航空发动机整机试车模拟操纵系统的研制开发

航空发动机整机试车模拟操纵航空发动机整机试车模拟操纵 系统的研制开发系统的研制开发 张亮 铜仁职业技术学院 贵州 铜仁 554300 摘要 摘要 本文主要研究基于虚拟现实技术的航空发动机整机试车模拟操纵系统 利用 MultiGenCreator 3D MAX 等建模软件 Vega 仿真软件 设计出了发动机整机试车模拟操 纵系统软件 它可以逼真地演示发动机在整个试车过程中火焰的变化 发动机声音的控制 及发动机性能参数及曲线的实时显示 开发设计了友好的交互式功能和操作界面 提高了 系统的可观性 可控性 视听性及实用性等 为研究发动机性能提供了逼真的视景仿真效 果 关键词 关键词 虚拟现实 可视化仿真 发动机试车 Vega 中图分类号 中图分类号 TP391 9文献标识码 文献标识码 A Aeroengine Test Analog Control System s Research And Development ZHANG Liang Tongren Polytechnic College Tongren Guizhou 554300 China ABSTRACT This paper mainly based on the virtual reality technology for aeroengine test control system With the help of MultiGenCreator 3D MAX modeling software and Vega simulation software designed the engine analog control system software which could vividly demonstrate the engine the variation of flame the control of sound and the performance parameters and curve of real time display in the test run At the same time friendly interactive function and operating interface were developed to enhance the system observability controllability audio visual and practical etc It is good for providing a vivid visual simulation effection for studying of engine performance Keywords Virtual reality Visual simulation Engine test Vega 1 引言 随着虚拟现实技术在城市规划 军事 等方面应用的不断深入 1 在建模与绘制 方法 交互方式和系统构建方法等方面 对虚拟现实技术都提出来更高的需求 为 了满足这些新的需求 近年来 虚拟现实 相关技术研究在遵循 低成本 高性能 原则上取得了快速发展 表现出一些新的 特点和发展趋势 2 虚拟现实技术的发展 基本上可分为三个阶段 从 20 世纪 50 年 代到 70 年代为第一阶段 是虚拟现实的起 源阶段 从 80 年代初到 80 年代中期为第 二阶段 形成了虚拟现实的基本概念 并 产生了一些实用系统 第三阶段从 80 年代 末期至今 这一阶段中 虚拟现实技术得 到了较广泛的应用 3 航空发动机整机试车是非常重要的试 车任务 长期以来都是由试车人员在发动 机试验间完成 随着计算机技术及虚拟现 实技术的快速发展 发动机整机试车也完 全可以利用虚拟技术呈现在试车人员面前 本文利用虚拟现实技术构造虚拟的试验环 境 不仅可以模拟试车过程而且可以实现 发动机各种故障的模拟 通过这种方式可 以使技术人员 试车人员对发动机试车有 更深刻的认识 根据航空发动机整机试车 模拟操纵系统研制开发的要求 1 航空 发动机整机试车模拟操纵系统界面的设计 2 建立逼真的三维发动机模型及表盘模 