太陽帆航天器三維動畫可視化仿真平臺的設(shè)計與實現(xiàn)論文
0 引言
太陽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，利用太陽光壓產(chǎn)生持續(xù)推力，給航天器提供持續(xù)動力，本身無需攜帶大量的燃料，因此在深空探測和星際航行等航天領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，近年來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)等多個世界研究機構(gòu)正在研制利用太陽帆航天器進行推進任務(wù)(如Pole Site、Geosail、Geostorm等)，但是，離利用太陽帆進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。針對太陽帆航天器進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，研究并開發(fā)了一套三維可視化仿真平臺，利用仿真平臺模擬太陽帆航天器的飛行情況，為實際太陽帆航天器飛行提供一定的參考。
截止目前，未發(fā)現(xiàn)有關(guān)太陽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(jié)合搭建了一個太陽帆三維動畫可視化仿真平臺。利用視點控制及多通道多視點技術(shù)分別在不同的通道中觀察太陽帆的飛行軌跡及姿態(tài)變化;通過VC++與MATLAB的交互編程，利用MAT文件的仿真數(shù)據(jù)驅(qū)動多個物體同時移動;利用Vega和OpenGL混合編程，實現(xiàn)了飛行軌跡及姿態(tài)信息實時顯示的功能。
1 太陽帆航天器三維動畫可視化仿真平臺總體設(shè)計
三維動畫可視化仿真系統(tǒng)主要由太空飛行仿真場景及視景仿真模型兩大部分構(gòu)成。飛行仿真場景是指太陽帆所飛行的具體環(huán)境;視景仿真模型是指太陽帆航天器的具體結(jié)構(gòu)模型。
本文首先利用Creator建立太空環(huán)境飛行仿真場景(太空環(huán)境)和太陽帆航天器的結(jié)構(gòu)視景仿真模型(flt文件);接著利采用Vega提供的Lynx工具將flt文件導(dǎo)入相應(yīng)的場景中，然后，進行一系列的初始化工作，并將其儲存為應(yīng)用程序定義文件(ADF)文件;最后，通過MATLAB計算各個時刻太陽帆的飛行軌跡和姿態(tài)數(shù)據(jù)，并通過載入模型對象的位置及姿態(tài)數(shù)據(jù)，完成對太陽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)境和開發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)
2.1 在Visual C++環(huán)境下Vega應(yīng)用程序的開發(fā)
Windows平臺上Vega應(yīng)用程序的開發(fā)，利用MFC框架開發(fā)程序能夠有效地應(yīng)用Vega函數(shù)庫，可以極大程度地減小程序開發(fā)的工作量。本文采用基于MFC開發(fā)Vega應(yīng)用程序。
2.2 三維動畫場景和模型的建立
Multigen Creator是一款專業(yè)化的建模軟件工具，可以有效地創(chuàng)建交互式實時應(yīng)用的三維模型及場景。本文利用Creator建立太空環(huán)境模型和太陽帆航天器的結(jié)構(gòu)模型。太陽帆航天器的結(jié)構(gòu)主要包括大面積帆膜、支撐機構(gòu)及中心控制機構(gòu)等其它附屬機構(gòu)，模型的正面視圖如圖2所示。將Creator中建好的模型文件導(dǎo)入Vega中，利用Vega所提供的Lynx定義三維動畫場景中的模型元素屬性和相互位置關(guān)系，最后生成用于太陽帆航天器三維動畫仿真平臺的ADF文件，即虛擬場景文件。
2.3 多通道渲染技術(shù)
本文采用多通道技術(shù)實現(xiàn)在同一時刻不同位置觀察各角色模型對象的運動狀態(tài)。在一個通道中觀察包括太陽帆在內(nèi)的多個運動模型的相對運動軌跡，而在另外一個通道中觀察太陽帆航天器姿態(tài)的變化過程，結(jié)合兩個通道同時觀察太陽帆航天器飛行狀況。
2.4 數(shù)據(jù)驅(qū)動
本系統(tǒng)利用仿真數(shù)據(jù)與各模型對象進行關(guān)聯(lián)，通過不斷調(diào)用相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)進行位置及姿態(tài)的更新，實現(xiàn)逼真的可視化效果，能夠準確地展現(xiàn)控制效果。利用MATLAB與VC++之間的交互編程調(diào)用MAT文件，并采用MAT文件的操作方法來讀取MAT文件，從而實現(xiàn)利用仿真數(shù)據(jù)驅(qū)動太陽帆、地球等模型對象的運動。
3 仿真實例
三維可視化仿真平臺系統(tǒng)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通道，分別顯示各模型對象飛行的軌跡與太陽帆的姿態(tài)變化;操作面板則用來控制仿真的進度，并同時顯示太陽帆、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進行太陽帆航天器軌跡優(yōu)化仿真后保存的MAT數(shù)據(jù)文件，與太陽帆、地球等模型綁定其相關(guān)的位姿數(shù)據(jù)。太陽帆航天器以一定的位姿出現(xiàn)在仿真環(huán)境中，通過視點切換，并選擇合適的視點來觀察太陽帆飛行過程。仿真過程中可以選擇開始仿真、暫停仿真、重啟仿真。
4 結(jié)論
本文通過Vega和VC++相結(jié)合的方法，設(shè)計并開發(fā)了一套太陽帆航天器三維動畫可視化仿真平臺。利用Creator軟件建立相關(guān)模型;采用多通道多視點技術(shù)分別觀察太陽帆航天器的飛行軌跡及姿態(tài)變化，并通過視點控制技術(shù)，可以從任意位置任意角度觀察太陽帆航天器的飛行狀態(tài);通過MATLAB與VC++的交互編程，實現(xiàn)了多個運動體同時移動;通過回調(diào)函數(shù)解決了Vega和OpenGL混合編程問題，給系統(tǒng)增加了顯示飛行軌跡及重要數(shù)據(jù)信息的功能。
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