一种直升机部件骨骼化动态可视化仿真方法技术

本发明专利技术公开了一种直升机部件骨骼化动态可视化仿真方法，涉及直升机模拟训练支持领域。该方法，通过对直升机的部件进行骨骼化建模，使其能够根据飞行状态实时动态地计算相对位置，并进行直升机的动态可视化仿真，为受训人员提供了一个与真机驾驶状态高度一致的沉浸式操作环境，大大提升了直升机训练的效果。

【技术实现步骤摘要】
一种直升机部件骨骼化动态可视化仿真方法
本专利技术涉及直升机模拟训练支持领域，尤其涉及一种直升机部件骨骼化动态可视化仿真方法。
技术介绍
随着直升机在各个领域的应用需求逐渐增加，对机组人员的训练需求也随之增加，而在真机上的实操训练已远远不能满足这种训练需求。目前，在大部分游戏及可视化仿真中，直升机动画的模拟往往只关注于直升机质心的位置和姿态，因此在直升机的飞行和起降过程中，直升机的执行机构的形态不会发生变化，例如螺旋桨、舵机以及起落架。直升机的这种可视化仿真模式不能提供真机的动力学模拟，即使是将操纵视角切换到驾驶舱内，也不能提供沉浸式的操纵体验，不利于对机组人员的训练，无法使受训人员“身临其境”的进行直升机任务的训练。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种直升机部件骨骼化动态可视化仿真方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种直升机部件骨骼化动态可视化仿真方法，包括如下步骤：S1，构建通用化的直升机骨骼：首先定义一个直升机的骨骼根节点，用于计算直升机的整体位置和姿态；然后根据直升机的布局确定机尾、起落架、主旋翼以及机舱上各活动部件相对于根节点的第一级分支骨骼节点，作用在该级骨骼节点上的力直接影响直升机骨骼根节点的位置和姿态；最后根据各部分机构的运动特点在第一级分支骨骼节点下逐级设置相应的骨骼节点，用于模拟该机构的实际运动状态；其中，配置的骨骼节点的连接方式为：骨骼根节点与直升机各功能部分的第一级分支骨骼节点相连，低级别骨骼节点只能与一个相邻高级别骨骼节点相连，高级别骨骼节点可以与多个相邻低级别骨骼节点相连；S2，实时计算各骨骼节点的位置及姿态：第一级分支骨骼节点与直升机骨骼根节点的相对位置保持不变；操纵机构骨骼节点的位置及姿态，根据外部设备的输入数据进行计算；与操纵机构骨骼节点联动的执行机构骨骼节点的位置及姿态，根据操纵机构骨骼节点的状态进行计算；受力机构及结构的骨骼节点的位置及姿态，根据不同位置的受力状态进行计算；S3，根据S2的计算结果，将与各骨骼节点相对应的直升机的各部件在可视化仿真引擎中进行实时渲染，实现直升机相应部件的形状和状态的动态改变。优选地，S1具体为：首先定义直升机的一个骨骼根节点，所述骨骼根节点设置于直升机的质量中心处，作为直升机位置和姿态的参考点；然后根据结构布局将直升机分为机尾、起落架、主旋翼以及机舱多个功能部分，每个部分均设置一个第一级分支骨骼节点，用以表示直升机的基本构型，所述第一级分支骨骼节点的配置与直升机的型号有关；其他级别的分支骨骼节点与直升机各功能部分的具体执行机构有关，对于与第一级分支骨骼节点有相对运动的机构，设置其与所述第一级分支骨骼节点相对静止的点为高级别分支骨骼节点，设置其与第一级分支骨骼节点相对运动幅度最大的点为低级别分支骨骼节点；对于受力产生大变形的结构，设置其与机体连接部分的点为高级别分支骨骼节点，设置其相对位移偏离最大的点为低级别分支骨骼节点。优选地，S2中，所述操纵机构骨骼节点的位置及姿态，根据外部设备的输入数据进行计算，具体采用如下公式进行计算：Lsimulation＝f(Linput)，其中：Lsimulation表示操纵机构骨骼节点的位置；Linput表示外部设备的操纵位置；f表示Lsimulation和Linput的对应关系，根据不同的设备进行设定。优选地，S2中，所述与操纵机构骨骼节点联动的执行机构骨骼节点的位置及姿态，根据操纵机构骨骼节点的状态进行计算，其中，尾桨骨骼节点的位置及姿态，根据脚踏板骨骼节点的位置及姿态进行计算；尾舵骨骼节点和主旋翼的最高级骨骼节点的位置及姿态，根据操纵杆骨骼节点的位置及姿态进行计算；主旋翼桨叶的最高级骨骼节点的位置及姿态，根据总矩杆骨骼节点的位置及姿态进行计算。优选地，所述尾桨骨骼节点的位置及姿态，根据脚踏板骨骼节点的状态进行计算，具体采用如下公式进行计算：αtail_rotor＝f(lfoot_pedal)，其中：αtail_rotor表示尾桨的攻角，单位是rad；lfoot_pedal表示两脚踏板的相对行程，单位是mm；f表示αtail_rotor和lfoot_pedal之间的对应关系，根据直升机偏航方向上的转动惯量进行设定。