太陽(yáng)帆航天器三維動(dòng)畫(huà)可視化仿真平臺的設計與實(shí)現論文
0 引言
太陽(yáng)帆航天器是一種在深空探測和星際航行等領(lǐng)域極具潛力的新型航天器，利用太陽(yáng)光壓產(chǎn)生持續推力，給航天器提供持續動(dòng)力，本身無(wú)需攜帶大量的燃料，因此在深空探測和星際航行等航天領(lǐng)域具有廣闊的應用前景，近年來(lái)受到國際航天界的廣泛關(guān)注。
美國宇航局(NASA)、日本宇航局(JAXA)、歐洲航天局(ESA)等多個(gè)世界研究機構正在研制利用太陽(yáng)帆航天器進(jìn)行推進(jìn)任務(wù)(如Pole Site、Geosail、Geostorm等)，但是，離利用太陽(yáng)帆進(jìn)行深空探測及星際航行還有一定的距離，還有一系列的關(guān)鍵技術(shù)需要攻克。針對太陽(yáng)帆航天器進(jìn)行一次太空航行任務(wù)，需要高額的成本，本文提供了一種經(jīng)濟且有效的方式，研究并開(kāi)發(fā)了一套三維可視化仿真平臺，利用仿真平臺模擬太陽(yáng)帆航天器的飛行情況，為實(shí)際太陽(yáng)帆航天器飛行提供一定的參考。
截止目前，未發(fā)現有關(guān)太陽(yáng)帆航天器可視化仿真平臺的'文獻。本文利用C++6.0、Multigen Creator/Vega、及MATLAB等軟件相結合搭建了一個(gè)太陽(yáng)帆三維動(dòng)畫(huà)可視化仿真平臺。利用視點(diǎn)控制及多通道多視點(diǎn)技術(shù)分別在不同的通道中觀(guān)察太陽(yáng)帆的飛行軌跡及姿態(tài)變化;通過(guò)VC++與MATLAB的交互編程，利用MAT文件的仿真數據驅動(dòng)多個(gè)物體同時(shí)移動(dòng);利用Vega和OpenGL混合編程，實(shí)現了飛行軌跡及姿態(tài)信息實(shí)時(shí)顯示的功能。
1 太陽(yáng)帆航天器三維動(dòng)畫(huà)可視化仿真平臺總體設計
三維動(dòng)畫(huà)可視化仿真系統主要由太空飛行仿真場(chǎng)景及視景仿真模型兩大部分構成。飛行仿真場(chǎng)景是指太陽(yáng)帆所飛行的具體環(huán)境;視景仿真模型是指太陽(yáng)帆航天器的具體結構模型。
本文首先利用Creator建立太空環(huán)境飛行仿真場(chǎng)景(太空環(huán)境)和太陽(yáng)帆航天器的結構視景仿真模型(flt文件);接著(zhù)利采用Vega提供的Lynx工具將flt文件導入相應的場(chǎng)景中，然后，進(jìn)行一系列的初始化工作，并將其儲存為應用程序定義文件(ADF)文件;最后，通過(guò)MATLAB計算各個(gè)時(shí)刻太陽(yáng)帆的飛行軌跡和姿態(tài)數據，并通過(guò)載入模型對象的位置及姿態(tài)數據，完成對太陽(yáng)帆的飛行軌跡和姿態(tài)變化的三維可視化仿真。
2 仿真軟件平臺環(huán)境和開(kāi)發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)
2.1 在Visual C++環(huán)境下Vega應用程序的開(kāi)發(fā)
Windows平臺上Vega應用程序的開(kāi)發(fā)，利用MFC框架開(kāi)發(fā)程序能夠有效地應用Vega函數庫，可以極大程度地減小程序開(kāi)發(fā)的工作量。本文采用基于MFC開(kāi)發(fā)Vega應用程序。
2.2 三維動(dòng)畫(huà)場(chǎng)景和模型的建立
