CN110414018B - 一种飞行器级间分离的虚拟现实仿真方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及虚拟现实仿真技术领域，提供了一种飞行器级间分离的虚拟现实仿真方法及系统，该方法包括：利用分离动力学模型获取飞行器在级间分离过程仿真时的两级位置姿态数据；将所述两级位置姿态数据与预设的虚拟现实构造相结合，生成所述飞行器的级间分离过程仿真的虚拟现实模型；将生成的所述虚拟现实模型发送到虚拟现实显示程序，以供所述虚拟现实显示程序对所述虚拟现实模型进行展示。本发明实现了飞行器级间分离的虚拟现实仿真，且参数设置简单，仿真功能齐全。

Description

一种飞行器级间分离的虚拟现实仿真方法及系统

技术领域

本发明涉及虚拟现实仿真技术领域，尤其涉及一种飞行器级间分离的虚拟现实仿真方法及系统。

背景技术

飞行器(flight vehicle)是由人类制造、能飞离地面、在空间飞行并由人来控制的在大气层内或大气层外空间(太空)飞行的器械飞行物。在大气层内飞行的称为航空器，在太空飞行的称为航天器。

在飞行器的研发实现过程中，飞行器的仿真建模，以及实现更加真实体验的仿真效果，是高速飞行器项目建设提供重要的基础。而且，高超声速飞行器采用复杂气动外形，级间分离过程中飞行动压比较大，存在非常强的气动力干扰作用，使得高超声速飞行器级间分离控制成为了亟待解决的关键问题。因此，如何实现飞行器级间分离的虚拟现实仿真具有重要意义。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的飞行器级间分离的虚拟现实仿真方法及系统。

本发明的一个方面，提供了一种飞行器级间分离的虚拟现实仿真方法，包括：

利用分离动力学模型获取飞行器在级间分离过程仿真时的两级位置姿态数据；

将所述两级位置姿态数据与预设的虚拟现实构造相结合，生成所述飞行器的级间分离过程仿真的虚拟现实模型；

将生成的所述虚拟现实模型发送到虚拟现实显示程序，以供所述虚拟现实显示程序对所述虚拟现实模型进行展示。

其中，所述利用分离动力学模型获取飞行器在级间分离过程仿真时的两级位置姿态数据，包括：

利用所述分离动力学模型获取飞行器在级间分离过程仿真时飞行器主级和飞行器助推进行相对运动过程中，飞行器主级的质心坐标数据和姿态角数据，以及飞行器助推的质心坐标数据和姿态角数据。

其中，所述将所述两级位置姿态数据与预设的虚拟现实构造相结合，生成所述飞行器的级间分离过程仿真的虚拟现实模型，包括：

在仿真平台中创建所述飞行器的各个部件的三维模型；

将所述各个部件的三维模型组合成一个飞行器三维模型；

将所述两级位置姿态数据作为所述飞行器三维模型的各个节点的控制参数，生成所述飞行器的级间分离过程仿真的虚拟现实模型。

其中，在所述将所述各个部件的三维模型组合成一个飞行器三维模型之后，所述方法还包括：

为所述飞行器三维模型创建空间背景节点元素，并将所述飞行器三维模型与所述空间背景节点元素组合。

其中，在所述得到所述飞行器的级间分离过程仿真的虚拟现实模型之后，所述方法还包括：

将所述飞行器的级间分离过程仿真的虚拟现实模型与预先设置的流体力学计算模型的气动数据进行组合，生成目标虚拟现实仿真模型；

所述将生成的所述虚拟现实模型发送到虚拟现实显示程序，具体包括：将所述目标虚拟现实仿真模型发送到虚拟现实显示程序。

本发明的另一个方面，提供了一种飞行器级间分离的虚拟现实仿真系统，包括：

数据获取模块，用于利用分离动力学模型获取飞行器在级间分离过程仿真时的两级位置姿态数据；

生成模块，用于将所述两级位置姿态数据与预设的虚拟现实构造相结合，生成所述飞行器的级间分离过程仿真的虚拟现实模型；

通信模块，用于将生成的所述虚拟现实模型发送到虚拟现实显示程序，以供所述虚拟现实显示程序对所述虚拟现实模型进行展示。

其中，所述数据获取模块，具体用于利用所述分离动力学模型获取飞行器在级间分离过程仿真时飞行器主级和飞行器助推进行相对运动过程中，飞行器主级的质心坐标数据和姿态角数据，以及飞行器助推的质心坐标数据和姿态角数据。

其中，所述生成模块，具体用于在仿真平台中创建所述飞行器的各个部件的三维模型；将所述各个部件的三维模型组合成一个飞行器三维模型；将所述两级位置姿态数据作为所述飞行器三维模型的各个节点的控制参数，生成所述飞行器的级间分离过程仿真的虚拟现实模型。

