无人机虚拟仿真三维交互控制模型的设计与实现作者：成坚郭玖涌孙烨王宏新来源：《科技创新导报》2011年第07期摘要：介绍了如何利用Pro/E、3DSMAX及Cult3D软件设计制作无人机虚拟仿真三维交互控制模型，实现无人机的精确建模、动态模拟和交互控制。关键词：无人机；操作训练；虚拟仿真；Pro/E；3DSMAX；Cult3D中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：1674-098X(2011)03(a)-0000-00长期以来，无人机装备的操作训练一般依赖于实装开展，受到场地、人员、装备维护保养的限制，具有效率低、代价高、训练内容片面的弊端。利用虚拟仿真训练系统进行无人机操作训练，能够有效克服实装训练中存在的问题，且经济、智能、可重用，具有广阔的应用前景。无人机虚拟仿真三维交互模型作为用户训练中的直接操作对象，对整个虚拟仿真训练系统起着至关重要的作用，必须具备逼真的外观形象和强大的交互功能，其设计实现涉及到计算机仿真与虚拟现实的相关技术和结合机制问题。采用Pro/E、3DSMAX及Cult3D软件相结合的形式，利用三者之间的兼容性进行优势互补，是解决上述问题的有效途径[1-4]。在分别运用Pro/E和3DSMAX对无人机实现精确建模和动画模拟的基础上，借助Cult3D进一步实现模型的交互功能，能够有效确保无人机虚拟仿真三维交互模型的逼真度、沉浸感和可控性，对提高无人机虚拟仿真训练系统的训练实效具有重要意义。1无人机三维实体模型的建立由于Cult3D本身没有仿真建模功能，3DSMAX难以实现精确三维建模，故无人机三维实体仿真模型需借助Pro/E软件来建立[5]。Pro/E是美国PIE公司推出的一款CAD/CAM/CAE集成解决方案，是目前应用最为广泛的工业仿真设计软件之一。它采用设置特征参数的建模方式，使用参数来描述零部件的形状、尺寸和属性，所建三维模型的精度较高。图1所示为基于Pro/E软件建立的无人机某零件三维模型。考虑到在无人机操作训练中，涉及大量的零部件的拆卸组装以及配合运动过程，无人机三维实体模型的建立采用拼接法，即先建立各个零部件的独立模型，再组装成整体，具体过程为：首先，对无人机所含零部件进行数量统计和尺寸测量，并予以标识；其次，根据统计数据和测量参数，使用Pro/MOLDESIGN模块创建各个零部件的三维模型，并予以修改和完善。所建立的单个零件模型要进行规范的命名编号，以方便后期的合成组装；再利用Pro/ASSEMBLY模块将所有零部件进行组装，形成无人机整体模型；最后将Pro/E生成的*.prt文件导出为*.stl格式文件。图1基于Pro/E软件建立的无人机某零件三维模型2无人机模型的渲染和动画设计3DSMAX是Autodesk公司推出的一款三维动态仿真软件[6]，具有强大的材质编辑功能，能细腻模拟实物的质地和纹理，在合理的灯光效果下可以渲染出逼真的视觉效果，给用户带来强烈的沉浸感。3DSMAX的动画设计通过设置关键帧参数实现，操作方便简洁，且几乎任何参数都可作为关键帧参数，能够生成多种复杂动画[7]。3DSMAX与Pro/E相兼容，能够对其生成的无人机三维模型进行渲染加工和动画设计，从而弥补Pro/E软件的不足。图2所示为基于3DSMAX软件制作的无人机装配三维动态模型。（a）无人机装配图1（b）无人机装配图2图2基于3DSMAX建立的无人机装配三维动态模型利用3DSMAX对无人机三维模型进行渲染和动画设计的具体步骤为：首先，将Pro/E导出的*.stl文件导入3DSMAX，对各个无人机零部件模型进行材质编辑、灯光效果设置。零部件模型使用实物照片进行贴图，并采用Ommi和Sky灯光作为背景灯光，力求渲染效果的逼真自然；其次，按照操作训练需求制作无人机模型动画。按照具体操作步骤将动画分解成若干阶段，在每个阶段规划零部件的运行时间和顺序，确保运动的同步性和协调性。3无人机模型交互控制的设计Cult3D是由瑞典Cycore“公司设计制作的一款三维虚拟仿真控制软件，其基于事件规划”窗口的流程设计方式和图形化编程模式，使得对三维模型复杂运动的交互设计变得十分简单[8]。此外，Cult3D还提供了JavaAPI接口，用户可以通过JAVA编程实现更强大、更复杂的控制功能。Cult3D与3DSMAX相兼容，能够对其生成的无人机三维动态模型进行交互功能设置，生成无人机虚拟仿真三维交互控制模型。借助...