基于vega的直升机飞行模拟论文.docx

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基于vega的直升机飞行模拟论文

摘要

本论文设计了基于Vega的直升机视景仿真系统的设计。

利用VegaPrime2.0优秀的仿真软件和与之对应的MicrosoftVisualStudio.NET2003（即VS2003.NET或VC++7.1）结合使用设计一个直升机视景仿真系统。

先通过使用VP2.0软件中的已封装的模块LynxPrime2.0（即LP2.0），配置直升机视景仿真系统中的基本视景物体，如直升机模块、地形模块、地形模块中的房子等添加以及视景仿真中基本观察着的设置,形成初步的.ACF仿真文件。

再在VS2003.NET环境下编制Windows32控制台程序，首先调用初步的.ACF仿真文件，形成在控制程序调用下的动态直升机视景生成，再在控制程序的作用下进一步控制视景中的直升机的飞行姿态，并且形成人在直升机内部开直升机的效果和地面上另一个人观察直升机飞行的效果。

本设计共分为两大部分：

直升机、地形等模型建立和软件设计，其中软件设计又分为两部分：

LP2.0软件的设计和VS2003.NET下C++控制软件设计。

通过软件设计，该直升机视景仿真系统符合设计要求,并且增加了三个附加功能：

A.人在直升机内开直升机的效果（即人沉浸在仿真系统中的感觉），B.人在直升机内通过类似姿态仪的通道看到的直升机飞行姿态图以便更好控制直升机飞行，C.地面观察者看到的直升机飞行的效果。

关键词：

虚拟仿真；VegaPrime；LynxPrime

TheDesignofSingleHelicopterVisualSimulationSystemBasedonVega

Abstract

ThispaperintroducesthedesignofSingleHelicopterVisualSimulationSystembasedonVegaPrime2.0（alsonameVP2.0）.UsingoftheVegaPrime2.0excellentsimulationsoftwareandthecorrespondingMicrosoftVisualStudio.NET2003（alsonameVS2003.NETorVC++7.1）designcombinedwithaHelicopterVisualSimulationSystem.FirstbyusingtheVP2.0softwaremoduleshavebeenpackagedbyLynxPrime2.0（alsonameLP2.0）.Ithasbeenconfiguredbythebasicvisualobjectsuchasthehelicoptermodule,theterrainmodule,moduleofthehouseandotherterrain.Itshouldbeaddedtothebasicobservationofthesettoformapreliminary.ACFsimulationfile.AgaininVS2003.NETcalledthepreliminary.ACFsimulationfile,thentheformationofthecontrolprogramcallsthedynamicscenegenerationhelicopter.Roleinthecontrolprogramtofurthercontrolthesceneofthehelicopterinflight,andtheformationofaninternalopeninginthehelicopteronthegroundandhelicoptereffectsobserveranothereffectofhelicopterflight.Thedesignisdividedintotwoparts:

thehelicopter,terrainmodelingdesignandsoftwaredesign.Andthesoftwaredesign,whichisdividedintotwoparts:

LP2.0,VS2003.NETsoftwaredesignandC++underthecontrolsoftwaredesign.Softwaredesign,visualsimulationoftheHelicopterVisualSimulationSystemmeetsthedesignrequirements,andaddedthreeadditionalfunctions.A,Controllingthehelicopterinthehelicopter（thatis,peopleimmersedinthefeedingofthesimulationsystem.）,B,Peopleinthehelicoptersawhelicopterflightattitudemapinordertocontrolofhelicopterflightbetter,C,Groundobserverseetheeffectofthehelicopterflight.

keyword：

VirtualSimulation；VegaPrime；LynxPrime

目录

1绪论1

1.1背景和意义1

1.2视景仿真发展概述2

1.3任务及要求4

1.4任务分析与实现4

1.5主要内容及安排4

2相关软件介绍和应用6

2.1视景仿真系统所用软件6

2.2软件的选取论证及介绍应用6

2.2.1三维建模软件选取及应用6

2.2.2Vega软件选取及介绍应用7

2.2.3VS2003.NET与VP的应用16

3软件设计19

3.1软件总体方案设计19

3.2.ACF文件设计模块20

3.3控制台程序设计模块25

4联调与结果展示29

4.1.ACF配置文件调试29

4.2控制台程序调试30

4.3联调中主要问题和解决30

4.4联调结果展示30

结论与展望37

参考文献38

致谢39

附录Ⅰ40

附录Ⅱ41

1绪论

1.1背景和意义

虚拟现实仿真（virtualreality，简称VR）技术是随着计算机技术、通信技术及其他相关技术的发展，可以利用现在的科技手段构造出能被人们观察、交互、控制并可沉浸其中的三维图形虚拟空间，具有模仿人的视觉、听觉、触觉等感知功能，用户或决策者能在这个虚拟空间中实现观看、聆听和自由活动，体现“人在系统中”的沉浸感。