其中，所述生成模块，还用于在将所述各个部件的三维模型组合成一个飞行器三维模型之后，为所述飞行器三维模型创建空间背景节点元素，并将所述飞行器三维模型与所述空间背景节点元素组合。

其中，所述生成模块，还用于在得到所述飞行器的级间分离过程仿真的虚拟现实模型之后，将所述飞行器的级间分离过程仿真的虚拟现实模型与预先设置的流体力学计算模型的气动数据进行组合，生成目标虚拟现实仿真模型；

所述通信模块，具体用于将所述目标虚拟现实仿真模型发送到虚拟现实显示程序。

本发明实施例提供的飞行器级间分离的虚拟现实仿真方法及系统，实现了飞行器级间分离的虚拟现实仿真，且参数设置简单，仿真功能齐全，能够实现飞行器的仿真建模的基础上，实现更加真实的虚拟现实仿真效果，为高速飞行器项目建设提供重要的基础。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例的一种飞行器级间分离的虚拟现实仿真方法的流程图；

图2为本发明实施例的中数据的传输以及模型运动过程的实现流程图；

图3为本发明实施例的一种飞行器级间分离的虚拟现实仿真系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

图1示意性示出了本发明一个实施例的飞行器级间分离的虚拟现实仿真方法的流程图。参照图1，本发明实施例的飞行器级间分离的虚拟现实仿真方法具体包括以下步骤：

S11、利用分离动力学模型获取飞行器在级间分离过程仿真时的两级位置姿态数据。

其中，飞行器在级间分离过程仿真时的两级位置姿态数据，包括：飞行器主级的质心坐标数据和三个姿态角数据，以及飞行器助推的质心坐标数据和三个姿态角数据。

本实施例中，步骤S11具体通过以下步骤实现：利用所述分离动力学模型获取飞行器在级间分离过程仿真时飞行器主级和飞行器助推进行相对运动过程中，飞行器主级的质心坐标数据和姿态角数据，以及飞行器助推的质心坐标数据和姿态角数据。

本发明实施例中，级间分离过程仿真是在Matlab平台上，利用SIMULINK中的虚拟现实工具箱VRSink将飞行器的计算仿真模型和构造的虚拟现实模型相结合，对级间分离进行了可视化仿真，实现了计算、仿真、显示的一体化。

S12、将所述两级位置姿态数据与预设的虚拟现实构造相结合，生成所述飞行器的级间分离过程仿真的虚拟现实模型。

本实施例中，步骤S12通过以下步骤实现，具体如下：

在仿真平台中创建所述飞行器的各个部件的三维模型；

将所述各个部件的三维模型组合成一个飞行器三维模型；

将所述两级位置姿态数据作为所述飞行器三维模型的各个节点的控制参数，生成所述飞行器的级间分离过程仿真的虚拟现实模型。

本实施例，具体可以利用Solidworks软件构造飞行器的虚拟现实模型，步骤如下：首先构造出飞行器的单个零件的三维模型，包括各级弹体，进气道，弹翼以及喷管等。然后将各个零件装配为一个完整的两级飞行器三维模型。最后，通过将飞行器三维模型添加到虚拟现实工具箱VRSink，在将所述两级位置姿态数据，如飞行器主级的质心坐标，三个姿态角，助推的质心坐标和三个相应的姿态角等作为飞行器三维模型的各个节点的控制参数输出到VRSink中的各部分节点，以控制飞行器的飞行，进而得到所述飞行器的级间分离过程仿真的虚拟现实模型。本实施例，只要在相应的节点外输入数据就可以控制虚拟世界中的模型的运动。在Matlab平台下，数据的传输以及模型运动过程的实现流程如图2所示。

S13、将生成的所述虚拟现实模型发送到虚拟现实显示程序VR Viewer，以供所述虚拟现实显示程序对所述虚拟现实模型进行展示。

在一个具体实施例中，仿真开始前，用Matlab\simulink中的虚拟现实工具箱VRSink模块加载创建的虚拟模型。在打开的加载对话框中勾选所需要控制的节点。加载完成后，VRSink模块由原来的无输入端口变为有与所勾选节点相对应的输入端口。此时双击VRSink模块会自动打开虚拟世界显示器VR Viewer，以通过VR Viewer实现对所述虚拟现实模型的展示。

其中，虚拟世界显示器VR Viewer是一个集成在Internet Explorer中的插件，可以接收来自VRSink模块的数据，并以三维图形的形式显示虚拟世界，同时，还可以让浏览者在虚拟世界中移动，从不同的角度观察飞行器的运动情况。

在将计算仿真模型的输出端口和VRSink模块的输入端口连接起来后，就可以进行可一体化仿真。仿真开始后，由分离动力学模型计算得到的飞行器两级的数据通过VRSink模块传输给的虚拟现实模型，模型的运动就可以在显示器VR Viewer中对察。

