數字化仿真產品讓你真的在天上飛

俞文斌

摘要：數字納米科技，計算機多媒體三維仿真學，在現實飛行環境模擬開發項目中，虛擬現實空間環境，視景圖像聲音環境，力場定位方向判別等人工三維虛擬演算參數的開發，使得航天飛行模擬產業鏈構架在本世紀進一步飛躍發展，飛行模擬器的人性化智能化可控性操作促進了飛行產品實質性開發的可持續發展道路，而飛行模擬數字化實驗室不僅能夠形成通用航空產業，還推動了不同航天飛行領域機械化生產模式的規模。模擬現實三維呈現和現實環境數字化模擬是社會技術進步發展的必然產物，文章從模擬座艙飛行員轉動輪椅仿真到模擬飛行時周邊環境的視覺聽覺感官模擬到最后你如何真的坐在那里開飛機為案例，將設計的一系列參數與算法簡單概略介紹，讓你做到真的在天上飛。

關鍵詞：現實環境;虛擬現實;場景和視景;飛行模擬;仿真飛行

引言：作為我國支柱產業的通用航空事業，航天產品就是航空企業為社會提供大量福利所必須的資源基礎，是社會生活同人文科學更加生動靈活便利的意識形態。數字化模擬飛行實驗室的設計同仿真飛行產品鏈構架的開發密不可分，民航飛行模擬仿真實驗室的科技力量逐步提升也有利于整體全民社會經濟效率的提高，隨同現實環境模擬同視景三維仿真生成技術的發展，有必要將數字化多媒體三維立體呈像感官技術應用于飛行產品設計開發項目上，從而進一步推動我國航空道路的可持續發展。

一 數字虛擬現實環境所相關的設計參數與分析點

1. 1 陀螺效應導致生成旋翼氣動力學的分析

旋翼氣動力場技術作為飛行器空氣動力學研究的首要關鍵，此項核心技術研究得到了世界各國的重視。不同于固翼飛機飛行器具有的復雜的旋翼結構，飛行器的繞槳轂在飛行實際過程中會開始轉動產生槳葉渦輪揮舞的空氣動力學運動失真。在科式力抖動的作用下槳葉將開始進行領先到滯后的循環運動。在前飛的過程中由于空氣來流速度并不對稱，所以旋翼上將會產生空氣氣流的錐體后傾現象，以至于旋翼的生理方向隨之嚴重的錯位偏移。這樣在機身與旋翼的相互物理推挽式耦合協拉作用下，旋翼將對機身施加反向的扭矩誤差，同時由于陀螺自轉軸承產生空氣進動力場，所以機身還會產生特定的陀螺效應。而槳距角、旋翼誘導速度、槳葉扭轉規律等這些因素的存在將會最終決定旋翼的空氣升力大小。其中誘導速度與機身速度有關計算時所需采取的迭代計算方法，在建立旋翼氣動力模型時需要對這些影響模型精確率的關鍵因素進行精準打擊的人工智能匹配計算。

1.2 拉格朗日法和牛頓歐拉法對空氣動力學的陀螺建模

完成旋翼氣動力分析后還要考慮飛行器機身的運動特性會受到其他哪些因素的影響，以便建立相應的動力學模型對機身受力展開分析。除了旋翼以外飛行器的尾槳、垂直和水平安定面都會對機身運動特性產生影響。此外模擬器著陸時的輪胎和起落架也會產生阻尼力和彈性力，而這些力和空氣廢阻力都是建模時需要考慮的因素。就目前來看建模主要可以使用拉格朗日法和牛頓歐拉法。根據機身的受力特性和運動特性可以選擇性采取其中一種方法建模。比如在對重力產生的加速度進行分析時，就要在機體坐標系中進行重力的分析。若想要對任意時刻的坐標系轉換矩陣進行分析時，就要對機身運動的歐拉角進行確定。完成上述內容后還要以建立該方程的解算模塊并且進行相應計算方法與流程圖的確定，以便求解出飛行器相關的坐標和姿態角。作為飛行模擬器的核心研究項目，方程解算的結果將對整個全局系統工作的精度產生直接致命的影響。

1.3抖振反饋力學同人性化仿真動感的分析

模擬飛行器的飛行姿態和飛行速度在幾何交替變化時需要使用相應動感仿真技術。該技術可幫助飛行員在數字虛擬環境下真實感受三維現實環境中的飛行器的可運動性操控，能夠產生與真實飛行器的相同動感。此過程需要利用計算機代碼運算軟件進行特定針對性的驅動激勵信號的生成，然后利用該數字化三維虛擬信號進行模擬現實環境的可執行機構的驅動，可以使機身同時模擬產生出符合現實環境中的抖振和運動。目前可以使用的動感仿真技術包括抖振座椅、平臺式運動系統、和過載座椅等操控。通常的情況下可以選用液壓軸承驅動、電動力場和氣動力場相關的場作用力、物理相互推挽方向場力線等方式進行六軸自由度機構的并聯多分級多分體設計。以采取液壓軸承驅動方式的運動平臺為例，平臺將由六只鉸鏈、六只液壓缸和兩個平臺所構成，這里只是簡略介紹構思實際要結合的人力物力資源設計方案絕對不是那么簡單的。

