虚拟航天员多层次运动仿真模型研究与实现

为解决虚拟现实训练中航天员模型实时交互控制和失重运动仿真等问题,提出了一种多层次运动仿真模型,在运动控制层实现运动跟踪,并构建标准化人体运动模型;物理控制层采用物理引擎建立人体多刚体动力学模型;规则控制层为不同的运动方式制定相应规则,显示层使用骨骼蒙皮技术提升显示效果。通过各层次组合的方式,共同实现了虚拟航天员的交互运动仿真。通过两个应用实例,证明了该层次化组合模型实现的虚拟航天员运动,可同时实现实时交互控制、失重运动仿真、交互操作仿真、太空行走仿真以及较好的显示效果,并适用于多种任务场景的航天员训练。     

虚拟手操作随动仿真算法研究

针对在交互操作过程中虚拟手抓持物体后,虚拟手及被操作物体如何逼真跟随运动的问题,分析了虚拟手交互操作过程。对虚拟手采用两层仿真模型,对绕轴转动类物体提出以转动角度计算其和虚拟手的随动算法,该算法保证了在移动过程中虚拟手与被操作对象的接触位置不变,实现了连续随动。给出了支持无约束自由移动类物体、有约束沿固定方向移动类物体和有约束绕轴转动类物体虚拟手交互操作统一仿真流程。最后通过空间站舱门和灭火器交互操作仿真实例对仿真流程和随动算法进行了综合验证,结果表明,仿真流程能适应不同约束类型的物体操作仿真,随动算法使得操作与视觉反馈一致,交互操作简单自然,实时性好,为后续航天员采用虚拟现实训练提供了有效的基础算法。     

航天员舱内活动的分析及仿真

分析了自由态航天员的运动特性,对航天员在失重状态下的转体技术进行了仿真;根据人体力学的生理学基础,建立了航天员的力量分析模型;使用最优控制方法,对航天员在任务操作时的姿态进行了优化。     

中性浮力和失重环境人体运动仿真比较研究

为了模拟失重状态,航天技术发达的国家都建立了用于航天员出舱活动训练的中性浮力水槽。但与太空失重环境相比,水中存在的水动阻力会导致两种环境下人体运动反馈的差异性。基于ADAMS多体动力学仿真软件,按照“飞天”舱外航天服的质量分布,建立了着舱外服人体动力学模型。利用此模型仿真比较了水下和失重环境中肘关节屈伸、肩内收外展、肩矢状面内运动时人体躯干的动力学反馈,发现水下环境中模型躯干的转动速度峰值和平均值均较大。研究结果已应用于神舟七号载人飞行任务出舱活动航天员训练,建立的航天员人体动力学模型可应用于我国未来空间站任务出舱活动仿真分析。     

旋转调制式惯性平台的圆锥运动误差

转调制式空间稳定平台采用陀螺壳体翻滚技术,陀螺壳体翻滚在平台伺服跟踪作用下将形成圆锥运动。圆锥运动误差会引起陀螺漂移,对高精度、长航时惯性导航系统的精度将造成严重影响。首先,介绍了高精度、长航时旋转调制式惯性平台的基本工作原理,推导了平台上的陀螺沿旋转主轴相对地球的角速度。其次,阐述了陀螺壳体翻滚的圆锥运动,推导了壳体翻滚装置和框架伺服系统的跟踪误差及牵连运动角速度引起的圆锥运动附加漂移误差公式。再次,根据数值举例给出了计算机仿真曲线,指出该误差对高精度系统的危害。最后,得出结论：为了实现圆锥运动误差极小化,确保系统长时间运行精度和可靠性,必须实时扣除牵连运动角速度引起的圆锥运动误差分量,并优化设计壳体翻滚装置与平台伺服系统。     

基于体态识别的航天员虚拟训练仿真技术研究

以未来空间站任务建设虚拟现实训练器为需求,为了最大限度地降低虚拟现实设备穿戴给航天员带来的额外束缚,提出了一种新的基于体态识别的航天员虚拟训练仿真系统:采用平行双目视觉原理和偏振立体电视实现立体图像的生成与显示;采用人体三层模型实现虚拟航天员表达,采用骨骼动画实现人体典型动作自动演示、Kinect实现人机交互过程中人体跟踪和运动控制,适合于空间站任务航天员训练、工效验证、典型流程演示等人机交互应用。     

