虛擬仿真技術范文

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1．引言

自20世紀9O年代以來，以計算機仿真技術、多媒體技術和虛擬現實技術為特征的“虛擬仿真實驗室”開始在世界各地出現，并逐步滲透到教學領域。作為一種新型的實驗教學手段，虛擬仿真教學對傳統的教學手段產生了強烈沖擊，并引發了教學領域一系列深刻的變化。種種跡象表明，虛擬仿真教學將是今后實驗教學改革的一個重要發展方向。本文結合多年來在航空電子裝備教學中應用虛擬仿真技術的經驗，探討在航空電子裝備教學軟件中應用虛擬仿真技術的方法和體會。

2．虛擬仿真技術簡介

虛擬仿真技術是對虛擬現實技術和系統仿真技術的合稱。

2．1虛擬現實技術

虛擬現實技術就是利用三維建模技術，構建一個與現實世界的物體和環境相同或相似的虛擬三維場景，并能響應用戶的輸入，根據用戶的不同動作做出相應的反應。虛擬現實的關鍵技術主要有動態環境建模技術、實時三維圖形生成技術、立體顯示和傳感器技術等。虛擬現實技術主要側重于對真實物體物理特征的仿真，也稱為視景仿真，它主要用于產品設計與展示、商業廣告、游戲設計等。

在航空電子裝備教學中，大量用到對裝備的外觀、結構、組成、連接、機安裝位置的展示，傳統教學大都采用實物展示的方法。近年來隨著大量航空電子裝備的更新換代，因受經費、場地及使用壽命等因素的限制，傳統教學方法已遠遠不能滿足要求，而采用虛擬現實技術的展示方法則以其廉價、無場地限制和效果良好得以廣泛應用。

目前有大量成熟的軟件平臺可以進行視景仿真的開發，主流平臺CreatorVegaVegaPrimeVTreeOPENGVSQUEST3DVRTOLLSEON、WEB3D、JAVA3D、GLStudio等。其中，MULTIGEN公司的虛擬現實數據庫OPENFLIGHT已經成為了工業標準，在軍事、航空航天等領域應用都比較成熟。在航空電子裝備虛擬仿真軟件的開發中我們采用rVegaPrime、GLStudio和EON作為視景仿真開發的技術平臺，解決物理模型的創建、場景顯示等問題。該平臺可以達到照片級的視景仿真效果．同時采用嵌入OPENGL技術來解決物理模型的交互問題。

2．2系統仿真技術

系統仿真技術是伴隨著計算機技術的發展而逐步形成的一門新興學科．它通過建立實際系統的數學模型，利用計算機運算來達到對被仿真系統的分析、研究、設計等目的。系統仿真技術主要側重于對真實系統的內在機理、運動方式的仿真，也稱為行為仿真。系統仿真技術最初主要用于航空、航天、原子反應堆等價格昂貴、周期長、危險性大實際系統試驗難以實現等少數領域，后來逐步發展到電力、石油、化工、冶金、機械等一些主要工業部門，并進一步擴大到社會系統、經濟系統、交通運輸系統、生態系統等一些非工程系統領域。

在航空電子裝備教學中，對裝備工作原理的講解既是重點也是難點。傳統教學方法主要通過教員的講述，配合一些靜態的圖形幫助學員理解．教學效果主要依賴于教員的授課水平和技巧。近年來．我們嘗試將系統仿真技術應用到航空電子裝備教學中，根據被仿真裝備的工作原理，建立系統的數學模型，并根據裝備的不同工作狀態，對模型進行動態運行．結合虛擬現實技術實現的逼真場景．較好地模擬實際裝備的工作情況。利用該技術開發、研制的教學軟件不但可供教員教學使用．也可供學員自學，并達到了較好的教學效果。

目前，有許多成熟的系統仿真開發平臺軟件．如Simulink、SystemView等，這些軟件以其功能強大和使用方便、易用性受到廣大用戶歡迎．但價格較為昂貴，且大多未提供對外的仿真數據接口．仿真系統應用的靈活性、擴展性和可變性受到很多限制。當然也可自行開發適用的仿真開發平臺軟件。在航空電子裝備虛擬仿真軟件的開發中我們采用的是自行開發的系統仿真平臺軟件。

3．虛擬仿真技術在航空電子裝備教學中的應用方法和步驟

3．1建立仿真模型

這里所說的仿真模型既包括反映航空電子裝備外觀、結構的三維物理模型，也包括揭示其內在工作機理及行為的數學模型。對三維物理模型的建立，主要依據裝備本身的物理狀態，其原則就是在盡量減小面數的同時提高逼真度。對系統數學模型的建立，則需要視系統的復雜程度進行取舍和優化，本著夠用為度的原則，以盡量減小運算量。建立數學模型時，還應考慮到系統運行時的參數調整。

3．2創建仿真裝備的虛擬場景并驅動

對于虛擬場景的驅動，根據使用方式的不同采用了不同的方式如果進行的僅是裝備外觀、結構的展示，可使用EON進行動作的編輯和驅動；如果需要對裝備進行虛擬操作仿真，則使用GLStudio軟件先進行操作面板、虛擬儀表的編輯和制作，然后再利用VegaPrime驅動以實現更復雜的交互操作。

3.3系統集成

系統集成就是將上述做好的模型、場景按照教學軟件所需的形式將其有機的整合在一起，使之成為_個完整的、規范的教學軟件。系統集成可以使用目前常用的軟件開發平臺如VB、vc++等。由于上述虛擬現實驅動軟件如EON、GLStudio及VegaPrime等均以ActiveX控件方式提供了可用于常用軟件開發平臺的運行插件，因此，系統集成變得十分方便。編寫程序時，只需考慮軟件功能的安排，注意程序間的兼容性即可。

系統集成時，還需要將系統行為仿真的結果通過視景仿真表現出來，即用行為仿真的數據來驅動三維物理模型的動作。由于系統行為仿真采用了專門的運行平臺，與視景仿真處于不同的系統進程中．因此這種驅動是通過兩進程間的實時通信來完成的。這里還需要考慮進程間的同步問題。

4．結語

虛擬仿真教學系統研制的目的是高質量服務于教學。目前．我們已開發完成了“XXX型無線電羅盤虛擬仿真訓練系統”、“XXX型塔康機載設備虛擬仿真訓練系統”等多個航空電子裝備虛擬仿真教學系統軟件，并在教學實踐中投入使用，均取得了良好的效果。隨著虛擬仿真技術在教學中應用的不斷深入，必將帶來教學手段的。次質的飛躍。