虚拟仿真技术在航空教学中的应用研究
自从世界上出现第一台训练仿真系统(以1929 年美国空军飞机练习器-林克机为代表)以来,经过了以机电解算装置为主的仿真系统,以模拟计算机为主的仿真系统,以数字计算机为主的仿真系统等几个阶段,系统仿真技术得到逐步发展。特别是近十几年来,随着计算机技术的发展,系统仿真技术的发展也更加迅猛,并逐步渗透到教学领域。作为一种新型的实验教学手段,虚拟仿真教学对传统的教学手段产生了强烈冲击,并引发了教学领域一系列深刻的变化。种种迹象表明,虚拟仿真教学将是今后实验教学改革的一个重要发展方向。 1、虚拟仿真技术简介
虚拟仿真技术也称为虚拟现实技术(Virtual Reality 简记VR),就是用一个系统模仿另一个真实系统的技术。从狭义上讲,是指20世纪40年代伴随着计算机技术的发展而逐步形成的一类试验研究的新技术。从广义上来说,仿真则是在人类认识自然界客观规律的历程中一直被有效地使用着。由于计算机技术的发展,仿真技术逐步自成体系,成为继数学推理、科学实验之后人类认识自然界客观规律的第三类基本方法,而且正在发展成为人类认识、改造和创造客观世界的一项通用性、战略性技术。 VR技术是将计算机技术、自动控制技术、系统工程方法、人工智能、仿真技术、多媒体技术、信息融合技术、立体影像技
术、光电技术以及神经生物学、心理学和行为科学等诸多科学技术成果融合一体的崭新的人工合成的“虚拟环境”。 VR技术创造的人机和谐仿真环境具有“沉浸-交互-构思”的基本特征。它利用并集成高性能的计算机系统和各类传感器,在多维信息空间创造一个使研究者处于具有身临其境的沉浸感,具有完善的交互作用能力,能帮助和启发构思的仿真信息环境。VR 的主要特征为:
(1)多媒体感知性。在虚拟现实系统中,用户将感觉不到身体所处的外部环境而“融合”。
到虚拟世界中去,即指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。(2)交互性。用户可以通过三维交互设备直接控制虚拟世界中的对象,并从虚拟环境中得到反馈信息。(3)自主性。指虚拟现实系统中的物体可按各自的模型和规则自主运动,即指虚拟环境中物体依据客观规律动作的程度。 2、应用方法
(1)建立仿真模型。这里所说的仿真模型既包括反映航空装备外观、结构的三维物理模型,也包括揭示其内在工作机理及行为的数学模型。对三维物理模型的建立,主要依据装备本身的物理状态,其原则就是在尽量减小面数的同时提高逼真度。对系统数学模型的建立,则需要视系统的复杂程度进行取舍和优化,本着够用为度的原则,以尽量减小运算量。建立数学模型时 ,还应考虑到系统运行时的参数调整。
(3)系统集成。系统集成就是将上述做好的模型、场景按照教学软件所需的形式将其有机的整合在一起,使之成为一个完整的、规范的教学软件。系统集成可以使用目前常用的软件开发平台如 VB、VC++等。由于上述虚拟现实驱动软件如 EON、GLStudio及Vega Prime等均以ActiveX控件方式提供了可用于常用软件开发平台的运行插件,因此,系统集成变得十分方便。编写程序时,只需考虑软件功能的安排,注意程序间的兼容性即可。系统集成时,还需要将系统行为仿真的结果通过视景仿真表现出来,即用行为仿真的数据来驱动三维物理模型的动作。由于系统行为仿真采用了专门的运行平台,与视景仿真处于不同的系统进程中．因此这种驱动是通过两进程间的实时通信来完成的。这里还需要考虑进程间的同步问题。 3、应用体会
在航空教学中,对航空装备工作原理的讲解既是重点也是难点。传统教学方法主要通过教员的讲述,配合一些静态的图形帮助学员理解,教学效果主要依赖于教员的授课水平和技巧,尤其对于航空发动机、特种设备等复杂装备讲解时,利用VR技术配合教学优势就显现出来了;另一方面,对于设备使用教学上,利用VR技术通过虚拟的开关、手柄控制,在虚拟环境中反映出实际情况,使学员能够快速的掌握操作程序。近年来,我们尝试将系统仿真技术应用到航空教学中,根据被仿真装备的工作原理,建立系统的数学模型,并根据装备的不同工作状态,对模型进行动态运行,
结合虚拟现实技术实现逼真场景,较好地模拟实际装备的工作情况。利用该技术开发、研制的教学软件不但可供教员教学使用,也可供学员自学,并达到了较好的教学效果。
目前,有许多成熟的系统仿真开发平台软件,如Simulink、SystemView等,这些软件以其功能强大和使用方便、易用性受到广大用户欢迎．但价格较为昂贵,且大多未提供对外的仿真数据接口．仿真系统应用的灵活性、扩展性和可变性受到很多限制。当然也可自行开发适用的仿真开发平台软件。 4、结语
航空教学与其他基础学科教学不同,不但要传授航空基本理论,而且还要传授航空装备的工作原理及使用,传统的挂图式讲解已不能满足现代教学的需求,随着计算机技术,尤其是多媒体及可视化技术的迅猛发展,通过计算机的文字、图形、图像、声音、视频及动画等多媒体的输入输出,将使教学更为逼真、形象、自然,产生身临其境的效果。目前,应用虚拟仿真教学系统已成为现代教学的趋势,经教学实践中使用,取得了良好的效果。随着虚拟仿真技术在教学中应用的不断深入,必将带来教学手段质的飞跃。