虛擬仿真技術(shù)范文

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1．引言

自20世紀(jì)9O年代以來，以計算機(jī)仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)為特征的“虛擬仿真實驗室”開始在世界各地出現(xiàn)，并逐步滲透到教學(xué)領(lǐng)域。作為一種新型的實驗教學(xué)手段，虛擬仿真教學(xué)對傳統(tǒng)的教學(xué)手段產(chǎn)生了強(qiáng)烈沖擊，并引發(fā)了教學(xué)領(lǐng)域一系列深刻的變化。種種跡象表明，虛擬仿真教學(xué)將是今后實驗教學(xué)改革的一個重要發(fā)展方向。本文結(jié)合多年來在航空電子裝備教學(xué)中應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)的經(jīng)驗，探討在航空電子裝備教學(xué)軟件中應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)的方法和體會。

2．虛擬仿真技術(shù)簡介

虛擬仿真技術(shù)是對虛擬現(xiàn)實技術(shù)和系統(tǒng)仿真技術(shù)的合稱。

2．1虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)就是利用三維建模技術(shù)，構(gòu)建一個與現(xiàn)實世界的物體和環(huán)境相同或相似的虛擬三維場景，并能響應(yīng)用戶的輸入，根據(jù)用戶的不同動作做出相應(yīng)的反應(yīng)。虛擬現(xiàn)實的關(guān)鍵技術(shù)主要有動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)、實時三維圖形生成技術(shù)、立體顯示和傳感器技術(shù)等。虛擬現(xiàn)實技術(shù)主要側(cè)重于對真實物體物理特征的仿真，也稱為視景仿真，它主要用于產(chǎn)品設(shè)計與展示、商業(yè)廣告、游戲設(shè)計等。

在航空電子裝備教學(xué)中，大量用到對裝備的外觀、結(jié)構(gòu)、組成、連接、機(jī)安裝位置的展示，傳統(tǒng)教學(xué)大都采用實物展示的方法。近年來隨著大量航空電子裝備的更新?lián)Q代，因受經(jīng)費(fèi)、場地及使用壽命等因素的限制，傳統(tǒng)教學(xué)方法已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求，而采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的展示方法則以其廉價、無場地限制和效果良好得以廣泛應(yīng)用。

目前有大量成熟的軟件平臺可以進(jìn)行視景仿真的開發(fā)，主流平臺CreatorVegaVegaPrimeVTreeOPENGVSQUEST3DVRTOLLSEON、WEB3D、JAVA3D、GLStudio等。其中，MULTIGEN公司的虛擬現(xiàn)實數(shù)據(jù)庫OPENFLIGHT已經(jīng)成為了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在軍事、航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用都比較成熟。在航空電子裝備虛擬仿真軟件的開發(fā)中我們采用rVegaPrime、GLStudio和EON作為視景仿真開發(fā)的技術(shù)平臺，解決物理模型的創(chuàng)建、場景顯示等問題。該平臺可以達(dá)到照片級的視景仿真效果．同時采用嵌入OPENGL技術(shù)來解決物理模型的交互問題。

2．2系統(tǒng)仿真技術(shù)

系統(tǒng)仿真技術(shù)是伴隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而逐步形成的一門新興學(xué)科．它通過建立實際系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，利用計算機(jī)運(yùn)算來達(dá)到對被仿真系統(tǒng)的分析、研究、設(shè)計等目的。系統(tǒng)仿真技術(shù)主要側(cè)重于對真實系統(tǒng)的內(nèi)在機(jī)理、運(yùn)動方式的仿真，也稱為行為仿真。系統(tǒng)仿真技術(shù)最初主要用于航空、航天、原子反應(yīng)堆等價格昂貴、周期長、危險性大實際系統(tǒng)試驗難以實現(xiàn)等少數(shù)領(lǐng)域，后來逐步發(fā)展到電力、石油、化工、冶金、機(jī)械等一些主要工業(yè)部門，并進(jìn)一步擴(kuò)大到社會系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、交通運(yùn)輸系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)等一些非工程系統(tǒng)領(lǐng)域。

