CN112489523A - 一种空间探测移动载人虚拟仿真系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种空间探测移动载人虚拟仿真系统，包括操作平台、六自由度运动平台、虚拟模型建立单元、人机交互单元。所述操作平台用于操作人员操控其上的控制装置控制月球车，以使月球车完成模拟训练项目。所述六自由度运动平台用于执行运动参数。所述虚拟模型建立单元，用于建立虚拟场景模型以及月球车模型。所述人机交互单元用于操作者与虚拟场景中物体进行互动操作，包括输入模块、控制器、力反馈模块、语音模块、显示模块。本系统创新性高、沉浸感强、自主学习性强、功能丰富、方便训练开展且训练效果显著，能够使航天员迅速熟悉月球车的基本原理、结构和功能，掌握月球车的操作方法，用于代替实装开展对空间探测移动载人系统的装备训练。
Description
技术领域
本发明属于模拟训练技术领域，具体涉及一种空间探测移动载人虚拟仿真系统。
背景技术
在空间探测领域，月球车是一种用于月球探测任务中的机械系统，可以搭载航天员在月面进行较大范围的移动。至今，仅有美国60-70年代的“阿波罗”计划成功地实现了载人登月的任务，而该计划中的LRV月球车(Lunar Roving Vehicle)也是唯一实现搭载航天员进行月面探测的月面机器人。我国计划2030年前后实现载人登月，目前月球车制造复杂，价格昂贵且月面地形环境复杂未知，存在较大不确定性等问题，对航天员进行相关操作训练产生较大影响。因此需要设计一套虚拟仿真系统让航天员在一个虚拟的操作环境中感受到接近真实效果的驾驶体验，具有效果逼真、经济、安全、训练效率高、不受时间、气候、场地的限制等优势。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种空间探测移动载人虚拟仿真系统，创新性高、沉浸感强、自主学习性强、功能丰富、方便训练开展且训练效果显著，能够使航天员迅速熟悉月球车的基本原理、结构和功能，掌握月球车的操作方法，用于代替实装开展对空间探测移动载人系统的装备训练。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种空间探测移动载人虚拟仿真系统，包括操作平台、六自由度运动平台、虚拟模型建立单元、人机交互单元。
所述操作平台，用于操作人员操控其上的控制装置控制月球车，以使月球车完成模拟训练项目。所述操控平台包括座椅、力反馈手柄、按键、刹车踏板和检测模块，所述检测模块包括压力传感器和位移传感器，所述压力传感器用于检测踩踏刹车踏板过程中的压力，所述位移传感器用于检测踩踏刹车踏板过程中发生的位移，所述操作平台将检测数据发送给输入模块。
所述六自由度运动平台，用于执行运动参数。
所述虚拟模型建立单元，用于建立虚拟场景模型、月球车模型及传感器模型。
所述人机交互单元，用于操作者与虚拟场景中物体进行互动操作。所述人机交互单元包括输入模块、控制器、力反馈模块、语音模块、显示模块，所述输入模块用于接收操作人员的操作意图，并将其转化为相应数据；所述控制器用于对输入模块发送的数据进行处理，将操作人员对操作平台的操作过程转化为对虚拟环境中月球车的控制过程，根据输入模块提供的数据控制月球车的移动；所述反馈模块用于反馈运动参数；所述语音模块用于播报月球车移动轨迹上的复杂地形及驾驶问题提醒；所述显示模块用于向操作人员提供多视角显示模拟训练过程，其中多视角包括第一人称月球车主视角、第一人称月球车相机视角、第三人称视角以及月球车轨迹查看视角。
本发明的有益效果是：
通过空间探测移动载人虚拟仿真系统训练，能使航天员较快熟悉月球车的结构和功能，掌握月球车操作方法。本发明将虚拟现实技术、三维建模技术以及计算机软件技术与月球探测车训练相结合，实现了利用仿真设备代替实物设备，开展对月球探测车的操作训练，缓解了设备造价昂贵、数量稀少、受训人数有限、实际装备易于损坏、实际环境难以到达且安全系数低等问题；且在设备外观、操作感受以及状态反馈上与真实装备一致，沉浸感好；在训练方式方面，符合航天员的直观思维模式，操作即得所见、多通道数据结合、实时反馈，因此交互性强；代替真实装备进行训练，可提高训练效率及训练效果。
附图说明
图1为本发明的原理框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
如图1所示，本发明实施例提供的一种空间探测移动载人虚拟仿真系统，包括操作平台、六自由度运动平台、虚拟模型建立单元、人机交互单元。所述操作平台，用于操作人员操控其上的控制装置控制月球车，以使月球车完成模拟训练项目。所述六自由度运动平台，用于执行运动参数。所述虚拟模型建立单元，用于建立虚拟场景模型以及月球车模型。所述人机交互单元，用于操作者与虚拟场景中物体进行互动操作，包括输入模块、控制器、力反馈模块、语音模块、显示模块。
所述操作平台，用于操作人员操控其上的控制装置控制月球车，以使月球车完成模拟训练项目。所述操控平台包括座椅、力反馈手柄、按键、刹车踏板和检测模块，操作人员坐在座椅上，右手握住力反馈手柄，左手控制按键，一只脚控制刹车踏板。所述座椅可实现因月球表面凹凸不平造成的颠簸并根据操作人员习惯调整位置；所述力反馈手柄用于控制虚拟环境中月球车行进方向；所述检测模块包括压力传感器和位移传感器，所述压力传感器用于检测踩踏刹车踏板过程中的压力，所述位移传感器用于检测踩踏刹车踏板过程中发生的位移；所述操作平台将检测数据发送给输入模块。
