无人机虚拟仿真三维交互控制模型的设计与实现

龙源期刊网无人机虚拟仿真三维交互控制模型的设计与实现作者：成坚郭玖涌孙烨王宏新来源：《科技创新导报》2011年第07期摘要：介绍了如何利用Pro/E、3DSMAX及Cult3D软件设计制作无人机虚拟仿真三维交互控制模型，实现无人机的精确建模、动态模拟和交互控制。关键词：无人机；操作训练；虚拟仿真；Pro/E；3DSMAX；Cult3D中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：1674-098X(2011)03(a)-0000-00长期以来，无人机装备的操作训练一般依赖于实装开展，受到场地、人员、装备维护保养的限制，具有效率低、代价高、训练内容片面的弊端。利用虚拟仿真训练系统进行无人机操作训练，能够有效克服实装训练中存在的问题，且经济、智能、可重用，具有广阔的应用前景。无人机虚拟仿真三维交互模型作为用户训练中的直接操作对象，对整个虚拟仿真训练系统起着至关重要的作用，必须具备逼真的外观形象和强大的交互功能，其设计实现涉及到计算机仿真与虚拟现实的相关技术和结合机制问题。采用Pro/E、3DSMAX及Cult3D软件相结合的形式，利用三者之间的兼容性进行优势互补，是解决上述问题的有效途径[1-4]。在分别运用Pro/E和3DSMAX对无人机实现精确建模和动画模拟的基础上，借助Cult3D进一步实现模型的交互功能，能够有效确保无人机虚拟仿真三维交互模型的逼真度、沉浸感和可控性，对提高无人机虚拟仿真训练系统的训练实效具有重要意义。1无人机三维实体模型的建立由于Cult3D本身没有仿真建模功能，3DSMAX难以实现精确三维建模，故无人机三维实体仿真模型需借助Pro/E软件来建立[5]。Pro/E是美国PIE公司推出的一款CAD/CAM/CAE集成解决方案，是目前应用最为广泛的工业仿真设计软件之一。它采用设置特征参数的建模方式，使用参数来描述零部件的形状、尺寸和属性，所建三维模型的精度较高。图1所示为基于Pro/E软件建立的无人机某零件三维模型。考虑到在无人机操作训练中，涉及大量的零部件的拆卸组装以及配合运动过程，无人机三维实体模型的建立采用拼接法，即先建立各个零部件的独立模型，再组装成整体，具体过程为：首先，对无人机所含零部件进行数量统计和尺寸测量，并予以标识；其次，根据统计数据和测量参数，使用Pro/MOLDESIGN模块创建各个零部件的三维模型，并予以修改和完善。所龙源期刊网建立的单个零件模型要进行规范的命名编号，以方便后期的合成组装；再利用Pro/ASSEMBLY模块将所有零部件进行组装，形成无人机整体模型；最后将Pro/E生成的*.prt文件导出为*.stl格式文件。图1基于Pro/E软件建立的无人机某零件三维模型2无人机模型的渲染和动画设计3DSMAX是Autodesk公司推出的一款三维动态仿真软件[6]，具有强大的材质编辑功能，能细腻模拟实物的质地和纹理，在合理的灯光效果下可以渲染出逼真的视觉效果，给用户带来强烈的沉浸感。3DSMAX的动画设计通过设置关键帧参数实现，操作方便简洁，且几乎任何参数都可作为关键帧参数，能够生成多种复杂动画[7]。3DSMAX与Pro/E相兼容，能够对其生成的无人机三维模型进行渲染加工和动画设计，从而弥补Pro/E软件的不足。图2所示为基于3DSMAX软件制作的无人机装配三维动态模型。（a）无人机装配图1（b）无人机装配图2图2基于3DSMAX建立的无人机装配三维动态模型利用3DSMAX对无人机三维模型进行渲染和动画设计的具体步骤为：首先，将Pro/E导出的*.stl文件导入3DSMAX，对各个无人机零部件模型进行材质编辑、灯光效果设置。零部件模型使用实物照片进行贴图，并采用Ommi和Sky灯光作为背景灯光，力求渲染效果的逼真自然；其次，按照操作训练需求制作无人机模型动画。按照具体操作步骤将动画分解成若干阶段，在每个阶段规划零部件的运行时间和顺序，确保运动的同步性和协调性。3无人机模型交互控制的设计Cult3D是由瑞典Cycore公司设计制作的一款三维虚拟仿真控制软件，其基于“事件规划窗口”的流程设计方式和图形化编程模式，使得对三维模型复杂运动的交互设计变得十分简单[8]。此外，Cult3D还提供了JavaAPI接口，用户可以通过JAVA编程实现更强大、更复杂的控制功能。Cult3D与3DSMAX相兼容，能够对其生成的无人机三维动态模型进行交互功能设置，生成无人机虚拟仿真三维交互控制模型。龙源期刊网插件，在3DSMAX环境下将无人机三维动画模型导出为*.c3d文件，再将*.c3d文件导入Cult3DDesigner中，即可进行模型交互功能的设计制作，具体步骤为：首先，将所需的模型对象从“场景图表”（参见图3）中的拖入“事件规划窗口”，并在“演示窗口”中设置好用户视角；图3Cult3D的“场景图表”其次，将“世界启动”和“计时器”图标拖入“事件规划窗口”，并通过“计时器时间线编辑窗口”设置模型动画的运行时序。设置模型运动时序是极为重要的步骤，要与3DSMAX中设置的动画时间相兼容，否则将出现模型运动的错乱。制作过程中，用户可通过“演示窗口”对所设计的虚拟交互模型进行预览，查找错误并修正；然后，再将“点击鼠标左键”图标拖入“事件规划窗口”，对模型对象运动的交互触发进行设置，直至训练操作运行完毕。最后，利用“文件发布对话框”将制作好的方案导出为*.co文件，作为虚拟仿真系统开发的无人机虚拟仿真三维交互控制模型素材。4结语利用Pro/E、3DSMAX及Cult3D软件对无人机分别进行三维实体建模、动画设计、交互控制设计，最后生成了逼真的、可控的无人机虚拟仿真三维交互控制模型，能够实现对无人机的三维运动仿真，操作训练模拟，大大提高了无人机虚拟仿真训练的可行性和实际效用。参考文献[1]申蔚,夏立文.虚拟现实技术[M].北京:北京希望电子出版社,2002.[2]周晓琪.虚拟现实技术[M].北京:电子工业出版社,2003.[3]陈定方,罗哑波.虚拟设计[M].北京:机械工业出版杜,2002.