在航空電子裝備教學(xué)中，對裝備工作原理的講解既是重點也是難點。傳統(tǒng)教學(xué)方法主要通過教員的講述，配合一些靜態(tài)的圖形幫助學(xué)員理解．教學(xué)效果主要依賴于教員的授課水平和技巧。近年來．我們嘗試將系統(tǒng)仿真技術(shù)應(yīng)用到航空電子裝備教學(xué)中，根據(jù)被仿真裝備的工作原理，建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)裝備的不同工作狀態(tài)，對模型進(jìn)行動態(tài)運(yùn)行．結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)的逼真場景．較好地模擬實際裝備的工作情況。利用該技術(shù)開發(fā)、研制的教學(xué)軟件不但可供教員教學(xué)使用．也可供學(xué)員自學(xué)，并達(dá)到了較好的教學(xué)效果。

目前，有許多成熟的系統(tǒng)仿真開發(fā)平臺軟件．如Simulink、SystemView等，這些軟件以其功能強(qiáng)大和使用方便、易用性受到廣大用戶歡迎．但價格較為昂貴，且大多未提供對外的仿真數(shù)據(jù)接口．仿真系統(tǒng)應(yīng)用的靈活性、擴(kuò)展性和可變性受到很多限制。當(dāng)然也可自行開發(fā)適用的仿真開發(fā)平臺軟件。在航空電子裝備虛擬仿真軟件的開發(fā)中我們采用的是自行開發(fā)的系統(tǒng)仿真平臺軟件。

3．虛擬仿真技術(shù)在航空電子裝備教學(xué)中的應(yīng)用方法和步驟

3．1建立仿真模型

這里所說的仿真模型既包括反映航空電子裝備外觀、結(jié)構(gòu)的三維物理模型，也包括揭示其內(nèi)在工作機(jī)理及行為的數(shù)學(xué)模型。對三維物理模型的建立，主要依據(jù)裝備本身的物理狀態(tài)，其原則就是在盡量減小面數(shù)的同時提高逼真度。對系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立，則需要視系統(tǒng)的復(fù)雜程度進(jìn)行取舍和優(yōu)化，本著夠用為度的原則，以盡量減小運(yùn)算量。建立數(shù)學(xué)模型時，還應(yīng)考慮到系統(tǒng)運(yùn)行時的參數(shù)調(diào)整。

3．2創(chuàng)建仿真裝備的虛擬場景并驅(qū)動

對于虛擬場景的驅(qū)動，根據(jù)使用方式的不同采用了不同的方式如果進(jìn)行的僅是裝備外觀、結(jié)構(gòu)的展示，可使用EON進(jìn)行動作的編輯和驅(qū)動；如果需要對裝備進(jìn)行虛擬操作仿真，則使用GLStudio軟件先進(jìn)行操作面板、虛擬儀表的編輯和制作，然后再利用VegaPrime驅(qū)動以實現(xiàn)更復(fù)雜的交互操作。

3.3系統(tǒng)集成

系統(tǒng)集成就是將上述做好的模型、場景按照教學(xué)軟件所需的形式將其有機(jī)的整合在一起，使之成為_個完整的、規(guī)范的教學(xué)軟件。系統(tǒng)集成可以使用目前常用的軟件開發(fā)平臺如VB、vc++等。由于上述虛擬現(xiàn)實驅(qū)動軟件如EON、GLStudio及VegaPrime等均以ActiveX控件方式提供了可用于常用軟件開發(fā)平臺的運(yùn)行插件，因此，系統(tǒng)集成變得十分方便。編寫程序時，只需考慮軟件功能的安排，注意程序間的兼容性即可。

系統(tǒng)集成時，還需要將系統(tǒng)行為仿真的結(jié)果通過視景仿真表現(xiàn)出來，即用行為仿真的數(shù)據(jù)來驅(qū)動三維物理模型的動作。由于系統(tǒng)行為仿真采用了專門的運(yùn)行平臺，與視景仿真處于不同的系統(tǒng)進(jìn)程中．因此這種驅(qū)動是通過兩進(jìn)程間的實時通信來完成的。這里還需要考慮進(jìn)程間的同步問題。

4．結(jié)語

虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)研制的目的是高質(zhì)量服務(wù)于教學(xué)。目前．我們已開發(fā)完成了“XXX型無線電羅盤虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)”、“XXX型塔康機(jī)載設(shè)備虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)”等多個航空電子裝備虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)軟件，并在教學(xué)實踐中投入使用，均取得了良好的效果。隨著虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)中應(yīng)用的不斷深入，必將帶來教學(xué)手段的。次質(zhì)的飛躍。