本發(fā)明涉及飛行模擬技術(shù)領(lǐng)域，特別是指一種模擬三維場景六自由度傳感的飛行模擬器及飛行模擬方法。

背景技術(shù)：

飛行模擬是一種將真實世界信息和虛擬世界信息與飛行模擬器無縫集成的新技術(shù)，是令原本在現(xiàn)實飛行模擬器的一定時間空間范圍內(nèi)，體驗到的外界巨大模擬信息的技術(shù)。

為使三維場景與飛行模擬器結(jié)合的更為自然，現(xiàn)有技術(shù)提供了多種方案，然而由于系統(tǒng)運行效率和交互真實感之間存在矛盾：三維場景真實感渲染要求很高的計算量，如果要求保證實時性，就會減少人機交互的處理時間，導致這些技術(shù)方案要么只關(guān)注三維場景的真實感仿真，忽略了操作人員與系統(tǒng)的自然準確交互；要么只關(guān)注操作上的準確性，缺乏真實的虛擬效果。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出一種模擬三維場景六自由度傳感的飛行模擬器及飛行模擬方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)中三維場景的真實感與人機交互的準確性無法兼顧的問題。

本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的：

一種模擬三維場景六自由度傳感的飛行模擬器，包括：六自由度平臺與設(shè)于所述平臺上的模擬駕駛室，所述模擬駕駛室，包括：包括主控計算機的控制系統(tǒng)，用于控制模擬飛行時參數(shù)，控制各系統(tǒng)的工作；運動系統(tǒng)，用于從所述控制系統(tǒng)接受指令，指示所述平臺運動；三維場景系統(tǒng)，用于實時顯示模擬飛行時與模擬機姿態(tài)有關(guān)的座艙外真實世界景象；音響系統(tǒng)，用于制造聽覺模擬；交互式界面模塊，用于在飛行模擬器中集成操作運動系統(tǒng)的控制界面，并反饋傳感器實時模擬的大氣流顛簸。

本發(fā)明還涉及模擬三維場景六自由度傳感的飛行模擬方法，包括建造虛擬三維場景和構(gòu)建模擬飛行駕駛系統(tǒng)；所述建造虛擬三維場景包括以下步驟：S1、根據(jù)對實景的分析，對環(huán)境中各因素進行組合造型，并統(tǒng)一拾取優(yōu)化模型，建造虛擬三維場景，所述虛擬三維場景包括：大地模型、大氣環(huán)境模型、道路模型和建筑物模型；S2、根據(jù)現(xiàn)實數(shù)據(jù)按比例生成創(chuàng)建三維模型的坐標數(shù)據(jù)和尺寸數(shù)據(jù)；采用圖像建模法獲得所需要的紋理數(shù)據(jù)；通過上述數(shù)據(jù)建造建筑物模型和道路模型；S3、對于大地模型，采用基于地形塊的靜態(tài)多分辨率LOD算法，為地形塊建立多個LOD層次，每個層次分別建立多網(wǎng)格的模型；對于大氣環(huán)境模型，采用幾何體渲染與圖像渲染相結(jié)合手段進行建模；所述構(gòu)建模擬飛行駕駛系統(tǒng)包括以下步驟：S4、所述虛擬三維場景建模完成之后，系統(tǒng)接受消息響應函數(shù)，并將視點、視線世界坐標參數(shù)作為消息響應函數(shù)中的變量參數(shù)，通過模擬控制自由漫游，觀察模擬飛行的效果，輸出數(shù)據(jù)，最后寫入計算機并保存。

本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明中模擬三維場景六自由度傳感的飛行模擬器及飛行模擬方法，虛擬大規(guī)模場景，結(jié)合地形模型的特點，使用有效視錐裁減的LOD算法處理地景幾何體模型及其相應紋理，實現(xiàn)場景實時可視化；構(gòu)建了系統(tǒng)的人機交互界面系統(tǒng)，交互式界面中使用菜單欄保存數(shù)據(jù)，選擇特效，主視圖顯示模擬飛行主要場景，并在左下角輸出飛機飛行(包括高度變換、俯仰角及側(cè)翻角)實時數(shù)；且實現(xiàn)了六自由度飛行模擬平臺與三維場景的人機互動，實現(xiàn)了模擬飛行平臺的運動控制；模擬飛行時外部視景顯示模擬機姿態(tài)有關(guān)的座艙外真實世界景象，為飛行員提供飛行所需的飛行視覺環(huán)境和信息，結(jié)合運動系統(tǒng)的體感實現(xiàn)和音響系統(tǒng)的聽覺模擬，營造高度逼真的虛擬飛行環(huán)境，體驗更為自然，虛擬效果更加完美，具有創(chuàng)新性，自由性和娛樂性。