型等 3 通过油门杆实现对仪表 发动 机性能参数 发动机火焰 发动机试车时 的声音及发动机性能参数曲线的实时控制 可以得出本文所做工作的主要内容包括 1 完成试车界面模型 表盘模型和发动 机模型的建立 2 将模型导入仿真场景 并进行特殊效果的处理 3 通过油门杆 控制模拟发动机试车 4 发动机性能参 数及曲线的实时显示 如图 1 所示为航空 发动机整机试车模拟操纵系统的创建流程 图 1 航空发动机整机试车模拟操纵系统的 创建流程 2 三维模型建立 在虚拟现实应用中的模型首先要以高 效为主 所以建立一个好的 高效的三维 模型比建立一个非常精细的三维模型的作 用更大 所以 本文以后续模型的实时性 应用为主 分别建立了高效实用的发动机 模型及各类表盘模型 本文将航空发动机整机模拟试车系统 分为发动机模型 表盘模型和其他模型三 个部分分别进行建模 在建模中用到的主 要技术如下 OpenFlight 模型数据库 OpenFlight 格 式的模型数据库正是专门为了完整地描述 可视化仿真模型数据库的要求而诞生的 它实际上可以完整描述一个三维虚拟场景 中包括各种行为和声音在内的所有信息 并且在实际使用中可以在获得极高渲染效 果的同时保证实时交互的灵活性 从模型 数据库的储存结构上看 OpenFlight 格式 是一种树状的层次化结构 采用这种结构 能够方便的将模型按照几何特性进行有效 地组织 并将其转化为能够方便地进行编 辑和移动的节点形式 而且这种树状结构 非常适合实时系统进行各种遍历操作 数 据库中节点就是建构层次化模型数据库最 基本的元素或模块 DOF 技术 DOF 技术又称自由度技术 是为了使 Creator 建立的模型在后续的交互 式控制时能具有预先设定的活动能力 DOF 节点能控制它所有的子节点在设定范 围内的运动或旋转 27 如本文中的发动机 模型在虚拟试车时是整个转子都再绕轴的 周向运动 表盘指针的转动等 模型数据库优化技术 在传统的模型 建立过程中 往往把过多的重心放在三维 模型本身上 都希望能建立出逼真的三维 模型 但这也同样会使后续的模型导入及 实时控制出现问题 模型面片数太多 文 件较大 需要的计算机内存较大 从而使 模型无法成功完成可视化仿真的工作 而 在实际工作中 可视化仿真更加注重对创 建模型的实时控制的有效程度 所以数据 库优化技术是一项关键技术 能让数据库 拥有优良的实时性能 可以添加更多的模 型对象来创建更加丰富 逼真的可视化虚 拟场景 4 5 本文中的操纵系统面板是相对静态的 没有模型与模型之间的遮挡 也没有碰撞 检测 所以在模型数据优化时 主要是通 过调整数据库层级结构 采用逻辑结构的 组织形式 在绘制过程中采用固定次序 读取数据库节点的顺序是由上至下 由 左至右 的方式进行绘制 同时通过 Creator 提供的平面修改工具减少多余的多 边形数量及使用纹理来达到模型数据库的 优化 最终制作出的发动机模型和表盘模型 如图 2 图 3 所示 图 2 发动机模型 图 3 表盘模型 3 基于 Vega 的三维视景仿真 本节主要研究航空发动机操作系统的 视景仿真 需对上一节建立好的模型导入 到 Vega 应用程序并生成 adf 格式的文件 为下一节关于基于 MFC 框架下对模型的控 制作铺垫 Vega 三维场景的渲染是在 Vega 类的 控制下实时进行驱动的 它以一条多线程 的渲染结构实现了对每一帧场景的管理及 图形流水线输出图像的生成 Vega 通过使 用内存共享技术来支持多重处理 使得在 不同处理器上单独运行的应用 剔除和绘 制进程之间实现数据共享 一条图像流水 线可以渲染多个通道 用户也可以通过控 制应用 剔除和绘制三个阶段的配置来决 定将要映射到屏幕上的一帧图像情况 6 整个图形流水线处理过程包含遍历数据库 图形几何变换及生成像素三个阶段 图 4 所示 数据库遍历几何变换像素生成 图 4 图形流水线 Vega 特效模块自带的火焰与加入纹理 文件后的火焰对比如图 5 所示 图 5 火焰对比图 常用特效中的火焰如图 5 中左侧火焰 其 火焰是不充分燃烧时的火焰 和航空发动 机所喷射出的火焰相比 视觉上没有体现 出喷射二字 无动力可言 视觉上达不到 本文仿真的要求 