模型实时驱动的航空发动机沉浸式虚拟运行系统

为实现多学科信息的融合与沉浸式表达,针对当前虚拟现实技术在航空发动机领域的应用存在多学科信息综合表达不 足、仿真实时性低等问题,开发了一种跨学科异构模型集成仿真的航空发动机沉浸式虚拟运行系统。在信息融合与实时交互方 面,研究航空发动机气动热力性能实时仿真、实时控制、参数化结构建模与仿真、数据实时共享与多学科联合仿真集成等技术,实 现了模型实时驱动的航空发动机虚拟运行功能;在数据可视化及3维渲染方面,研究结构数据轻量化处理技术、实时渲染优化技 术,对温度、压力等流场数据进行实时映射,实现了逼真、流畅的沉浸式实时渲染效果。基于上述研究工作,在中国首次开发了1 套由模型实时驱动、跨学科数据集成的航空发动机沉浸式虚拟运行系统,结果表明：该系统实现了发动机结构、系统和性能模型数 据的关联与交互。相关技术和成果可用于协同设计、沉浸式评审、虚拟培训等场景,为未来实现数字孪生、虚实融合的数字发动机 研发提供关键技术支撑和参考。     

基于数字孪生的飞机装配车间生产管控模式探索

飞机装配车间中实现制造的物理世界和信息世界的互联互通成为飞机装配智能化的发展趋势,数字孪生是实现物理世界与信息世界交互与融合的有效技术手段。分析了车间发展历程并阐述了目前飞机装配车间的特点及问题,在此基础上,提出了涵盖物理装配车间、虚拟装配车间、车间孪生数据及装配车间服务系统的飞机数字孪生装配车间架构,并对物理装配车间数据的实时感知与采集、虚拟装配车间建模与仿真运行技术、数字孪生与数据驱动的装配车间生产管控等飞机数字孪生装配车间关键技术进行了研究,为航空工业领域的智能制造提供参考。     

XNA环境下数据手套交互模块的研究与实现

数据手套作为虚拟现实系统中自然的人机交互设备,能够将人手的姿势实时地传递到虚拟环境中,使用户能够更加有效而自然地与虚拟世界交互。在VC＋＋．NET中封装5DTSDK中的系统函数,解决了XNA与指针接口交互困难的问题,实现了数据手套供XNA使用的COM交互接口;通过在XNA中使用骨骼蒙皮技术,消除了传统虚拟手皮肤出现裂纹等问题;根据人手的运动学特点,在XNA中实现了虚拟手与数据手套的实时交互。实验表明,虚拟手模块能够实时、逼真地实现人手的运动。     

航天员舱外活动安全绳虚拟现实操作仿真方法研究

为了解决航天员舱外活动虚拟现实训练仿真中安全绳的逼真仿真问题,分析了安全绳的结构组成和神七任务航天员出舱过程微重力下的安全绳变形规律,对安全绳采用质点-直线弹簧-弯曲弹簧模型建模,使用基于位置的仿真方法计算了安全绳的变形,给出了安全绳的仿真参数,建立了航天员舱外活动安全绳操作仿真系统。开展了受试者试验,仿真结果表明,仿真方法实时有效,可为航天员虚拟现实舱外维修仿真提供基础算法。     

基于NN-ELM的航空发动机燃油系统执行机构故障诊断

提出了一种航空发动机执行机构及其传感器单一故障诊断及定位方法.首先通过执行机构模型判断是否发生故障,然后运用发动机逆模型对故障进行定位.基于离线训练BP(back propagation)神经网络建立执行机构模型,根据某半物理仿真试验台的测试数据训练网络参数.提出离线训练和在线训练相结合的极端学习机(ELM)算法建立发动机逆模型,使网络在初始时刻就具有诊断能力,工作过程中具有适应能力,且在线训练过程采用阈值判别法筛选训练样本,减小了在线训练时间,提高了逆模型的实时性.以某型发动机燃油系统执行机构为例的设计和仿真结果表明:该诊断系统能够准确地对发动机在稳态和动态工况以及蜕化状态下的执行机构及其传感器单一故障进行准确诊断和定位,具有很好的实时性.      

近地空间航天员训练视景真实感渲染技术研究

载人航天任务中,地面模拟训练是培养提升航天员操作技能的重要手段。视景系统是航天飞行训练模拟的重要组成部分,高逼真度的仿真场景对提升航天员训练效果有重要的意义。针对空间视景仿真场景调度和渲染的特殊性,提出并设计实现视景仿真软件的总体架构。对影响空间场景真实感的地球纹理数据库的生成和调度技术、大气散射仿真技术、场景光照实时渲染等关键技术进行研究,融合各种方法,在视景仿真系统中基于GPU实现。试验验证表明,实现算法准确,模型设计合理,已经应用于航天员的训练中。     

