無人機虛擬仿真三維交互控制模型的設(shè)計與實現(xiàn)(共4頁)

1、無人機虛擬仿真三維交互控制模型的設(shè)計與實現(xiàn)作者：成堅 郭玖涌 孫燁 王宏新來源：科技創(chuàng)新導(dǎo)報2011年第07期        摘要：介紹了如何利用Pro/E、3DS MAX及Cult 3D軟件設(shè)計制作無人機虛擬仿真三維交互控制模型，實現(xiàn)無人機的精確建模、動態(tài)模擬和交互控制。        關(guān)鍵詞：無人機；操作訓(xùn)練；虛擬仿真；Pro/E；3DS MAX；Cult 3D      

2、  中圖分類號：TP391文獻標識碼：A文章編號：1674-098X(2011)03(a)-0000-00                長期以來，無人機裝備的操作訓(xùn)練一般依賴于實裝開展，受到場地、人員、裝備維護保養(yǎng)的限制，具有效率低、代價高、訓(xùn)練內(nèi)容片面的弊端。利用虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)進行無人機操作訓(xùn)練，能夠有效克服實裝訓(xùn)練中存在的問題，且經(jīng)濟、智能、可重用，具有廣闊的應(yīng)用前景。   &#

3、160;    無人機虛擬仿真三維交互模型作為用戶訓(xùn)練中的直接操作對象，對整個虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用，必須具備逼真的外觀形象和強大的交互功能，其設(shè)計實現(xiàn)涉及到計算機仿真與虛擬現(xiàn)實的相關(guān)技術(shù)和結(jié)合機制問題。采用Pro/E、3DS MAX及Cult 3D軟件相結(jié)合的形式，利用三者之間的兼容性進行優(yōu)勢互補，是解決上述問題的有效途徑1-4。在分別運用Pro/E和3DS MAX對無人機實現(xiàn)精確建模和動畫模擬的基礎(chǔ)上，借助Cult 3D進一步實現(xiàn)模型的交互功能，能夠有效確保無人機虛擬仿真三維交互模型的逼真度、沉浸感和可控性，對提高無人機虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的

4、訓(xùn)練實效具有重要意義。        1 無人機三維實體模型的建立        由于Cult 3D本身沒有仿真建模功能，3DS MAX難以實現(xiàn)精確三維建模，故無人機三維實體仿真模型需借助Pro/E軟件來建立5。Pro/E是美國PIE公司推出的一款CAD/CAM/CAE集成解決方案，是目前應(yīng)用最為廣泛的工業(yè)仿真設(shè)計軟件之一。它采用設(shè)置特征參數(shù)的建模方式，使用參數(shù)來描述零部件的形狀、尺寸和屬性，所建三維模型的精度較高。圖1所示為基于Pro

5、/E軟件建立的無人機某零件三維模型。        考慮到在無人機操作訓(xùn)練中，涉及大量的零部件的拆卸組裝以及配合運動過程，無人機三維實體模型的建立采用拼接法，即先建立各個零部件的獨立模型，再組裝成整體，具體過程為：首先，對無人機所含零部件進行數(shù)量統(tǒng)計和尺寸測量，并予以標識；其次，根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)和測量參數(shù)，使用Pro/MOLDESIGN模塊創(chuàng)建各個零部件的三維模型，并予以修改和完善。所建立的單個零件模型要進行規(guī)范的命名編號，以方便后期的合成組裝；再利用Pro/ASSEMBLY模塊將所有零部件進行組裝，形成無人機整體模型

6、；最后將Pro/E生成的*.prt文件導(dǎo)出為*.stl格式文件。                圖1 基于Pro/E軟件建立的無人機某零件三維模型        2 無人機模型的渲染和動畫設(shè)計        3DS MAX是Autodesk公司推出的一款三維動態(tài)仿真軟件6，具有強