Multigen Creator是一款專(zhuān)業(yè)化的建模軟件工具，可以有效地創(chuàng )建交互式實(shí)時(shí)應用的三維模型及場(chǎng)景。本文利用Creator建立太空環(huán)境模型和太陽(yáng)帆航天器的結構模型。太陽(yáng)帆航天器的結構主要包括大面積帆膜、支撐機構及中心控制機構等其它附屬機構，模型的正面視圖如圖2所示。將Creator中建好的模型文件導入Vega中，利用Vega所提供的Lynx定義三維動(dòng)畫(huà)場(chǎng)景中的模型元素屬性和相互位置關(guān)系，最后生成用于太陽(yáng)帆航天器三維動(dòng)畫(huà)仿真平臺的ADF文件，即虛擬場(chǎng)景文件。
2.3 多通道渲染技術(shù)
本文采用多通道技術(shù)實(shí)現在同一時(shí)刻不同位置觀(guān)察各角色模型對象的運動(dòng)狀態(tài)。在一個(gè)通道中觀(guān)察包括太陽(yáng)帆在內的多個(gè)運動(dòng)模型的相對運動(dòng)軌跡，而在另外一個(gè)通道中觀(guān)察太陽(yáng)帆航天器姿態(tài)的變化過(guò)程，結合兩個(gè)通道同時(shí)觀(guān)察太陽(yáng)帆航天器飛行狀況。
2.4 數據驅動(dòng)
本系統利用仿真數據與各模型對象進(jìn)行關(guān)聯(lián)，通過(guò)不斷調用相關(guān)聯(lián)的數據進(jìn)行位置及姿態(tài)的更新，實(shí)現逼真的可視化效果，能夠準確地展現控制效果。利用MATLAB與VC++之間的交互編程調用MAT文件，并采用MAT文件的操作方法來(lái)讀取MAT文件，從而實(shí)現利用仿真數據驅動(dòng)太陽(yáng)帆、地球等模型對象的運動(dòng)。
3 仿真實(shí)例
三維可視化仿真平臺系統界面主要包括菜單欄、主窗口和操作面板。其中主窗口中有兩個(gè)通道，分別顯示各模型對象飛行的軌跡與太陽(yáng)帆的姿態(tài)變化;操作面板則用來(lái)控制仿真的進(jìn)度，并同時(shí)顯示太陽(yáng)帆、地球等角色對象的位置、姿態(tài)及速度信息。首先載入使用MATLAB進(jìn)行太陽(yáng)帆航天器軌跡優(yōu)化仿真后保存的MAT數據文件，與太陽(yáng)帆、地球等模型綁定其相關(guān)的位姿數據。太陽(yáng)帆航天器以一定的位姿出現在仿真環(huán)境中，通過(guò)視點(diǎn)切換，并選擇合適的視點(diǎn)來(lái)觀(guān)察太陽(yáng)帆飛行過(guò)程。仿真過(guò)程中可以選擇開(kāi)始仿真、暫停仿真、重啟仿真。
4 結論
本文通過(guò)Vega和VC++相結合的方法，設計并開(kāi)發(fā)了一套太陽(yáng)帆航天器三維動(dòng)畫(huà)可視化仿真平臺。利用Creator軟件建立相關(guān)模型;采用多通道多視點(diǎn)技術(shù)分別觀(guān)察太陽(yáng)帆航天器的飛行軌跡及姿態(tài)變化，并通過(guò)視點(diǎn)控制技術(shù)，可以從任意位置任意角度觀(guān)察太陽(yáng)帆航天器的飛行狀態(tài);通過(guò)MATLAB與VC++的交互編程，實(shí)現了多個(gè)運動(dòng)體同時(shí)移動(dòng);通過(guò)回調函數解決了Vega和OpenGL混合編程問(wèn)題，給系統增加了顯示飛行軌跡及重要數據信息的功能。
【太陽(yáng)帆航天器三維動(dòng)畫(huà)可視化仿真平臺的設計與實(shí)現論文】相關(guān)文章：
論文：短信平臺系統的設計與實(shí)現06-24
移動(dòng)校園門(mén)戶(hù)平臺的設計與實(shí)現論文11-12
云計算網(wǎng)絡(luò )教學(xué)平臺設計與實(shí)現論文08-01
基于A(yíng)ndroid平臺的紋理映射分析與實(shí)現論文04-27
淺談基于電網(wǎng)管理的三維GIS平臺設計與實(shí)現論文10-25
物流仿真教學(xué)設計研究論文10-14
酒店管理的設計與實(shí)現論文01-14
GIS設計與實(shí)現論文范例07-15