基于辅助进气门的进气道/发动机一体化稳定性控制研究

为了实现发动机在大机动飞行时高品质稳定运行,提出了一种基于辅助进气门调节的进气道/发动机一体化稳定性控制方法。基于进气道CFD模型,通过飞行条件和辅助进气门开度计算出口性能参数,考虑总压畸变对风扇特性的影响,建立了进气道实时模型和总压畸变模型,并将其与发动机部件级模型匹配,建立进/发一体化模型。为了直接控制发动机安全裕度,选取发动机部分可测参数作为输入,通过非线性拟合方法建立风扇喘振裕度实时估计模型,相比于直接压比控制可以充分发挥发动机的潜能。进/发一体化控制是通过调节辅助进气门开度,控制进气道出口总压恢复系数,以满足发动机进口截面需求,并基于H∞鲁棒控制实现对发动机的转速和安全裕度的控制。仿真结果表明,所提出的方法可以实现发动机在大机动飞行过程中安全稳定工作,推力损失不超过2%。     

武装直升机红外成像仿真

虚拟仿真以其低成本、短周期、高质量的特点,逐渐成为复杂环境下红外成像制导武器设计分析、验证和评估的主要手段之一。以某武装直升机目标为对象,首先利用基于航空发动机物理模型的方法,通过全尺寸几何建模、计算蒙皮、尾喷和羽烟等主要红外辐射源的流场和温度场,利用灰度等级描述红外辐射信息,生成不同视向角下的近场红外辐射亮度显示,并存储形成数据库。然后根据具体使用时的条件从数据库中调用,按照距离进行大气衰减,最终形成视点处的红外辐射亮度显示。实验结果证明,算法生成的武装直升机红外图像真实感强,实时性好,可用于红外成像制导导弹仿真和夜航模拟训练系统的红外视景显示,具有一定的军事参考价值。     

融合多传感器数据的发动机剩余寿命预测方法

针对基于单一传感器数据的剩余寿命预测方法存在数据利用率低和预测精度不高的问题,论文提出了一种融合多传感器数据的发动机剩余寿命预测方法。首先将多个传感器数据融合成一个复合健康指标来表征发动机的退化性能,采用线性维纳过程对复合健康指标进行退化建模,通过极大似然估计方法确定模型参数,进而得到发动机的预测寿命。为了确定融合系数,提出了一种利用真实寿命与预测寿命的预测均方误差最小化的方法。融合系数确定后,基于训练发动机历史寿命数据,确定出模型参数的离线估计值;然后利用Bayesian公式,同时结合发动机的实时监测数据与参数的先验分布对模型参数进行实时更新,接着在首达时间的意义下推导出剩余寿命的概率分布,进而实现了发动机的剩余寿命在线预测。最后,选择商用模块化航空推进系统仿真数据集进行数值仿真实验,结果表明：相较于基于单一传感器的方法,论文所提方法能够提高剩余寿命预测的准确性,其剩余寿命预测的相对均方误差降低了2%左右。     

加力涡扇发动机过失速/旋转失速特性分析

研究了混合加力涡扇发动机过失速特性数值模拟方法。采用了轴流压综系统的逐级动态响应模型,并发展了风扇出口分流环内外流耦合分析模型。采用两种不同方式诱导了涡扇发动机过失不稳定流态。结果表明发动机的函道比的动态突变可成为预测涡扇发动机进入不可忧复失速状态的关键参数。     

涡轴发动机简化实时模型研究

涡轴发动机数控系统传感器故障诊断需机载的发动机数学模型,由于缺乏部件特性数据,根据某型发动机地面试车稳态数据和动态数据,建立涡轴发动机慢车以上状态简化数学模型。该模型具有较好的实时性,稳态模型采用插值算法,动态模型针对不同参数分别采用动态系数法和转子动力学方法。数值仿真结果表明：该简化模型具有较高的动态和稳态精度,可以满足传感器故障诊断的需求。     

Training effectiveness evaluation of helicopter emergency relief based on virtual simulation

Helicopters are playing an increasingly important part in emergency relief, such as earthquake rescue, firefighting and medical transport. With the development of virtual simulation technology, virtual simulation-based training is widely used in the training of the helicopter crew especially for the dangerous and costly missions mentioned above. A complete training effectiveness evaluation method is proposed to evaluate the trainees’ training effect based on virtual simulation in this paper. A key to this method is regarding the complicated process as a discrete event-activity flow system and establishing the evaluation indicator system. Then expert group and Analytical Network Process (ANP) are applied to determine the weight of indicators. When the training data are processed, there is a novel attempt to apply Fuzzy Comprehensive Evaluation (FCE) model to calculate the two categories of indicators. Eventually, an experiment and the analysis were carried out to validate the evaluation method.     

涡喷发动机多媒体实时数字仿真

编制了涡喷发动机实时数字仿真软件,该软件可以作为涡喷发动机操作员的模拟训练器。用ＶＢ语言实现了模拟发动机声音、动画等多媒体功能。采用动态链接库技术,通过Ｉ／Ｏ接口,外接油门开头和启动按钮等真实设备,可以反应操作员的随机动作。该软件可以较真实地模拟涡喷发动机的开车过程以及对试车数据的处理。