后還要以建立該方程的解算模塊并且進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算方法與流程圖的確定，以便求解出飛行器相關(guān)的坐標(biāo)和姿態(tài)角。作為飛行模擬器的核心研究項(xiàng)目，方程解算的結(jié)果將對整個全局系統(tǒng)工作的精度產(chǎn)生直接致命的影響。

1.3抖振反饋力學(xué)同人性化仿真動感的分析

模擬飛行器的飛行姿態(tài)和飛行速度在幾何交替變化時需要使用相應(yīng)動感仿真技術(shù)。該技術(shù)可幫助飛行員在數(shù)字虛擬環(huán)境下真實(shí)感受三維現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的飛行器的可運(yùn)動性操控，能夠產(chǎn)生與真實(shí)飛行器的相同動感。此過程需要利用計(jì)算機(jī)代碼運(yùn)算軟件進(jìn)行特定針對性的驅(qū)動激勵信號的生成，然后利用該數(shù)字化三維虛擬信號進(jìn)行模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的可執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動，可以使機(jī)身同時模擬產(chǎn)生出符合現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的抖振和運(yùn)動。目前可以使用的動感仿真技術(shù)包括抖振座椅、平臺式運(yùn)動系統(tǒng)、和過載座椅等操控。通常的情況下可以選用液壓軸承驅(qū)動、電動力場和氣動力場相關(guān)的場作用力、物理相互推挽方向場力線等方式進(jìn)行六軸自由度機(jī)構(gòu)的并聯(lián)多分級多分體設(shè)計(jì)。以采取液壓軸承驅(qū)動方式的運(yùn)動平臺為例，平臺將由六只鉸鏈、六只液壓缸和兩個平臺所構(gòu)成，這里只是簡略介紹構(gòu)思實(shí)際要結(jié)合的人力物力資源設(shè)計(jì)方案絕對不是那么簡單的。

二 項(xiàng)目案例讓你如何真的坐在那里開飛機(jī)

2.1模擬座艙和飛行輪椅的數(shù)字化模擬

飛行產(chǎn)品生產(chǎn)過程中每個環(huán)節(jié)設(shè)定需要運(yùn)行一個虛擬仿真參數(shù)，比如陀螺效應(yīng)，旋翼氣動力學(xué)，拉格朗日法，牛頓歐拉法，空氣動力學(xué)陀螺建模等。

例如，抖振座椅、過載座椅，液壓軸承驅(qū)動、電動力場和氣動力推挽，六軸感力，六鉸鏈、六液壓缸等相關(guān)的模擬座艙飛行太空輪椅設(shè)計(jì)與出發(fā)舉例。

數(shù)字化模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境技術(shù)在構(gòu)建三維仿真感官相對應(yīng)的視覺聽覺模擬實(shí)驗(yàn)時，模擬座艙飛行員所坐輪椅針對的虛擬空間環(huán)境所涉及的比如，日常進(jìn)行生活行為可以通過一系列手法動作的操控完成，包括打開控制開關(guān)、拉動門閥電閘等一系列操作可以發(fā)現(xiàn)的該仿真太空輪椅所存在的固有缺點(diǎn)。設(shè)計(jì)人員轉(zhuǎn)動仿真輪椅進(jìn)出艙門時輪椅的轉(zhuǎn)彎半徑如果設(shè)計(jì)不當(dāng)也會導(dǎo)致偏移空間最終無法順利移位。在模擬環(huán)境中設(shè)計(jì)人員可以及時發(fā)現(xiàn)仿真產(chǎn)品存在的缺點(diǎn)，及時調(diào)整并修正現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品的定位從而大規(guī)模生產(chǎn)以滿足社會的需求。

輪椅設(shè)計(jì)完后還要飛行員實(shí)際調(diào)試，三維場景建模中經(jīng)常會遇到飛行員身臨其境后無法同數(shù)字產(chǎn)生的遲滯與滯后相匹配的矛盾，在使用場景驅(qū)動和視景建模兩種視景仿真技術(shù)中，完整的地形建模、特效設(shè)計(jì)、運(yùn)動三維、實(shí)體導(dǎo)入、實(shí)時驅(qū)動等仿真參數(shù)，能夠完成視景生成與三維顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