因此，建立一个在时间和空间中动态可变的虚拟世界，可以提高人们的认识能力，辅助人们与环境的交流，发挥人的想象力，扩大人们对未知领域的认识。

并达到虚拟仿真的“3I”特性，沉浸性（Immersion）、交互性（Interaction）、想象性（Imagination）。

故虚拟现实仿真系统是对一般可视化仿真的进一步发展，实现了质的飞跃，具有广阔的应用前景。

此外，虚拟现实仿真系统还是一种理想的训练和实践系统，操作人员在实际使用新装备前，可在虚拟环境中进行操作训练，以便熟练掌握装备的操作技术。

还有医学领域中利用虚拟现实仿真技术可以实现：

虚拟解剖，帮助医生进行解剖训练；伤员鉴别和诊断；外科手术以及康复模拟训练等。

在教育、艺术和娱乐领域虚拟现实仿真也十分广泛如：

构造虚拟的实验世界供学生做一些具有危险性的实验；构造虚拟的艺术宫殿，供不方便旅行的人们参观游览实现旅游的愿望等；也可建立虚拟游戏世界供人们娱乐休闲。

在军事领域虚拟现实仿真更是应用深入，在陆、海、空、天、电五个领域中的模拟对抗训练仿真，极大地方便了军事化对抗训练。

并且节约了军费开支，减轻了环境破坏，对国防现代化建设的推进，具有重大的现实意义。

尤其在空军或民航飞行员训练中，飞行仿真可视化成为当前的研究热点。

在国内外基于虚拟现实技术的飞行模拟器与飞行模拟装置已经在航空航天飞行训练领域得到了广泛的引用,其飞行训练的经济性、安全性及良好的训练效果也得到了一致认可。

虚拟现实仿真的软件平台有很多：

Matlab仿真平台中的Simulink对系统的建模和仿真；OpenGVS仿真软件；MapInfo仿真软件；GLStudio仿真软件；其中VegaPrime仿真软件是美国Multigen-Paradigm公司推出的软件仿真环境，主要用于虚拟现实技术中的实时场景及科学计算可视化领域，它支持快速的视觉仿真程序，能为用户提供一种处理复杂仿真的便携手段。

相对于其他仿真软件Vegaprime仿真软件具有开发周期短、可读性强、可移植性好等显著特点。

在Windows、UNIX等平台中方便的使用。

1.2视景仿真发展概述

国外情况：

美国是VR技术的发源地，美国视景仿真研究技术的水平基本上就代表国际发展的水平。

现在美国宇航局已经建立了航空、卫星维护VR训练系统，空间站VR训练系统，并且已经建立了可供全国使用的VR教育系统。

美国的Mult1Gen.paradigm公司开发出的三维实体建模/三维视景运动控制工具MultliGen一Creator，被公认为当今最优秀的仿真软件之一。

0penFlight数据组织标准，成为实时动态交互视景工业标准。

其软件低层采用美国一公司提供的OpenGL接口标准。

美国CGZINC也推出强有力的实时三维图形开发工具VRtee，实现视觉仿真、实时场景生成、娱乐冒险环境模拟、任务训练、事件重现等应用。

美国公司KTecDhloogies开发出著名的VR，Likn，通过利用h创区公司的VR，Likn网络工具包，可以很容易地快速地利用美国国防部的DIS协议或新的HLA，通过连接网络上成百上千个三维仿真器，来模拟多个武器系统之间的协同或对抗。

