飛行動態模擬

         建立虛擬實境飛行動態模擬系統之現代戰機 

 空氣動力模型

Aerodynamics motion modeling for the VR-based Modern Air Fighter Simulation System
研究生:邱裕欽    指導教授:林進燈 莊仁輝
說  明
場景的連線

  以前虛擬實境主要是以單機為主,隨著Internet的發展,現在最熱門的虛擬實境應用也向網路化邁進。另一方面,在虛擬實境的相關技術中,我們首先考慮的是如何建構物體的實體模型及如何真實地把它們顯示在螢幕上,一旦要將這些技術應用到真實世界的模擬時,還須考慮一些自然法則的模擬。所以虛擬實境在場景部份為了要擬真,需要更多的點數和多邊形面來模擬場景中之物體,而另一部份為了表現出真實世界中之實際物理特性,我們亦加入了動態模擬單元來計算各物體在虛擬世界中之受力情況,也因為如此造成計算時間的大量消耗和硬體的龐大需求。因此在本論文中將虛擬實境場景和控制部份分開成分散式平行處理系統,以網路來作為溝通的介面。我們虛擬實境場景的連線方式,除了考慮到IBM Compatible PC及Windows作業系統是否有支援以外,還必須考慮到連接的模組、控制電腦及其作業系統是否也有提供。在多方考慮之下,我們選擇採用RS-232與TCP/IP網路傳輸協定作為虛擬場景和與各個模組之間的底層資料傳輸協定。

六軸運動平台通訊介面模組

  六軸運動平台通訊介面模組主要分為位置控制通訊介面模組和Washout通訊介面模組。一般來講我們將虛擬場景中之船舶六軸姿態直接傳遞給平台控制端,經逆向運動學轉換為六軸腳長之伸縮量,即是所謂的位置控制通訊介面模組,並利用視覺效果及移動可動平台,讓駕駛員感受到相當程度的直線和旋轉的速度和加速度,以達到航行模擬的效果。我們對Stewart平台運動軌跡的描述是採用 Cartesian Space 表示即輸入Stewart平台的位置姿態(x、y、z、α、β、γ),經由逆向運動學的轉換得各個致動器所對應的長度,再透過控制器來控制各個致動器的長度,即我們實際是在 Joint Space 下做油壓致動器的控制。

力操控搖桿介面模組之設計流程

  與操控模擬訓練系統搭配的力操控搖桿硬體模組,其控制器是由交大電控系「人與機器實驗室」所提供。該控制模組為Logitech Wingman Warrior序列搖桿。操控者透過力操控搖桿與虛擬實境作互動,其有如操控者的舵盤,透過RS232或Game Port傳輸界面將搖桿的動作傳送至虛擬場景動態模型。經由力操控搖桿與Flight Gear這套飛行模擬虛擬實境場景開發套件的連接,我們可以即時獲得操控者所輸入的搖桿位置座標,換算成動態模型中F-16戰機操縱面與引擎推力變化,藉此操控航空器來與我們的即時飛行模擬訓練系統作互動。

飛行動態模擬之整體系統流程

  Flight Gear飛行模擬軟體開發之飛機操控模擬訓練系統的分散式系統結合了操控搖桿、六軸運動平台位置控制器整合。我們使用如下圖(8)的分散式飛機操控模擬訓練系統組態。除了超出戰機負荷致使損毀外整個流程將會以迴圈方式執行。當整個系統啟動之後以搖桿操控飛機外,六軸運動平台位置控制器也會依照飛機的角度姿態去調整平台姿態,飛機動態模擬模組也會即時地將模擬數據透過網路傳送至飛機場景並同時顯示在模擬電腦之螢幕上。飛行時之狀態。


圖(8):整個飛行動態模擬系統整合流程圖

結論與展望
     總體來說,模擬器採用的技術途徑可分為物理模擬、數學模擬和物理數學混合模擬等三種基本模式。物理模擬主要是採用物理模型對環境、介面、過程等進行模擬的模式;數學模擬主要是採用電腦技術建立數學模型進行模擬的模式;而混合模擬則是介於物理模擬和數學模擬之間的一種模式,在本論文中我們發展以數學模擬為主的F-16戰機之飛行動態模型,模擬方面我們所提出的動態模擬理論及方法,已經結合飛行模擬軟體Flight Gear系統虛擬實境場景的地形、物件成功地搭配實驗室六軸平台構成一套擬操控訓練系統。其中飛機物件的逼真度也足以供我們使用。利用Linux作業系統穩定的網路功能使得模擬系統與場景和平台間底層的各種通訊介面模組可以透過網路標準互相溝通。在未來的工作上,本文提出下列項目以供參考:

1.        在圖形效果方面,虛擬實境場景在飛行動態的控制面能隨操控動作表現上仍須要藉由更多的3D繪圖技巧來達成。

2.        在動態模擬方面,目前模擬模組只針對次超音速環境模擬,而超音速模擬則因物理特性需特別再探討。

3.         在虛擬實境場景與飛行動態模型,虛擬實境場景應該要再多提供大氣環境更進一步的模擬如亂流、側風等,

4.         由於真實F-16戰機試飛數據資料難以取得,根據本文所提出之非線性動態模擬方法,將來若可取得相關數據則可快速修正原有模型增加其逼真度。

若能完成上述這些項目,就能讓動態模擬更為精密、即時動態視覺更為真實,成為更為精確之飛行動態模擬系統。