为了使火焰仿真模型符 合实际情况 一 可以自己定义粒子系统 来制作出火焰 二 可以使用动态纹理解 决此问题 本文选择第二种方式 为了能 在本文所研究的航空发动机模拟试车操作 系统中表现出喷射的火焰 在常用火焰特 效中加入圆形的白 黄闪光纹理文件 flare rgba 得出图 5 中右侧火焰的效果 从视觉上就有了逼真的感觉 体现了可燃 物的充分燃烧及火焰喷射的感觉 通过加 入闪光纹理文件的文件就可以制作出发动 机火焰的喷射效果 4 基于 MFC 的交互式控制 本文设计的界面是服务于仿真发动机 模拟试车操纵系统 根据研究的主要内容 将交互式用户界面的设计分为窗口 菜单 对话框等 为用户提供了充分可利用的功 能需求 同时又完成可视化仿真的真实性 和完整性 首先利用 VC 6 0 应用程序向 导生成一个单文档应用程序框架 然后根 据 Vega 在应用程序框架下的应用添加相应 代码实现 adf 文件的导入和渲染 最后通 过添加 MSComm 控件对外部油门杆设备的 数据进行读取来实现交互性控制功能 7 Vega API 函数库为用户提供了一整套 方便使用的视景仿真应用程序接口 具体 到本文所研究的内容而言 就是在 MFC 应 用程序框架下导入用 LynX 用户界面生成 的 adf 文件 并将文件所包含的图像渲染 出来 如下图 6 所示为基于 MFC 的 Vega 应用程序的基本框架 vgInitSys 系统初始化 vgDefineSys 系统定义 vgConfigSys 系统配置 vgSyncFrame 应用进程 同步处理 vgFrame 剔除 绘制当前帧 静态描述 动态循环 图 6 Vega 应用程序基本框架 本文中包含 7 个表盘 分别代表扭矩 压力 工喷压力 主滑进压 负拉力 T4 温度 辅滑出口压力 百分比转速 每个 表盘都需要实时控制 根据以前实际试车 时所保存的数据 每个参数在各个过程阶 段都有 360 个数据 本文中设定了 SCF 值 从 0 到 0 2 为从启动到慢车的过程 在这个 过程中油门杆从 0 度变到 18 度 所以油门 杆每变化 0 05 度 参数数据将发生变化 因此 就可以根据表格中各个参数的值换 算成表盘指针所要旋转的角度 当试车开始时 点击曲线显示菜单项 将弹出如图 7 所示的曲线显示对话框 推 动油门杆 当 SCF 值由 0 变到 0 2 时 发 动机从启动状态变到慢车状态 在这个过 程中 计算机会根据编译好的程序读数据 进行曲线绘制 同理 当 SCF 值从 0 2 到 0 4 从 0 4 到 0 6 从 0 6 到 0 85 及从 0 85 到 1 的过程分别代表了发动机从慢车到 0 4 额定状态 从 0 4 额定状态到 0 6 额定状态 从 0 6 额定状态到 0 85 额定状态 从 0 85 额定状态到额定状态等过程 各个过程都 有相对应的参数数据用来实现曲线绘制 最终实现了发动机整机试车全过程的曲线 显示 图 7 Scope 面板 最终制作出的航空发动机整机试车模 拟操纵系统的面板如图 8 所示 图 8 航空发动机模拟操纵系统面板 5 结束语 本文通过以上对航空发动机整机试车 模拟操纵系统的设计与开发 探讨了虚拟 现实技术在航空方向的应用 主要工作包 括 1 系统的总结了虚拟现实的基本思 想及其理论体系及发展趋势 2 对本文 中用到的三维图形建模方法进行了系统地 阐述 主要从计算机图形技术发展及基本 概念开始 讲解了三维动画技术与虚拟现 实技术的区别及软件的简介 着重从 Multigen Creator软件介绍了使用过程中 的相关技术 主要包括 OpenFlight模型 数据库 DOF技术 模型数据库优化技术 3 以Vega软件为主线 介绍了Vega类的 基本框架 同时给出了对火焰的处理思路 4 开发设计了友好的交互式功能和操作 界面 通过油门杆控制各个发动机参数表 盘指针的旋转 对应参数数据的显示及参 数的曲线显示 同时还能控制特效的变化 与发动机声音的关闭等 极大的提高了系统的可观 可控性 增强了实用性 参考文献参考文献 1 蒋庆全 虚拟现实技术的军事应用 现代防御技术 2001 29 2 44 49 2 许微 虚拟现实技术的国内外研究现 状与发