优选地，所述尾舵骨骼节点和主旋翼的最高级骨骼节点的位置及姿态，根据操纵杆骨骼节点的位置及姿态进行计算，具体采用如下公式进行计算：其中：表示操纵杆的指向，由沿机头方向的俯仰和滚转角度表示；表示主旋翼周期变矩环的指向，方向与操纵杆一致；θtail_rudder表示尾舵的摆角，单位是rad；f表示操纵杆与尾舵和主旋翼之间的对应关系，根据飞控进行设定。优选地，所述主旋翼桨叶的最高级骨骼节点的位置及姿态，根据总矩杆骨骼节点的位置及姿态进行计算，具体采用如下公式进行计算：αblade＝f(θtotal_torque)，其中：θtotal_torque为总矩杆的角度，单位是rad；αblade为直升机各桨叶攻角变化量，排除周期变矩的影响，单位是rad；f为θtotal_torque和αblade之间的对应关系，根据相应的总矩杆调节方式进行设定。优选地，S2中，所述受力机构及结构的骨骼节点的位置及姿态，根据不同位置的受力状态进行计算，包括起落架各骨骼节点的计算以及主旋翼桨叶各骨骼节点的计算，其中，所述起落架各骨骼节点，根据起落架与地面的接触力进行计算；所述主旋翼桨叶的各级骨骼节点根据结构的材料力学特性进行布置，当受到载荷时，各骨骼节点的相对转角根据等效材料特性参数进行计算。优选地，所述起落架各骨骼节点，采用如下方法进行计算：A，根据直升机升力与重力的关系计算出起落架承受的接触力，B，对所述起落架进行受力分析，根据所述接触力，计算出相应的两个骨骼节点间应承受的弹性阻尼力；C，根据如下的弹性阻尼力的计算公式，反推得到两骨骼节点之间的相对距离：其中：Fspring-damping表示两骨骼节点之间的弹性阻尼力；K表示该力的弹性系数；δ表示两骨骼节点之间的相对位移变化量；C表示该里的阻尼系数；表示两骨骼节点之间的相对位移变化率；D，按照上述步骤，反复迭代实时更新，得到起落架各骨骼节点的实时状态。优选地，所述主旋翼桨叶的各级骨骼节点，采用有限段方法进行计算，计算公式如下所示：其中：表示骨骼节点六个方向的弹性阻尼力；K6×6表示弹性系数矩阵，C6×6表示恢复系数矩阵；表示骨骼节点六个方向的相对位移；表示骨骼节点六个方向的相对速度；表示骨骼节点的初始力。本专利技术的有益效果是：本专利技术实施例提供的一种直升机部件骨骼化动态可视化仿真方法，通过对直升机的部件进行骨骼化建模，使其能够根据飞行状态实时动态地计算相对位置，并进行直升机的动态可视化仿真，为受训人员提供了一个与真机驾驶状态高度一致的沉浸式操作环境，大大提升了直升机训练的效果。附图说明图1是直升机起落架的缓冲原理示意图；图2是有限段方法的计算原理图；图3是直升机骨骼化模型在可视化仿真中的应用示意图；图4是MH-60型黑鹰直升机实物示意图；图5是MH-60型黑鹰直升机三维可视化模型示意图；图6是MH-60型黑鹰直升机骨骼及骨骼节点模型示意图；图7是直升机在可视化仿真环境中的状态示意图。图1中，1为直升机机舱底部，2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种直升机部件骨骼化动态可视化仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：S1，构建通用化的直升机骨骼：首先定义一个直升机的骨骼根节点，用于计算直升机的整体位置和姿态；然后根据直升机的布局确定机尾、起落架、主旋翼以及机舱上各活动部件相对于根节点的第一级分支骨骼节点，作用在该级骨骼节点上的力直接影响直升机骨骼根节点的位置和姿态；最后根据各部分机构的运动特点在第一级分支骨骼节点下逐级设置相应的骨骼节点，用于模拟该机构的实际运动状态；其中，配置的骨骼节点的连接方式为：骨骼根节点与直升机各功能部分的第一级分支骨骼节点相连，低级别骨骼节点只能与一个相邻高级别骨骼节点相连，高级别骨骼节点可以与多个相邻低级别骨骼节点相连；S2，实时计算各骨骼节点的位置及姿态：第一级分支骨骼节点与直升机骨骼根节点的相对位置保持不变；操纵机构骨骼节点的位置及姿态，根据外部设备的输入数据进行计算；与操纵机构骨骼节点联动的执行机构骨骼节点的位置及姿态，根据操纵机构骨骼节点的状态进行计算；受力机构及结构的骨骼节点的位置及姿态，根据不同位置的受力状态进行计算；S3，根据S2的计算结果，将与各骨骼节点相对应的直升机的各部件在可视化仿真引擎中进行实时渲染，实现直升机相应部件的形状和状态的动态改变。...