由于三維仿真飛行器有貼地飛行和飛行速度慢的特點(diǎn)，所以需要使現(xiàn)實(shí)環(huán)境的地景模型的三維虛擬化地形生成紋理更加的細(xì)致，以便使飛行員產(chǎn)生身臨其境的感受。同時考慮到三維仿真時飛行器水平視角較大和垂直視角較集中的矛盾情況，還需合理進(jìn)行三維數(shù)字化虛擬視景顯示系統(tǒng)的高維度演算設(shè)計(jì)。

此外需要進(jìn)行高效率的通信模塊設(shè)計(jì)，才能夠避免出現(xiàn)數(shù)字化虛擬三維環(huán)境時候引起的數(shù)字景視畫面的遲滯，在或者幾何倍數(shù)增長的高流量大信息流向數(shù)據(jù)傳送的滯后問題。而利用專業(yè)的三維虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境相對應(yīng)的視景驅(qū)動軟件項(xiàng)目開發(fā)工程，可以有效從模型庫道路設(shè)計(jì)環(huán)境三維運(yùn)算演生出現(xiàn)實(shí)環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)飛行員可操控的飛行器的真實(shí)實(shí)時驅(qū)動性相關(guān)的虛擬化操作環(huán)境，意思就是你真的是坐在那里在開飛機(jī)了。

2.2 數(shù)字感官模擬運(yùn)算讓你最終在天上飛

還沒結(jié)束，另外注意人工力場定位方向所產(chǎn)生的三維座艙感官模擬問題，飛行模擬器中如果模擬座艙為主體部位。為給飛行員提供真實(shí)的現(xiàn)實(shí)環(huán)境感覺，其三維數(shù)字化虛擬生成的現(xiàn)實(shí)環(huán)境所對應(yīng)的內(nèi)部操縱設(shè)備布局、形狀、信號設(shè)置和儀表等因素都將與真實(shí)飛行器相同匹配。通過將三維座艙安裝在運(yùn)動系統(tǒng)平臺上，然后利用虛擬環(huán)境實(shí)現(xiàn)的超負(fù)荷系統(tǒng)進(jìn)行飛行模擬器的負(fù)載控制，就能夠使飛行員產(chǎn)生現(xiàn)實(shí)環(huán)境所對應(yīng)的相同的操作感受。而虛擬的數(shù)字化環(huán)境衍生的負(fù)荷系統(tǒng)由多個負(fù)載裝置組成，這些裝置需要分別與不同的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境所對應(yīng)的操縱設(shè)備連接以便使飛行員的手和腳都能夠感受到現(xiàn)實(shí)環(huán)境中所針對的操作力場。

此外利用音箱虛擬聲音方向定位的模擬器材，也能夠給飛行員帶來特定的聽覺感官方面的三維虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境判斷，意思就是你身臨其境感受到的一切多是虛擬的自然，這個就叫虛擬三維數(shù)字化環(huán)境產(chǎn)生對應(yīng)的現(xiàn)實(shí)三維世界所對應(yīng)的視景包括聽覺在內(nèi)的現(xiàn)實(shí)環(huán)境，說的簡單點(diǎn)就是五官感覺看到的聽到的多是真實(shí)的卻又是虛擬的數(shù)字代碼并不真實(shí)存在的感官模擬，但是你真的確實(shí)在天上飛了。

3、結(jié)論：

使用人工虛擬化仿真數(shù)字環(huán)境運(yùn)算，飛行模擬器虛擬實(shí)驗(yàn)室，開展飛行員訓(xùn)練和飛行器研究工作，推動了相關(guān)航空領(lǐng)域的發(fā)展，研究模擬仿真技術(shù)促進(jìn)了飛行器模擬研究項(xiàng)目的發(fā)展。文章對空氣動力場反饋、動力學(xué)數(shù)字建模、視景感官圖像呈現(xiàn)、三維定位仿真等關(guān)鍵技術(shù)的解剖，為我國航空航天通用飛行科技事業(yè)的發(fā)展提供了參考。

參考文獻(xiàn)：

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上海市閔行第三中學(xué) 上海 200240