二 項目案例讓你如何真的坐在那里開飛機

2.1模擬座艙和飛行輪椅的數字化模擬

飛行產品生產過程中每個環節設定需要運行一個虛擬仿真參數，比如陀螺效應，旋翼氣動力學，拉格朗日法，牛頓歐拉法，空氣動力學陀螺建模等。

例如，抖振座椅、過載座椅，液壓軸承驅動、電動力場和氣動力推挽，六軸感力，六鉸鏈、六液壓缸等相關的模擬座艙飛行太空輪椅設計與出發舉例。

數字化模擬現實環境技術在構建三維仿真感官相對應的視覺聽覺模擬實驗時，模擬座艙飛行員所坐輪椅針對的虛擬空間環境所涉及的比如，日常進行生活行為可以通過一系列手法動作的操控完成，包括打開控制開關、拉動門閥電閘等一系列操作可以發現的該仿真太空輪椅所存在的固有缺點。設計人員轉動仿真輪椅進出艙門時輪椅的轉彎半徑如果設計不當也會導致偏移空間最終無法順利移位。在模擬環境中設計人員可以及時發現仿真產品存在的缺點，及時調整并修正現實產品的定位從而大規模生產以滿足社會的需求。

輪椅設計完后還要飛行員實際調試，三維場景建模中經常會遇到飛行員身臨其境后無法同數字產生的遲滯與滯后相匹配的矛盾，在使用場景驅動和視景建模兩種視景仿真技術中，完整的地形建模、特效設計、運動三維、實體導入、實時驅動等仿真參數，能夠完成視景生成與三維顯示系統的設計。

由于三維仿真飛行器有貼地飛行和飛行速度慢的特點，所以需要使現實環境的地景模型的三維虛擬化地形生成紋理更加的細致，以便使飛行員產生身臨其境的感受。同時考慮到三維仿真時飛行器水平視角較大和垂直視角較集中的矛盾情況，還需合理進行三維數字化虛擬視景顯示系統的高維度演算設計。

此外需要進行高效率的通信模塊設計，才能夠避免出現數字化虛擬三維環境時候引起的數字景視畫面的遲滯，在或者幾何倍數增長的高流量大信息流向數據傳送的滯后問題。而利用專業的三維虛擬現實環境相對應的視景驅動軟件項目開發工程，可以有效從模型庫道路設計環境三維運算演生出現實環境，從而實現飛行員可操控的飛行器的真實實時驅動性相關的虛擬化操作環境，意思就是你真的是坐在那里在開飛機了。

2.2 數字感官模擬運算讓你最終在天上飛

還沒結束，另外注意人工力場定位方向所產生的三維座艙感官模擬問題，飛行模擬器中如果模擬座艙為主體部位。為給飛行員提供真實的現實環境感覺，其三維數字化虛擬生成的現實環境所對應的內部操縱設備布局、形狀、信號設置和儀表等因素都將與真實飛行器相同匹配。通過將三維座艙安裝在運動系統平臺上，然后利用虛擬環境實現的超負荷系統進行飛行模擬器的負載控制，就能夠使飛行員產生現實環境所對應的相同的操作感受。而虛擬的數字化環境衍生的負荷系統由多個負載裝置組成，這些裝置需要分別與不同的虛擬現實環境所對應的操縱設備連接以便使飛行員的手和腳都能夠感受到現實環境中所針對的操作力場。

此外利用音箱虛擬聲音方向定位的模擬器材，也能夠給飛行員帶來特定的聽覺感官方面的三維虛擬現實環境判斷，意思就是你身臨其境感受到的一切多是虛擬的自然，這個就叫虛擬三維數字化環境產生對應的現實三維世界所對應的視景包括聽覺在內的現實環境，說的簡單點就是五官感覺看到的聽到的多是真實的卻又是虛擬的數字代碼并不真實存在的感官模擬，但是你真的確實在天上飛了。

3、結論：

使用人工虛擬化仿真數字環境運算，飛行模擬器虛擬實驗室，開展飛行員訓練和飛行器研究工作，推動了相關航空領域的發展，研究模擬仿真技術促進了飛行器模擬研究項目的發展。文章對空氣動力場反饋、動力學數字建模、視景感官圖像呈現、三維定位仿真等關鍵技術的解剖，為我國航空航天通用飛行科技事業的發展提供了參考。

參考文獻：

[1]夏偉.虛擬技術在通用航空飛行模擬器中的分析[J]. 飛行器技術， 2017（1）.

[2]羅文田. 虛擬技術在模擬飛行訓練中的分析[J]. 軟件， 2018.

上海市閔行第三中學 上海 200240