一种空中漫游系统的构建方法技术方案

一种空中漫游系统的构建方法，涉及虚拟现实技术领域，包括如下步骤：(1)、任一空中漫游单元均针对该单元内的飞行动力学模型进行实时解算；(2)、利用底层网络通信将若干空中漫游单元连接为一个整体，实现多人实时漫游；(3)、创建支持多种操作方式的人机交互系统；(4)、搭建后台数据库系统。本发明专利技术通过建立多个大型的三维场景及飞行器三维模型，扩展Unity的HLAPI内置组件，实现了多用户协同仿真的功能；建立完整的人机交互系统，使仿真系统操作简单、可视化，为用户提供沉浸式体验；最后为使仿真系统更加完整，增加后台数据库的支持，可以让用户对机型、机翼、场景信息、用户信息等进行查阅及修改。及修改。及修改。

【技术实现步骤摘要】
一种空中漫游系统的构建方法


[0001]本专利技术涉及虚拟现实
，特别是涉及一种空中漫游系统的构建方法。

技术介绍

[0002]虚拟现实技术别名灵境技术，作为上世纪出现的一门着力于虚拟场景再现的综合性技术，在对不同
的应用方面具有很大的覆盖范围，主要包括网络通信技术，图像处理技术，三维建模技术以及传感技术等。其主要目标是使用户通过身体感官与虚拟场景进行互动，从而实现人机统一，创造出一种身临其境的感觉。
[0003]美国作为世界上的最发达国家，同样地在虚拟现实领域的研究应用也处于领先地位。在上世纪70年代末期，美国军方首次将虚拟现实技术与军事仿真项目联系起来，进行一种“飞行头盔”的研究。时隔不久，美国国防部的项目组设计出了第一个虚拟战场系统SIMNET用于陆军坦克编队的训练，同时期，美国宇航局也将虚拟现实技术加入到研究计划中，到目前为止，在虚拟空间站的建立以及针对太空维护的虚拟训练系统的设计等方面都取得了较大的成功。在世界上的其他一些发达国家也同样很重视虚拟现实的应用，特别是在虚拟战场系统方面，计划共同着力于建立一个集合海陆空战以及各国兵力的庞大虚拟战场系统。
[0004]在我国，虚拟现实技术起步较晚，相比于一些国家仍存在不小的差距。但随着计算机技术的进步，VR技术在军事仿真领域、教育领域以及医学和工业等领域的优异表现已经引起了我国的广泛重视，已经有相当一部分研究单位投入到了这一领域并开展具体研究工作。在上世纪90年代，以北京航空航天大学计算机系为首的多家单位共同建立了一个基于真实环境的分布式虚拟战场系统，并利用该系统成功完成了多次异地协同作战训练。同时期国内其他高校在军事仿真模拟训练方面也都各有建树，如西北工业大学设计开发的鱼雷视景仿真系统以及第二炮兵工程学院开发的导弹发射模拟训练系统等。
[0005]典型的全动飞行模拟器由核心仿真计算机、六自由度运动平台、视景系统、音响系统、操纵负荷系统、教员系统等组成。它能够满足两大航空目标：
[0006]第一，模拟飞机空中飞行与地面运行，对飞行员进行起飞、爬升、巡航、进近、着陆、机动飞行等训练，也可用于对飞机飞行性能、操纵品质、机载系统性能进行分析研究；同时，良好逼真的飞行器仿真软件能够对飞行器结构参数、飞行性能、机动动作等进行测试并进一步优化，减少设计定型时间，避免真实飞行中导航仪故障、功率损失、飞机失控等危险情况发生；第二，在民用航空公司，使用教员系统提供虚拟飞行训练，对飞行员业务能力进行周期性考核，展开从飞行员的培养教育到商业飞行员执照早期的培训课程。
[0007]当前，结合虚拟现实与飞行仿真技术，针对空中漫游的研究过程中，形成挑战、制约其发展的关键问题主要有如下两个方面：
[0008](1)空中漫游系统中的飞行仿真模块大多只使用简单的牛顿定律来模拟飞行，并没有使用飞行动力学模型，与真实世界差距较大；
[0009](2)空中漫游系统大多以显示器进行显示，无法给人真实的沉浸体验感；若使用大
型仿真设备，成本高，可扩展性低。