加拿大VirtiualPrototype公司推出的实时仿真与训练环境STAGE平台主要用于大型航天、航空、国防、作战实时动态交互视景仿真支撑。

土耳其InfotronINC的VSI（VegaStageInterface）是一个自动把Vega和Stage集成在一起的软件。

它极大程度地减少了可视化战场环境所需的源代码的开发。

日本在当前实用视景仿真技术的研究与开发中也是居于领先位置的国家之一，主要致力于建立大规模视景仿真知识库的研究。

另外在虚拟现实的游戏方面的研究也做了很多工作。

东京大学的原岛研究室开展了三项研究：

人类面部表情特征的提取、三维结构的判定和三维形状的表示、动态图像的提取。

东京大学的广獭研究室重点研究虚拟现实的可视化问题，为了克服当前显示和交互作用技术的局限性，他们正在开发一种虚拟全息系统。

英国在视景仿真开发的某些方面在欧洲是处于领先地位，他们开发的DimensionsInternational是桌面视景仿真的先驱。

许多学术界和工业界的用户喜欢该公司基于PC486系统提供的优质图像和实时交互特性。

和一些发达国家相比，我国视景仿真技术还有一定的差距，但己引起政府有关部门和相关领域专家们的高度重视。

根据我国的国情，制定了开展视景仿真技术的研究，例如，九五规划、国家自然科学基金会、国家高技术研究发展计划等都把VR列入在研究项目计划之内。

在紧跟国际新技术的同时，国内一些重点院校，已积极投入到这领域的研究工作中门。

北京航空航天大学计算机系是国内最早进行VR研究、最有权威的单位之一，他们在视景仿真理论的分析和研究的基础上，实现了分布式虚拟环境网络设计，它可以提供实时三维动态数据库，和开发虚拟现实应用系统的开发平台，并将要实现与有关位的远程连接。

浙江大学CAD&CG国家重点实验室开发出了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统，该系统采用了层面迭加的绘制技术和预消隐技术，实现了立体视觉，同时还提供了方便的交互工具，使整个系统的实时性和画面的真实感都达到了较高的水平。

另外，他们还研制出了在虚拟环境中一种新的快速漫游算法和一种递进网格的快速生成算法。

哈尔滨工业大学计算机系已经成功地虚拟出了人在高级行为中特定人脸图像的合成，表情的合成和唇动的合成等技术问题，并正在研究人说话时脸态和手势、动作、话音和语调的同步等。

北方工业大学CAD研究中心是我国最早开展计算机动画研究的单位之一，关于虚拟现实的研究已经完成了2个863项目，完成了体视动画的自动生成部分算法与合成软件处理。

另外，西北工业大学CAD/CAM研究中心、上海交通大学图像处理模式识别研究所，长沙国防科技大学计算机研究所、华东船舶工业学院计算机系、安徽大学电子工程与科学系、南京航空航天大学等单位也进行了一些研究工作和尝试。

1.3任务及要求

本课题主要任务是利用VegaPrime2.0（VP2.0）仿真软件，Creator建模软件，VS2003.NET软件，设计一个直升机视景仿真系统。

基于此任务，本课题的任务主要分为仿真软件设计和模型建立两大部分。

先熟悉各个软件环境，然后使用软件，进行三大模块化设计：

包括VP2.0软件环境下的LP模块中.ACF仿真模块设计：

Creator软件环境下直升机模型、地形模型等仿真环境的模块建立：

VS2003.NET软件环境下Windows控制台程序模块设计。

本课题的要求及课题指标如下：

利用VegaPrime2.0视景仿真应用系统开发环境，Creator建模软件建立直升机的三维模型、地形模型，并可通过编写C++控制台程序实现直升机的前进、后退、滚转、前后左右视景改变效果等动作，从而交互式地控制直升机完成虚拟仿真。

1.4任务分析与实现

针对本课题基于VegaPrime2.0仿真软件建立直升机视景仿真系统。

进行任务分析得到：

首先利用Creator建好模型，形成LP环境下可用的.flt仿真文件格式，进而用LP配置形成初步的.ACF仿真文件，最后再通过Windows32控制台程序调用.ACF仿真文件，进一步形成在控制台下的交互式的直升机视景仿真系统。

1.5主要内容及安排

本文主要内容为论述直升机视景仿真系统的设计思想、实现方法步骤、直升机视景仿真系统建立过程中，设计.ACF仿真文件以及编写Windows控制台程序出现问题的解决。

本次设计的内容可以分为三部分：

第一部分是相关软件的介绍和应用，其中重点介绍VegaPrime2.0软件使用方法和应用，再次重点介绍VS2003.NET如何结合VegaPrime2.0软件的使用方法，再简单介绍Creator建模软件的使用。