本发明实施例提供的飞行器级间分离的虚拟现实仿真方法，实现了飞行器级间分离的虚拟现实仿真，且参数设置简单，避免了用纯文本编辑器进行复杂的点线面造型时大量的数据计算，为虚拟现实造型带来了很大的方便，而且仿真功能齐全，能够实现飞行器的仿真建模的基础上，实现更加真实的虚拟现实仿真效果，为高速飞行器项目建设提供重要的基础。

本实施例中，节点(node)是VRML文件的最基本的要素。节点有两个属性：域和域值。域定义了节点的动作(平移、旋转等)，域值则定义了节点动作的大小(平移的长度、旋转的角度等)。飞行器模型的建立就是节点的定义及使用、节点的层层嵌套。

VRML文件中，使用Transform节点可以实现坐标系的旋转和平移。在一段造型语言中嵌套一个Transform节点就表示相对当前坐标系形成了一个新的坐标系，而在此Transform节点下的空间造型都是相对于这个新坐标系创建的。其中，Transform节点中的translation域及其域值用来指定新坐标系相对于原坐标系的平移；rotation域用来及其域值指定新坐标系相对原坐标系的旋转轴和旋转角度。Shape节点用来构造具体的几何造型，它包括Appearance域和Geometry域。Appearance域用于定度造型的颜色和纹理；Geometry域用于构造几何造型。基本造型方法包括长方体(Box)、圆柱体(Cylinder)、圆锥体(Cone)、球体(Sphere)四种造型方法；高级造型方法包括挤压空间造型和点线面造型两种。通过基本造型可以方便的构造出简单的几何造型；通过高级造型方法尤其是点线面造型理论上能够创建出虚拟世界中任意的三维造型。VRML中空间背景和空间本身都是无限大的。空间背景可以理解为包围在VRML周围的一个球状壳体。整个空间背景分为上下两部分：天空(sky)和地面(ground)，两者之间以地平线分隔。创建空间背景的节点是Background。另外，VRML还包括其它许多其它的节点元素，如光照、大气效果、空间视点控制等。利用以上节点的组合，可以构造出一个完整的虚拟世界。

在本发明实施例中，在所述将所述各个部件的三维模型组合成一个飞行器三维模型之后，所述方法还包括以下步骤：为所述飞行器三维模型创建空间背景节点元素，并将所述飞行器三维模型与所述空间背景节点元素组合。

其中，在所述得到所述飞行器的级间分离过程仿真的虚拟现实模型之后，所述方法还包括以下步骤：将所述飞行器的级间分离过程仿真的虚拟现实模型与预先设置的流体力学计算模型的气动数据进行组合，生成目标虚拟现实仿真模型。

相应的，所述将生成的所述虚拟现实模型发送到虚拟现实显示程序，具体包括：将所述目标虚拟现实仿真模型发送到虚拟现实显示程序。

本实施例中的流体力学计算模型就是采用FORTRAN语言编写的，利用MATLAB提供的接口，建立Simulink仿真模型调用流体力学计算模型的接口。使得流体力学模型与级间分离仿真模型就构成了一个整体。

本发明实施例提供的飞行器级间分离的虚拟现实仿真方法，还可对每次仿真任务备案，参数设置简单，功能齐全。

对于方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明实施例并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明实施例，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作并不一定是本发明实施例所必须的。

图3示意性示出了本发明一个实施例的飞行器级间分离的虚拟现实仿真系统的结构示意图。参照图3，本发明实施例的飞行器级间分离的虚拟现实仿真系统具体包括数据获取模块201、生成模块202以及通信模块203，其中：

数据获取模块201，用于利用分离动力学模型获取飞行器在级间分离过程仿真时的两级位置姿态数据；

生成模块202，用于将所述两级位置姿态数据与预设的虚拟现实构造相结合，生成所述飞行器的级间分离过程仿真的虚拟现实模型；

通信模块203，用于将生成的所述虚拟现实模型发送到虚拟现实显示程序，以供所述虚拟现实显示程序对所述虚拟现实模型进行展示。

在本发明实施例中，所述数据获取模块201，具体用于利用所述分离动力学模型获取飞行器在级间分离过程仿真时飞行器主级和飞行器助推进行相对运动过程中，飞行器主级的质心坐标数据和姿态角数据，以及飞行器助推的质心坐标数据和姿态角数据。

在本发明实施例中，所述生成模块202，具体用于在仿真平台中创建所述飞行器的各个部件的三维模型；将所述各个部件的三维模型组合成一个飞行器三维模型；将所述两级位置姿态数据作为所述飞行器三维模型的各个节点的控制参数，生成所述飞行器的级间分离过程仿真的虚拟现实模型。

