無人機(jī)虛擬仿真三維交互控制模型的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：介紹了如何利用Pro/E、3DS MAX及Cult 3D軟件設(shè)計(jì)制作無人機(jī)虛擬仿真三維交互控制模型，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的精確建模、動(dòng)態(tài)模擬和交互控制。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；操作訓(xùn)練；虛擬仿真；Pro/E；3DS MAX；Cult 3D

中圖分類號(hào)：TP391文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-098X(2011)03(a)-0000-00

長(zhǎng)期以來，無人機(jī)裝備的操作訓(xùn)練一般依賴于實(shí)裝開展，受到場(chǎng)地、人員、裝備維護(hù)保養(yǎng)的限制，具有效率低、代價(jià)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(jìn)行無人機(jī)操作訓(xùn)練，能夠有效克服實(shí)裝訓(xùn)練中存在的問題，且經(jīng)濟(jì)、智能、可重用，具有廣闊的應(yīng)用前景。

無人機(jī)虛擬仿真三維交互模型作為用戶訓(xùn)練中的直接操作對(duì)象，對(duì)整個(gè)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(qiáng)大的交互功能，其設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)涉及到計(jì)算機(jī)仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)的相關(guān)技術(shù)和結(jié)合機(jī)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(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，是解決上述問題的有效途徑[1-4]。在分別運(yùn)用Pro/E和3DS MAX對(duì)無人機(jī)實(shí)現(xiàn)精確建模和動(dòng)畫模擬的基礎(chǔ)上，借助Cult 3D進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)模型的交互功能，能夠有效確保無人機(jī)虛擬仿真三維交互模型的逼真度、沉浸感和可控性，對(duì)提高無人機(jī)虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的訓(xùn)練實(shí)效具有重要意義。

1 無人機(jī)三維實(shí)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(shí)現(xiàn)精確三維建模，故無人機(jī)三維實(shí)體仿真模型需借助Pro/E軟件來建立[5]。Pro/E是美國(guó)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(jì)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/E軟件建立的無人機(jī)某零件三維模型。

考慮到在無人機(jī)操作訓(xùn)練中，涉及大量的零部件的拆卸組裝以及配合運(yùn)動(dòng)過程，無人機(jī)三維實(shí)體模型的建立采用拼接法，即先建立各個(gè)零部件的獨(dú)立模型，再組裝成整體，具體過程為：首先，對(duì)無人機(jī)所含零部件進(jìn)行數(shù)量統(tǒng)計(jì)和尺寸測(cè)量，并予以標(biāo)識(shí)；其次，根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和測(cè)量參數(shù)，使用Pro/MOLDESIGN模塊創(chuàng)建各個(gè)零部件的三維模型，并予以修改和完善。所建立的單個(gè)零件模型要進(jìn)行規(guī)范的命名編號(hào)，以方便后期的合成組裝；再利用Pro/ASSEMBLY模塊將所有零部件進(jìn)行組裝，形成無人機(jī)整體模型；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(jī)某零件三維模型

2 無人機(jī)模型的渲染和動(dòng)畫設(shè)計(jì)

3DS MAX是Autodesk公司推出的一款三維動(dòng)態(tài)仿真軟件[6]，具有強(qiáng)大的材質(zhì)編輯功能，能細(xì)膩模擬實(shí)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(qiáng)烈的沉浸感。3DS MAX的動(dòng)畫設(shè)計(jì)通過設(shè)置關(guān)鍵幀參數(shù)實(shí)現(xiàn)，操作方便簡(jiǎn)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(dòng)畫[7]。3DS MAX與Pro/E相兼容，能夠?qū)ζ渖傻臒o人機(jī)三維模型進(jìn)行渲染加工和動(dòng)畫設(shè)計(jì)，從而彌補(bǔ)Pro/E軟件的不足。圖2所示為基于3DS MAX軟件制作的無人機(jī)裝配三維動(dòng)態(tài)模型。

（a）無人機(jī)裝配圖1

（b）無人機(jī)裝配圖2

圖2 基于3DS MAX建立的無人機(jī)裝配三維動(dòng)態(tài)模型

利用3DS MAX對(duì)無人機(jī)三維模型進(jìn)行渲染和動(dòng)畫設(shè)計(jì)的具體步驟為：首先，將 Pro/E導(dǎo)出的*.stl文件導(dǎo)入3DS MAX，對(duì)各個(gè)無人機(jī)零部件模型進(jìn)行材質(zhì)編輯、燈光效果設(shè)置。零部件模型使用實(shí)物照片進(jìn)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(jī)模型動(dòng)畫。按照具體操作步驟將動(dòng)畫分解成若干階段，在每個(gè)階段規(guī)劃零部件的運(yùn)行時(shí)間和順序，確保運(yùn)動(dòng)的同步性和協(xié)調(diào)性。

3無人機(jī)模型交互控制的設(shè)計(jì)

Cult 3D是由瑞典Cycore公司設(shè)計(jì)制作的一款三維虛擬仿真控制軟件，其基于“事件規(guī)劃窗口”的流程設(shè)計(jì)方式和圖形化編程模式，使得對(duì)三維模型復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的交互設(shè)計(jì)變得十分簡(jiǎn)單[8]。此外，Cult 3D還提供了Java API接口，用戶可以通過JAVA編程實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)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(jī)三維動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行交互功能設(shè)置，生成無人機(jī)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(jī)三維動(dòng)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(jìn)行模型交互功能的設(shè)計(jì)制作，具體步驟為：首先，將所需的模型對(duì)象從“場(chǎng)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(chǎng)景圖表”

其次，將“世界啟動(dòng)”和“計(jì)時(shí)器”圖標(biāo)拖入“事件規(guī)劃窗口”，并通過 “計(jì)時(shí)器時(shí)間線編輯窗口”設(shè)置模型動(dòng)畫的運(yùn)行時(shí)序。設(shè)置模型運(yùn)動(dòng)時(shí)序是極為重要的步驟，要與3DS MAX中設(shè)置的動(dòng)畫時(shí)間相兼容，否則將出現(xiàn)模型運(yùn)動(dòng)的錯(cuò)亂。制作過程中，用戶可通過“演示窗口”對(duì)所設(shè)計(jì)的虛擬交互模型進(jìn)行預(yù)覽，查找錯(cuò)誤并修正；然后，再將“點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵”圖標(biāo)拖入“事件規(guī)劃窗口”，對(duì)模型對(duì)象運(yùn)動(dòng)的交互觸發(fā)進(jìn)行設(shè)置，直至訓(xùn)練操作運(yùn)行完畢。最后，利用“文件發(fā)布對(duì)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(jī)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(duì)無人機(jī)分別進(jìn)行三維實(shí)體建模、動(dòng)畫設(shè)計(jì)、交互控制設(shè)計(jì)，最后生成了逼真的、可控的無人機(jī)虛擬仿真三維交互控制模型，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)無人機(jī)的三維運(yùn)動(dòng)仿真，操作訓(xùn)練模擬，大大提高了無人機(jī)虛擬仿真訓(xùn)練的可行性和實(shí)際效用。

參考文獻(xiàn)

[1] 申蔚，夏立文.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[M].北京:北京希望電子出版社，2002.

[2] 周曉琪.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社，2003.

[3] 陳定方，羅啞波.虛擬設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版杜，2002.