第二部分是软件设计。

软件设计设计又主要分为两大模块：

基于LP2.0软件设计模块和基于VS2003.NET编译环境的Windows32控制台程序设计模块。

第三部分是：

在LP2.0和VS2003.NET两个软件模块都调试都成功的前提下，进行两个软件结合调试和联调。

这是整个设计的关键，也是设计的难点所在。

2相关软件介绍和应用

2.1视景仿真系统所用软件

直升机视景仿真系统设计所用仿真软件比较多，并且各个仿真软件各有特点，其中最为熟悉的为Matlab仿真中用到的SimuLink仿真，OpenGL虚拟仿真软件等等。

本文所用的虚拟仿真软件为VegaPrime2.0软件。

该虚拟仿真软件使用比较方便快捷，便于编程人员较快的熟悉它的应用环境。

除了该软件外还必须结合视景控制软件的使用，才能完成真正的视景仿真，本文所用的控制软件为VS2003.NET。

还有在应用VegaPrime2.0的同时，必须应用建模软件建立相关的仿真模型，本文所用的的建模软件为Creator软件。

2.2软件的选取论证及介绍应用

仿真软件的选取相当重要，可以达到较高的开发效率，起到事半功倍的效果，以及最快的速度达到系统设计要求。

因此本文就选用上述三个仿真软件来完成直升机视景仿真系统设计。

2.2.1三维建模软件选取及应用

建立高效的仿真模型，不仅为计算机节省资源，而且还能达到较高的仿真效率，使得系统的响应较快，达到仿真时的连续、实时的交互仿真效果。

相反，建模软件的使用和选取不当，就有可能造成计算机系统资源的不必要的浪费，并且造成仿真效率较低，仿真视景帧图刷新不连续，容易死机。

比如有些建立模型的建模软件的确较为优秀，但是结合视景仿真软件使用时就有可能出现十分不理想的效果。

如3Dmax,maya..等建模软件，虽然建立的模型较为有细节层次，而且视觉效果非常好，但是它们建立的仿真模型应用为视景仿真模型的时候，在仿真中视觉作用效果几乎不大，而且在仿真画面的的循环过程中，占用一部分相对来说较大的计算机资源，仿真中影响仿真速度及刷新速度，并且还有一个缺点为应用于视景仿真是模型数据转化较为困难和麻烦。

然而，Creator建模软件建立的三维模型，生成.flt数据文件。

.flt模型数据文件占用计算机资源不是很大，而且效率就高特别适用于动态虚拟仿真。

例如，该论文为直升机视景仿真系统设计关注的就是关注的是一个交互式的飞行模拟，高速飞行。

沉浸在仿真中的观察者的期望是动态的飞行仿真、交互性和真实的飞行响应，而场景真实度以及场景细节是第二位的，仅是在视觉定向等有用。

视觉效果用一些用简单的纹理贴图和层次细节（LOD）就很容易满足。

因此本文选择了既不影响仿真视觉效果、又不影响仿真运行速度、并且消耗计算机内存资源不太大的Creator建模软件来建立视景仿真模型。

直升机模型建立主要分为两部分：

直升机主体建模和直升机螺旋桨叶建模。

并且在建模中设定主体部分和连接螺旋桨的之处为节点（DOF节点）。

建立该节点的目的是，编写控制台程序控制直升机螺旋桨转动和转速快慢，达到逼真的仿真效果。

模型建立的总体框图如图2.1所示：

图2.1模型建立框架

由于直升机模型建立需要真实的尺寸数据来源，而且由于专业原因和时间限制，建立直升机模型并不是本文的重点。

本文重点是视景仿真的软件设计和控制软件的设计。

所以，此处只介绍软件控制部分所要应用的DOF节点设置的原因。

故直升机模型就利用了已经被建好的阿帕奇直升机模型。

对于地形模型的建立也是选取了已建好的三维地形模型。

模型当中有相当丰富的模型类型,有建立好的房子、湖水、河流、小桥、马路等等逼真三维模型。

2.2.2Vega软件选取及介绍应用

Vega的英文原义是织女星的意思。

成立于1990年的ParadingmSimulation公司。

发展起步相对较晚，它是在SGIPerformer软件的基础上开发出的一套完整的可利用的实时仿真应用的渲染引擎，随后不久发布了Vega的第一个商业化版本。

1998年，Paradigm公司和开发了Creator系列等著名实时三维模型制作工具的Multigen公司合并，组建了现在的Multigen-Paradigm公司。