具體實施方式

下面將對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

實施例中的模擬三維場景六自由度傳感的飛行模擬器，包括：六自由度平臺與設(shè)于所述平臺上的模擬駕駛室，其特征在于，所述模擬駕駛室，包括：控制系統(tǒng)、運動系統(tǒng)、三維場景系統(tǒng)、音響系統(tǒng)和交互式界面模塊；其中，包括主控計算機的控制系統(tǒng)，用于控制模擬飛行時參數(shù)，控制各系統(tǒng)的工作；運動系統(tǒng)用于從所述控制系統(tǒng)接受指令，指示所述平臺運動；三維場景系統(tǒng)用于實時顯示模擬飛行時與模擬機姿態(tài)有關(guān)的座艙外真實世界景象；音響系統(tǒng)用于制造聽覺模擬；交互式界面模塊，。用于在飛行模擬器中集成操作運動系統(tǒng)的控制界面，并反饋傳感器實時模擬的大氣流顛簸。

實施例中交互式界面中使用菜單欄保存數(shù)據(jù)，選擇特效，主視圖顯示模擬飛行主要場景，并在左下角輸出飛機飛行(包括高度變換、俯仰角及側(cè)翻角)實時數(shù)。交互界面允許用戶看到屏幕上顯示的場景，允許用戶通過模擬飛行臺，模擬搖桿，信號按鈕等，實現(xiàn)用戶在場景中任何地點通過任何角度進行觀察，形象直觀地展示場景，達到可視化的目的。本發(fā)明向前推操縱桿為前進，向后推為后退，向左向右推分別為左移，右移視點，其余按鈕分別設(shè)置加速，降落，起飛，反轉(zhuǎn)等滿足不同場合的不同功能。

實施例中控制系統(tǒng)包括：初始化模塊、通信模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和運動分解模塊，初始化模塊用于將所述平臺的位置全部回到零點位置，使運動控制卡完成初始化；通信模塊用于完成所述控制系統(tǒng)與所述平臺之間的通信；數(shù)據(jù)處理模塊用于對所獲得的場景參數(shù)進行分析，通過計算轉(zhuǎn)換成所述平臺的具體動作數(shù)據(jù)；運動分解模塊用于根據(jù)所述平臺的具體動作數(shù)據(jù)，把具體動作分解成驅(qū)動所述平臺動作的電動缸各自的伺服運動，通過運動控制卡實現(xiàn)所述平臺的運動。本實施例中所述平臺的具體動作包括上升、降落、側(cè)翻和俯仰。

實施例中控制系統(tǒng)還包括：安全保護模塊，用于對所述平臺的預期升降進行軟限位，實時判斷用于驅(qū)動所述平臺運動的電動缸的位置和速度。同時電動缸自身也存在著硬限位，響應“急?！陛斎?，實現(xiàn)對電動缸的保護。

實施例中所述控制系統(tǒng)能以一定的頻率發(fā)送指令，所述運動系統(tǒng)根據(jù)所述指令動態(tài)響應場景中的飛機姿態(tài)，所述平臺每響應一條所述指令的時間等于兩條所述指令之間的時間間隔。為使所述平臺的動作響應與場景畫面保持較短的滯納性，采用高精度機械結(jié)構(gòu)提高反應速度，采用貼圖技術(shù)節(jié)約場景渲染繪制時間。

實施例中六自由度傳感平臺，采用六個完全相同的液壓伺服缸驅(qū)動一個運動平臺(座艙)，液壓缸的下端用關(guān)節(jié)軸承與基座相連，三個連接點構(gòu)成一個外接圓半徑為R的等邊三角形；液壓缸的上端用關(guān)節(jié)軸承與平臺相連，三個連接點構(gòu)成一個外接圓半徑為r的等邊三角形。在液壓缸驅(qū)動下，平臺能完成六個自由度方向的運動：即x，y，z三個方向的線運動以及俯仰、滾傳、偏航三個角運動；六個液壓缸均伸出一半時平臺位置定義為中性面位置，此時由上、下各連接點組成的上、下兩個等邊三角形方位相差為60度，平臺中性而高度為H；求解了平臺在不同位置時各液壓缸的伸出長度，通過該長度控制各液壓缸活塞位移來精確地控制平臺的位置；確定平臺對這些位移信號的響應以及平臺的位置精度；建立六自由度飛行模擬臺時，模擬臺采用液壓驅(qū)動方式，同時配合計算機控制模塊，實時模擬。

建立機械模擬臺應從模擬臺的本體結(jié)構(gòu)著手，包含如下因素：

建立平臺，包括了主體框，以及連接在主框體四周的左側(cè)邊框、右側(cè)邊框、前球幕支撐、后尾艙框架，支撐連接在主框體內(nèi)的支撐架及座艙支撐架，連接在主框體外側(cè)及底部的裙板和底蓋；

在運動模擬臺的工作空間避免機械機構(gòu)干涉，包括相鄰分支間的干涉，支與鉸支座間的干涉；

在滿足設(shè)計指標的前提下，盡量提高動平臺有效工作空間和運動系統(tǒng)體積的比例，這樣可以縮小運動系統(tǒng)的外觀尺寸，降低經(jīng)濟成本，同時也可相對提高運動系統(tǒng)的剛度；