【技术特征摘要】
1.一种直升机部件骨骼化动态可视化仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：S1，构建通用化的直升机骨骼：首先定义一个直升机的骨骼根节点，用于计算直升机的整体位置和姿态；然后根据直升机的布局确定机尾、起落架、主旋翼以及机舱上各活动部件相对于根节点的第一级分支骨骼节点，作用在该级骨骼节点上的力直接影响直升机骨骼根节点的位置和姿态；最后根据各部分机构的运动特点在第一级分支骨骼节点下逐级设置相应的骨骼节点，用于模拟该机构的实际运动状态；其中，配置的骨骼节点的连接方式为：骨骼根节点与直升机各功能部分的第一级分支骨骼节点相连，低级别骨骼节点只能与一个相邻高级别骨骼节点相连，高级别骨骼节点可以与多个相邻低级别骨骼节点相连；S2，实时计算各骨骼节点的位置及姿态：第一级分支骨骼节点与直升机骨骼根节点的相对位置保持不变；操纵机构骨骼节点的位置及姿态，根据外部设备的输入数据进行计算；与操纵机构骨骼节点联动的执行机构骨骼节点的位置及姿态，根据操纵机构骨骼节点的状态进行计算；受力机构及结构的骨骼节点的位置及姿态，根据不同位置的受力状态进行计算；S3，根据S2的计算结果，将与各骨骼节点相对应的直升机的各部件在可视化仿真引擎中进行实时渲染，实现直升机相应部件的形状和状态的动态改变。2.根据权利要求1所述的直升机部件骨骼化动态可视化仿真方法，其特征在于，S1具体为：首先定义直升机的一个骨骼根节点，所述骨骼根节点设置于直升机的质量中心处，作为直升机位置和姿态的参考点；然后根据结构布局将直升机分为机尾、起落架、主旋翼以及机舱多个功能部分，每个部分均设置一个第一级分支骨骼节点，用以表示直升机的基本构型，所述第一级分支骨骼节点的配置与直升机的型号有关；其他级别的分支骨骼节点与直升机各功能部分的具体执行机构有关，对于与第一级分支骨骼节点有相对运动的机构，设置其与所述第一级分支骨骼节点相对静止的点为高级别分支骨骼节点，设置其与第一级分支骨骼节点相对运动幅度最大的点为低级别分支骨骼节点；对于受力产生大变形的结构，设置其与机体连接部分的点为高级别分支骨骼节点，设置其相对位移偏离最大的点为低级别分支骨骼节点。3.根据权利要求1所述的直升机部件骨骼化动态可视化仿真方法，其特征在于，S2中，所述操纵机构骨骼节点的位置及姿态，根据外部设备的输入数据进行计算，具体采用如下公式进行计算：Lsimulation＝f(Linput)，其中：Lsimulation表示操纵机构骨骼节点的位置；Linput表示外部设备的操纵位置；f表示Lsimulation和Linput的对应关系，根据不同的设备进行设定。4.根据权利要求3所述的直升机部件骨骼化动态可视化仿真方法，其特征在于，S2中，所述与操纵机构骨骼节点联动的执行机构骨骼节点的位置及姿态，根据操纵机构骨骼节点的状态进行计算，其中，尾桨骨骼节点的位置及姿态，根据脚踏板骨骼节点的位置及姿态进行计算；尾舵骨骼节点和主旋翼的最高级骨骼节点的位置及姿态，根据操纵杆骨骼节点的位置及姿态进行计算；主旋翼桨叶的最高级骨骼节点的位置及姿态，根据总矩杆骨骼节点的位置及姿态进行计算。5.根据权利要求4所述的直升机部件...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘虎，陈子坤，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11