进一步地，所述生成模块202，还用于在将所述各个部件的三维模型组合成一个飞行器三维模型之后，为所述飞行器三维模型创建空间背景节点元素，并将所述飞行器三维模型与所述空间背景节点元素组合。

进一步地，所述生成模块202，还用于在得到所述飞行器的级间分离过程仿真的虚拟现实模型之后，将所述飞行器的级间分离过程仿真的虚拟现实模型与预先设置的流体力学计算模型的气动数据进行组合，生成目标虚拟现实仿真模型；

相应地，所述通信模块203，具体用于将所述目标虚拟现实仿真模型发送到虚拟现实显示程序，以供所述虚拟现实显示程序对所述目标虚拟现实仿真模型进行展示。

对于系统实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

本发明实施例提供的飞行器级间分离的虚拟现实仿真方法及系统，实现了飞行器级间分离的虚拟现实仿真，且参数设置简单，仿真功能齐全，能够实现飞行器的仿真建模的基础上，实现更加真实的虚拟现实仿真效果，为高速飞行器项目建设提供重要的基础。

此外，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如图1所述方法的步骤。

本实施例中，所述飞行器级间分离的虚拟现实仿真系统集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。

本发明实施例提供的飞行器级间分离的虚拟现实仿真系统，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各个飞行器级间分离的虚拟现实仿真方法实施例中的步骤，例如图1所示的方法步骤。

示例性的，所述计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器中，并由所述处理器执行，以完成本发明。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序在所述飞行器级间分离的虚拟现实仿真系统中的执行过程。

本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种飞行器级间分离的虚拟现实仿真方法，其特征在于，所述方法包括：

利用分离动力学模型获取飞行器在级间分离过程仿真时的两级位置姿态数据，包括：利用所述分离动力学模型获取飞行器在级间分离过程仿真时飞行器主级和飞行器助推进行相对运动过程中，飞行器主级的质心坐标数据和姿态角数据，以及飞行器助推的质心坐标数据和姿态角数据；

将所述两级位置姿态数据与预设的虚拟现实构造相结合，生成所述飞行器的级间分离过程仿真的虚拟现实模型，包括：在仿真平台中创建所述飞行器的各个部件的三维模型，将所述各个部件的三维模型组合成一个飞行器三维模型，将所述两级位置姿态数据作为所述飞行器三维模型的各个节点的控制参数，生成所述飞行器的级间分离过程仿真的虚拟现实模型；

将生成的所述虚拟现实模型发送到虚拟现实显示程序，以供所述虚拟现实显示程序对所述虚拟现实模型进行展示。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述将所述各个部件的三维模型组合成一个飞行器三维模型之后，所述方法还包括：

为所述飞行器三维模型创建空间背景节点元素，并将所述飞行器三维模型与所述空间背景节点元素组合。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在得到所述飞行器的级间分离过程仿真的虚拟现实模型之后，所述方法还包括：

将所述飞行器的级间分离过程仿真的虚拟现实模型与预先设置的流体力学计算模型的气动数据进行组合，生成目标虚拟现实仿真模型；

所述将生成的所述虚拟现实模型发送到虚拟现实显示程序，具体包括：将所述目标虚拟现实仿真模型发送到虚拟现实显示程序。

4.一种飞行器级间分离的虚拟现实仿真系统，其特征在于，包括：

数据获取模块，用于利用分离动力学模型获取飞行器在级间分离过程仿真时的两级位置姿态数据，具体用于利用所述分离动力学模型获取飞行器在级间分离过程仿真时飞行器主级和飞行器助推进行相对运动过程中，飞行器主级的质心坐标数据和姿态角数据，以及飞行器助推的质心坐标数据和姿态角数据；

生成模块，用于将所述两级位置姿态数据与预设的虚拟现实构造相结合，生成所述飞行器的级间分离过程仿真的虚拟现实模型，具体用于在仿真平台中创建所述飞行器的各个部件的三维模型；将所述各个部件的三维模型组合成一个飞行器三维模型；将所述两级位置姿态数据作为所述飞行器三维模型的各个节点的控制参数，生成所述飞行器的级间分离过程仿真的虚拟现实模型；

通信模块，用于将生成的所述虚拟现实模型发送到虚拟现实显示程序，以供所述虚拟现实显示程序对所述虚拟现实模型进行展示。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述生成模块，还用于在将所述各个部件的三维模型组合成一个飞行器三维模型之后，为所述飞行器三维模型创建空间背景节点元素，并将所述飞行器三维模型与所述空间背景节点元素组合。

6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述生成模块，还用于在得到所述飞行器的级间分离过程仿真的虚拟现实模型之后，将所述飞行器的级间分离过程仿真的虚拟现实模型与预先设置的流体力学计算模型的气动数据进行组合，生成目标虚拟现实仿真模型；

所述通信模块，具体用于将所述目标虚拟现实仿真模型发送到虚拟现实显示程序。

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