技术实现思路

[0010]本专利技术提供了一种空中漫游系统的构建方法，该方法所构建的空中漫游系统是通过飞行动力学建模，并实时解算，更接近真实体验，通过HTC Vive头盔显示器克服普通显示器缺乏真实感的缺陷，使操作者得到沉浸式的飞行体验。
[0011]为实现上述目的，本专利技术的技术方案为：
[0012]一种空中漫游系统的构建方法，所述的空中漫游系统包括若干空中漫游单元，若干空中漫游单元通过数据传输的方式连接为一个整体，其特征为：所述的构建方法包括如下步骤：
[0013](1)、任一空中漫游单元均针对该单元内的飞行动力学模型进行实时解算；
[0014](2)、利用底层网络通信将若干空中漫游单元连接为一个整体，若干空中漫游单元依据各自的飞行动力学模型的实时解算参与多人实时漫游；
[0015](3)、创建支持多种操作方式的人机交互系统；
[0016](4)、搭建后台数据库系统，对飞行器、机翼信息及用户操作记录进行记录，并支持数据库的基本操作。
[0017]优选的，所述的步骤(1)中，飞行动力学模型进行实时解算包括接受来自飞行员控制、风力、空气动力、发动机的全部输入，计算模拟飞行器状态的变量，所述的模拟飞行器状态的变量包括飞行器本身的受力、运动、高度、海拔、航向和速度。
[0018]优选的，所述的步骤(1)中，飞行动力学模型进行实时解算包括如下具体步骤：
[0019]A1、定义飞行动力学模型坐标轴；
[0020]B1、计算飞行器受到的气动升力，具体计算公式如下：
[0021][0022]式中，ρ为空气密度，V为空速，s是机翼面积，C
L
为升力系数；
[0023]C1、计算飞行器受到的气动侧力，具体计算公式如下：
[0024][0025]式中，C
Y
是侧力系数；
[0026]D1、整合飞行器受力及受力矩情况，根据受力大小及受力位置计算飞行器受到的力及力矩，从而计算出飞行器当前加速度、速度及位置信息，所述的位置信息指的是飞行器的高度海拔、及经纬度位置信息。
[0027]优选的，所述的具体步骤A1中，包括机体坐标系和Unity物体坐标系的坐标轴定义，其中机体坐标系的坐标轴以飞行器重心为原点，x轴正向沿着朝向机身头部向前的方向，y轴正向沿着右侧机翼向右的方向，z轴正向沿着垂直于机身下表面向下的方向；机体坐标系中，线性力、加速度、速度的方向在X轴正向或Y轴正向或Z轴正向为正，力矩和角加速度在各坐标轴的正方向为从原点沿着坐标轴正向逆时针旋转的方向；Unity物体坐标系以飞行器重心为原点，x轴正向为沿着右侧机翼向右的方向，y轴正向为沿着垂直于机身上表面向上的方向，z轴正向为沿着机身朝向机身头部的方向。
[0028]优选的，所述的步骤(2)的具体步骤如下：
[0029]A2、以“客户端
‑
服务器”架构为基础，构建一个能够实时同步位置信息的网络；
[0030]B2、服务器在某一客户端加入及离开时，将加入或离开的信息广播到其他客户端中，及时对状态变化的客户端进行创建和销毁；
[0031]C2、服务器实现客户端对场景及机型的选择。
[0032]优选的，所述的步骤(3)中，人机交互系统具有完整的图形用户界面(GUI)并支持多种外设，创建支持多种操作方式的人机交互系统包括如下具体步骤：
[0033]A3、将系统的界面分为标题界面、大厅界面及仿真界面三个部分；
[0034]B3、采用HTC Vive头盔显示器，确定视角显示画面后使用SteamVR模拟出驾驶员的显示视角，最后将该处画面传输至头盔显示器，使驾驶员具有三维沉浸感的视觉体验。
[0035]优选的，所述的步骤(4)包括如下具体步骤：
[0036]A4、分析用户需求、数据需求及功能需求，确立构建飞行器机型信息数据库、机翼信息数据库；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种空中漫游系统的构建方法，所述的空中漫游系统包括若干空中漫游单元，若干空中漫游单元通过数据传输的方式连接为一个整体，其特征为：所述的构建方法包括如下步骤：(1)、任一空中漫游单元均针对该单元内的飞行动力学模型进行实时解算；(2)、利用底层网络通信将若干空中漫游单元连接为一个整体，若干空中漫游单元依据各自的飞行动力学模型的实时解算参与多人实时漫游；(3)、创建支持多种操作方式的人机交互系统；(4)、搭建后台数据库系统，对飞行器、机翼信息及用户操作记录进行记录，并支持数据库的基本操作。2.如权利要求1所述的一种空中漫游系统的构建方法，其特征为：所述的步骤(1)中，飞行动力学模型进行实时解算包括接受来自飞行员控制、风力、空气动力、发动机的全部输入，计算模拟飞行器状态的变量，所述的模拟飞行器状态的变量包括飞行器本身的受力、运动、高度、海拔、航向和速度。3.如权利要求2所述的一种空中漫游系统的构建方法，其特征为：所述的步骤(1)中，飞行动力学模型进行实时解算包括如下具体步骤：A1、定义飞行动力学模型坐标轴；B1、计算飞行器受到的气动升力，具体计算公式如下：式中，ρ为空气密度，V为空速，s是机翼面积，，C
L
为升力系数；C1、计算飞行器受到的气动侧力，具体计算公式如下：式中，C
Y
是侧力系数；D1、整合飞行器受力及受力矩情况，根据受力大小及受力位置计算飞行器受到的力及力矩，从而计算出飞行器当前加速度、速度及位置信息，所述的位置信息指的是飞行器的高度海拔、及经纬度位置信息。4.如权利要求3所述的一种空中漫游系统的构建方法，其特征为：所述的具体步骤A1中，包括机体坐标系和Unity物体坐标系的坐标轴定义，其中机体坐标系的坐标轴以飞行器重...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘诗雅，樊养余，刘曦春，段昱，
申请(专利权)人：星鲨信息技术上海有限公司，
类型：发明
国别省市：