合并后的公司凭借其实时三维可视化方面的强大技术优势，快速发展成为世界上在虚拟现实和视景仿真等领域最成功的系统解决方案提供商之一。

Vega作为其旗舰产品之一，也逐渐成为可视化仿真领域的世界领先级应用软件环境。

Vega仿真软件的发展主要经历了Vega3.7、Vega3.7.1、VegaPrime2.0（VP2.0）、VegaPrime2.1（VP2.1）、VegaPrime2.2（VP2.2）版本。

本文选用了VP2.0仿真版本。

原因为：

（1）系统所装的编译环境为VS2003.NET版本。

而且该编译环境。

对应于VP2.0中LP的.ACF文件配置环境。

（2）Vega对应于比较旧的编译环境VC6.0版本。

而且Vega使用编程语言为C语言来进行功能模块的调用。

而VP通过模块类的相互作用来实现功能。

功能更加强大和方便。

（3）Vega应用是基于进程的，VP的应用是基于线程的。

VP使用线程共享内存资源，提高了仿真效率。

（4）Vega的仿真平台为Windows平台，跨平台能力弱；VP的仿真平台较宽，环境适应能力较强。

跨平台性：

它支持Microsoft Windows、SGIIRIX、Linux、SunMicrosystemsSolaris等操作系统，并且用户的应用程序也具有跨平台特性，用户可在任意一种平台上开发应用程序，而且无须修改就能在另一个平台上运行。

（5）还有一个不同点为Vega软件的Lynx配置生成了.ADF仿真文件；VP2.0软件的LP2.0配置生成了.ACF文件。

LP的.ACF文件的事例树比Lynx的点击图画式配置文件更具层次化和方便使用。

而且事例树结构清晰具有纵观全局的好处。

所以，总和上述选用了VP2.0视景仿真环境。

VegaPrime2.0是专门应用于实时视景仿真、声音仿真和虚拟现实等领域的渲染软件环境。

它是一个跨平台实时工具。

它构建在VSG（VegaSceneGraph）框架之上，是VSG的扩展API（ApplicationProgrammingInterface是一些预先定义的函数，目的是提供应用程序与开发员基于某软件或硬件的，以访问一组例程的能力，而又无需访问源码或理解内部工作机制的细节），包括了一个图形用户界面LynxPrime2.0和一系列可调用的、用C++实现的库文件、头文件。

VegaPrime在不同层次上进行了抽象，并根据功能不同开发了不同的模块，每个应用程序由多个模块组合而成。

它们都由VSG提供底层的支持。

VSG分为三个部分：

（1）vsgu（Utlitylibrary），提供内存分配等功能；

（2）vsgr（Rendenringlibrary），底层的图形库抽象，比如OpenGL或D3D；（3）vsgs（Scenegraphlibrary）。

在内核中，VegaPrime使用vsgs，vsgs使用vsgr，它们都使用vsgu。

VSG（VegaSceneGraph）是高级的跨平台的场景渲染API，是VegaPrime的基础，VegaPrime包括了VSG提供的所有功能，并在易用性和生产效率上作了相应的改进。

在为视景仿真和可视化应用提供的各种低成本商业开发软件中，VSG具有最强大的功能，它为仿真、训练和可视化等高级三维应用开发人员提供了最佳的可扩展的基础。

VSG具有最大限度的高效性、优化性和可定制性，无论用户有何需求，都能在VSG基础之上快速高效地开发出满足需要的视景仿真应用程序，VSG是开发三维应用程序的最佳基础。

VegaPrime能显著地提高工作效率，同时大幅度减少源代码开发时间。

原因是VP本身最底层的语言就基于C++编程实现的，它封装了大量的程序功能模块，形成自己独特的界面形式。

这些功能模块使VP很容易满足特殊模拟要求，例如飞行、航海、红外线、雷达、高级照明系统、动画人物、大面积地形数据库管理、CAD数据输入和DIS分布应用等等。

VegaPrime还包括完整的应用程序接口（即API），为软件开发人员提供最大限度的软件控制和灵活性。

VegaPrime开发产品有两种主要的配置：

VP-MP（Multi-Process）为多处理器硬件配置提供重要的开发和实时环境。

通过有效地利用多处理器环境，VP-MP在多个处理器上逻辑地分配视觉系统作业，以达到最佳性能。

VP也允许用户将图像和处理作业指定到工作站的特定处理器上，定制系统配制来达到全部需要的性能指标。

VP-SP（Single-Process）是Paradigm特别推出的高性能价格比的产品，用于单处理器计算机，具备所有VP的功