7、大的材質(zhì)編輯功能，能細膩模擬實物的質(zhì)地和紋理，在合理的燈光效果下可以渲染出逼真的視覺效果，給用戶帶來強烈的沉浸感。3DS MAX的動畫設(shè)計通過設(shè)置關(guān)鍵幀參數(shù)實現(xiàn)，操作方便簡潔，且?guī)缀跞魏螀?shù)都可作為關(guān)鍵幀參數(shù)，能夠生成多種復(fù)雜動畫7。3DS MAX與Pro/E相兼容，能夠?qū)ζ渖傻臒o人機三維模型進行渲染加工和動畫設(shè)計，從而彌補Pro/E軟件的不足。圖2所示為基于3DS MAX軟件制作的無人機裝配三維動態(tài)模型。               

8、0;（a）無人機裝配圖1                （b）無人機裝配圖2        圖2 基于3DS MAX建立的無人機裝配三維動態(tài)模型        利用3DS MAX對無人機三維模型進行渲染和動畫設(shè)計的具體步驟為：首先，將 Pro/E導(dǎo)出的*.stl文件導(dǎo)入3DS M

9、AX，對各個無人機零部件模型進行材質(zhì)編輯、燈光效果設(shè)置。零部件模型使用實物照片進行貼圖，并采用Ommi和Sky燈光作為背景燈光，力求渲染效果的逼真自然；其次，按照操作訓(xùn)練需求制作無人機模型動畫。按照具體操作步驟將動畫分解成若干階段，在每個階段規(guī)劃零部件的運行時間和順序，確保運動的同步性和協(xié)調(diào)性。        3無人機模型交互控制的設(shè)計        Cult 3D是由瑞典Cycore公司設(shè)計制作的一款三維虛擬仿真控制軟件，其基于“事件

10、規(guī)劃窗口”的流程設(shè)計方式和圖形化編程模式，使得對三維模型復(fù)雜運動的交互設(shè)計變得十分簡單8。此外，Cult 3D還提供了Java API接口，用戶可以通過JAVA編程實現(xiàn)更強大、更復(fù)雜的控制功能。Cult 3D與3DS MAX相兼容，能夠?qū)ζ渖傻臒o人機三維動態(tài)模型進行交互功能設(shè)置，生成無人機虛擬仿真三維交互控制模型。        借助Cult 3D Export插件，在3DS MAX環(huán)境下將無人機三維動畫模型導(dǎo)出為*.c3d文件，再將*.c3d文件導(dǎo)入Cult 3D Designer中，即可進行模型交互功能的設(shè)計

11、制作，具體步驟為：首先，將所需的模型對象從“場景圖表”（參見圖3）中的拖入“事件規(guī)劃窗口”，并在“演示窗口”中設(shè)置好用戶視角；                圖3 Cult 3D的“場景圖表”        其次，將“世界啟動”和“計時器”圖標拖入“事件規(guī)劃窗口”，并通過 “計時器時間線編輯窗口”設(shè)置模型動畫的運行時序。設(shè)置模型運動時序是極為重要的步驟，要與

12、3DS MAX中設(shè)置的動畫時間相兼容，否則將出現(xiàn)模型運動的錯亂。制作過程中，用戶可通過“演示窗口”對所設(shè)計的虛擬交互模型進行預(yù)覽，查找錯誤并修正；然后，再將“點擊鼠標左鍵”圖標拖入“事件規(guī)劃窗口”，對模型對象運動的交互觸發(fā)進行設(shè)置，直至訓(xùn)練操作運行完畢。最后，利用“文件發(fā)布對話框”將制作好的方案導(dǎo)出為*.co文件，作為虛擬仿真系統(tǒng)開發(fā)的無人機虛擬仿真三維交互控制模型素材。        4 結(jié)語        利用Pro/E、3DS MAX及Cult 3D軟件對無人機分別進行三維實體建模、動畫設(shè)計、交互控制設(shè)計，最后生成了逼真的、可控的無人機虛擬仿真三維交互控制模型，能夠?qū)崿F(xiàn)對無人機的三維運動仿真，操作訓(xùn)練模擬，大大提高了無人機虛擬仿真訓(xùn)練的可行性和實際效用。                參考文獻