在動、靜平臺的鉸點分布形式上，模擬臺趨向于3-3(左右平衡)結(jié)構(gòu)，這對與提高模擬臺的運動精度，尤其對提高動平臺的姿態(tài)實現(xiàn)能力極其重要；

運用平均靈巧度作為性能指標進行平臺結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，以此確定運動系統(tǒng)的關(guān)鍵尺寸參數(shù)；

上下鉸支座關(guān)節(jié)處非線性摩擦力與間隙將會對系統(tǒng)運動性能產(chǎn)生較大影響，且鉸鏈擺角與剛度限制模擬臺運動空間和承載能力，采用低摩擦、大擺角、無間隙和小間隙的關(guān)節(jié)鉸鏈。

本發(fā)明還涉及一種基于上述模擬三維場景六自由度傳感的飛行模擬器的飛行模擬方法，包括建造虛擬三維場景和構(gòu)建模擬飛行駕駛系統(tǒng)；

所述建造虛擬三維場景包括以下步驟：

S1、根據(jù)對實景的分析，對環(huán)境中各因素進行組合造型，并統(tǒng)一拾取優(yōu)化模型，建造虛擬三維場景，所述虛擬三維場景包括：大地模型、大氣環(huán)境模型、道路模型和建筑物模型；

S2、根據(jù)現(xiàn)實數(shù)據(jù)按比例生成創(chuàng)建三維模型的坐標數(shù)據(jù)和尺寸數(shù)據(jù)；采用圖像建模法獲得所需要的紋理數(shù)據(jù)；通過上述數(shù)據(jù)建造建筑物模型和道路模型；

S3、對于大地模型，采用基于地形塊的靜態(tài)多分辨率LOD算法，為地形塊建立多個LOD層次，每個層次分別建立多網(wǎng)格的模型；對于大氣環(huán)境模型，采用幾何體渲染與圖像渲染相結(jié)合手段進行建模；模擬諸如云，降水，閃電等不同等級能見度下的情況；此外，設(shè)置夜景模擬，包括機場和環(huán)境燈光，精確渲染模型；

所述構(gòu)建模擬飛行駕駛系統(tǒng)包括以下步驟：

S4、所述虛擬三維場景建模完成之后，系統(tǒng)接受消息響應函數(shù)，并將視點、視線世界坐標參數(shù)作為消息響應函數(shù)中的變量參數(shù)，通過模擬控制自由漫游，觀察模擬飛行的效果，輸出數(shù)據(jù)，最后寫入計算機并保存。

實施例中，步驟S2中，所述現(xiàn)實數(shù)據(jù)的獲得包括：使用設(shè)計圖紙資料、實地測量、或者對建筑物拍照來獲得圖像；所述圖像建模法包括：先使用相機進行拍攝，將圖像進行切割，拼接，調(diào)整圖像大小等處理后，保存為圖片，作為模型的貼圖庫。

本實施例的方法主要通過計算機及飛行模擬設(shè)備來實現(xiàn)；所述計算機設(shè)備包括網(wǎng)絡設(shè)備和用戶設(shè)備；所述網(wǎng)絡設(shè)備包括但不限于單個網(wǎng)絡服務器、多個網(wǎng)絡服務器組成的服務器組或基于云計算的由大量計算機或網(wǎng)絡服務器構(gòu)成的云，云計算是分布式計算的一種，由一群松散耦合的計算機集組成的一個超級虛擬計算機；所述用戶設(shè)備包括但不限于PC機、平板電腦、智能手機、PDA、IPTV等；所述計算機設(shè)備所處的網(wǎng)絡包括但不限于互聯(lián)網(wǎng)、廣域網(wǎng)、城域網(wǎng)、局域網(wǎng)、VPN網(wǎng)絡等。

實施例中模擬三維場景六自由度傳感的飛行模擬器及飛行模擬方法，虛擬大規(guī)模場景，結(jié)合地形模型的特點，使用有效視錐裁減的LOD算法處理地景幾何體模型及其相應紋理，實現(xiàn)場景實時可視化；構(gòu)建了系統(tǒng)的人機交互界面系統(tǒng)，交互式界面中使用菜單欄保存數(shù)據(jù)，選擇特效，主視圖顯示模擬飛行主要場景，并在左下角輸出飛機飛行(包括高度變換、俯仰角及側(cè)翻角)實時數(shù)；且實現(xiàn)了六自由度飛行模擬平臺與三維場景的人機互動，實現(xiàn)了模擬飛行平臺的運動控制；模擬飛行時外部視景顯示模擬機姿態(tài)有關(guān)的座艙外真實世界景象，為飛行員提供飛行所需的飛行視覺環(huán)境和信息，結(jié)合運動系統(tǒng)的體感實現(xiàn)和音響系統(tǒng)的聽覺模擬，營造高度逼真的虛擬飛行環(huán)境，體驗更為自然，虛擬效果更加完美，具有創(chuàng)新性，自由性和娛樂性。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。