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(chǎng)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(dòng)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(huì)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(dòng)輪椅仿真到模擬飛行時(shí)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(jiǎn)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(chǎng)景和視景;飛行模擬;仿真飛行

引言：作為我國(guó)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(huì)提供大量福利所必須的資源基礎(chǔ)，是社會(huì)生活同人文科學(xué)更加生動(dòng)靈活便利的意識(shí)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(huì)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(dòng)我國(guó)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(dòng)力學(xué)的分析

旋翼氣動(dòng)力場(chǎng)技術(shù)作為飛行器空氣動(dòng)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(guó)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(huì)開始轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生槳葉渦輪揮舞的空氣動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)失真。在科式力抖動(dòng)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(dòng)。在前飛的過程中由于空氣來流速度并不對(duì)稱，所以旋翼上將會(huì)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(cuò)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(duì)機(jī)身施加反向的扭矩誤差，同時(shí)由于陀螺自轉(zhuǎn)軸承產(chǎn)生空氣進(jìn)動(dòng)力場(chǎng)，所以機(jī)身還會(huì)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(huì)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(shí)所需采取的迭代計(jì)算方法，在建立旋翼氣動(dòng)力模型時(shí)需要對(duì)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(duì)空氣動(dòng)力學(xué)的陀螺建模

完成旋翼氣動(dòng)力分析后還要考慮飛行器機(jī)身的運(yùn)動(dòng)特性會(huì)受到其他哪些因素的影響，以便建立相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)模型對(duì)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(huì)對(duì)機(jī)身運(yùn)動(dòng)特性產(chǎn)生影響。此外模擬器著陸時(shí)的輪胎和起落架也會(huì)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(shí)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(dòng)特性可以選擇性采取其中一種方法建模。比如在對(duì)重力產(chǎn)生的加速度進(jìn)行分析時(shí)，就要在機(jī)體坐標(biāo)系中進(jìn)行重力的分析。若想要對(duì)任意時(shí)刻的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換矩陣進(jìn)行分析時(shí)，就要對(duì)機(jī)身運(yùn)動(dòng)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(duì)整個(gè)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(dòng)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(shí)需要使用相應(yīng)動(dòng)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(dòng)性操控，能夠產(chǎn)生與真實(shí)飛行器的相同動(dòng)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(duì)性的驅(qū)動(dòng)激勵(lì)信號(hào)的生成，然后利用該數(shù)字化三維虛擬信號(hào)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(dòng)，可以使機(jī)身同時(shí)模擬產(chǎn)生出符合現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的抖振和運(yùn)動(dòng)。目前可以使用的動(dòng)感仿真技術(shù)包括抖振座椅、平臺(tái)式運(yùn)動(dòng)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(dòng)、電動(dòng)力場(chǎng)和氣動(dòng)力場(chǎng)相關(guān)的場(chǎng)作用力、物理相互推挽方向場(chǎng)力線等方式進(jìn)行六軸自由度機(jī)構(gòu)的并聯(lián)多分級(jí)多分體設(shè)計(jì)。以采取液壓軸承驅(qū)動(dòng)方式的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)為例，平臺(tái)將由六只鉸鏈、六只液壓缸和兩個(gè)平臺(tái)所構(gòu)成，這里只是簡(jiǎn)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(duì)不是那么簡(jiǎn)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(gè)環(huán)節(jié)設(shè)定需要運(yùn)行一個(gè)虛擬仿真參數(shù)，比如陀螺效應(yīng)，旋翼氣動(dòng)力學(xué)，拉格朗日法，牛頓歐拉法，空氣動(dòng)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(dòng)、電動(dòng)力場(chǎng)和氣動(dòng)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(duì)應(yīng)的視覺聽覺模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，模擬座艙飛行員所坐輪椅針對(duì)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(dòng)作的操控完成，包括打開控制開關(guān)、拉動(dòng)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(dòng)仿真輪椅進(jìn)出艙門時(shí)輪椅的轉(zhuǎn)彎半徑如果設(shè)計(jì)不當(dāng)也會(huì)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(shí)發(fā)現(xiàn)仿真產(chǎn)品存在的缺點(diǎn)，及時(shí)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(huì)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(chǎng)景建模中經(jīng)常會(huì)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(chǎng)景驅(qū)動(dòng)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(dòng)三維、實(shí)體導(dǎo)入、實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)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(shí)考慮到三維仿真時(shí)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(shí)候引起的數(shù)字景視畫面的遲滯，在或者幾何倍數(shù)增長(zhǎng)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(duì)應(yīng)的視景驅(qū)動(dòng)軟件項(xiàng)目開發(fā)工程，可以有效從模型庫(kù)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(shí)驅(qū)動(dòng)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(chǎng)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(duì)應(yīng)的內(nèi)部操縱設(shè)備布局、形狀、信號(hào)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(dòng)系統(tǒng)平臺(tái)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(duì)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(gè)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(duì)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(duì)的操作力場(chǎng)。

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(gè)就叫虛擬三維數(shù)字化環(huán)境產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的現(xiàn)實(shí)三維世界所對(duì)應(yīng)的視景包括聽覺在內(nèi)的現(xiàn)實(shí)環(huán)境，說的簡(jiǎn)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(dòng)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(duì)空氣動(dòng)力場(chǎng)反饋、動(dòng)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(guó)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)：

[1]夏偉.虛擬技術(shù)在通用航空飛行模擬器中的分析[J]. 飛行器技術(shù)， 2017（1）.

[2]羅文田. 虛擬技術(shù)在模擬飛行訓(xùn)練中的分析[J]. 軟件， 2018.

上海市閔行第三中學(xué) 上海 200240