所述六自由度运动平台，用于执行来自反馈单元的月球车运动参数。所述六自由度运动平台由六支作动筒，上、下各六只万向铰链和上、下两个平台组成，下平台固定在基础上，借助六支作动筒的伸缩运动，完成上平台在空间六个自由度（X，Y，Z，α，β，γ）的运动，从而可以模拟出各种空间运动姿态。可广泛应用到各种训练模拟器如飞行模拟器、驾驶模拟器中，可由数字计算机实时控制提供俯仰、偏航、滚转、升降、纵向和横向平移的六自由度瞬时运动仿真。
所述虚拟模型建立单元，用于建立虚拟场景模型、月球车模型以及传感器模型，包括几何建模模块、动力学模块及虚拟传感器模块。所述几何建模模块用于建立月面几何模型和月球车模型，所述月面几何模型根据月球表面地形统计数据，计算得到单位面积内月面典型地貌特征的规格和数量，月面典型地貌特征包括撞击坑、岩石、斜坡等，再根据月面典型地貌特征的剖面特征数据，随机生成三维地形图，添加适当的纹理映射来实现月面几何模型仿真的真实感，所述月球车模型通过导入外部CAD设计好的月球车几何模型添加适当纹路来增加月球车模型的真实感；所述动力学模块用于建立仿真系统中的作用力模型与约束关系，包括参数初始化、约束定义、动力模型求解及碰撞检测；所述虚拟传感器模块用于对月面地形进行三维激光扫描，得到三维地形数据，判断月球车是否能够安全通过前方地貌。
所述人机交互单元，用于操作者与虚拟场景中物体进行互动操作。所述人机交互单元包括输入模块、控制器、力反馈模块、语音模块、显示模块，所述输入模块用于接收操作人员的操作意图，并将其转化为相应数据；所述控制器用于对输入模块发送的数据进行处理，将操作人员对操作平台的操作过程转化为对虚拟环境中月球车的控制过程，根据输入模块提供的数据控制月球车的移动；所述反馈模块用于反馈运动参数；所述语音模块用于播报月球车移动轨迹上的复杂地形及驾驶问题提醒；所述显示模块用于向操作模块提供多视角显示模拟训练过程，其中多视角包括第一人称月球车主视角、第一人称月球车相机视角、第三人称视角以及月球车轨迹查看视角。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。
Claims (3)
1.一种空间探测移动载人虚拟仿真系统，其特征在于，包括操作平台、六自由度运动平台、虚拟模型建立单元、人机交互单元；
所述操作平台，用于操作人员操控其上的控制装置控制月球车，以使月球车完成模拟训练项目；所述操控平台包括座椅、力反馈手柄、按键、刹车踏板和检测模块，所述座椅可实现因月球表面凹凸不平造成的颠簸并根据操作人员习惯调整位置；所述力反馈手柄用于控制虚拟环境中月球车行进方向；所述检测模块包括压力传感器和位移传感器，所述压力传感器用于检测踩踏刹车踏板过程中的压力，所述位移传感器用于检测踩踏刹车踏板过程中发生的位移；所述操作平台将检测数据发送给输入模块；
所述六自由度运动平台，用于执行运动参数；
所述虚拟模型建立单元，用于建立虚拟场景模型以及月球车模型；
所述人机交互单元，用于操作者与虚拟场景中物体进行互动操作；所述人机交互单元包括输入模块、控制器、力反馈模块、语音模块、显示模块，所述输入模块用于接收操作人员的操作意图，并将其转化为相应数据；所述控制器用于对输入模块发送的数据进行处理，将操作人员对操作平台的操作过程转化为对虚拟环境中月球车的控制过程，根据输入模块提供的数据控制月球车的移动；所述反馈模块用于反馈运动参数；所述语音模块用于播报月球车移动轨迹上的复杂地形及驾驶问题提醒；所述显示模块用于向操作人员提供多视角显示模拟训练过程，其中多视角包括第一人称月球车主视角、第一人称月球车相机视角、第三人称视角以及月球车轨迹查看视角。
2.根据权利要求1所述的一种空间探测移动载人虚拟仿真系统，其特征在于：所述六自由度平台用于执行来自反馈单元的月球车运动参数；所述六自由度运动平台由六支作动筒，上、下各六只万向铰链和上、下两个平台组成，下平台固定在基础上，借助六支作动筒的伸缩运动，完成上平台在空间六个自由度的运动，从而模拟出各种空间运动姿态；应用到各种训练模拟器如飞行模拟器、驾驶模拟器中，由数字计算机实时控制提供俯仰、偏航、滚转、升降、纵向和横向平移的六自由度瞬时运动仿真。
3.根据权利要求1所述的一种空间探测移动载人虚拟仿真系统，其特征在于：所述虚拟模型建立单元包括几何建模模块、动力学模块及虚拟传感器模块，所述几何建模模块用于建立月面几何模型和月球车模型，所述月面几何模型根据月球表面地形统计数据，计算得到单位面积内月面典型地貌特征的规格和数量，月面典型地貌特征包括撞击坑、岩石、斜坡，再根据月面典型地貌特征的剖面特征数据，随机生成三维地形图，添加适当的纹理映射来实现月面几何模型仿真的真实感，所述月球车模型通过导入外部CAD设计好的月球车几何模型添加适当纹路来增加月球车模型的真实感；所述动力学模块用于建立仿真系统中的作用力模型与约束关系，包括参数初始化、约束定义、动力模型求解及碰撞检测，所述虚拟传感器模块用于对月面地形进行三维激光扫描，得到三维地形数据，判断月球车是否能够安全通过前方地貌。
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