摘 要： 首先介紹了機電液一體化仿真的意義，對Simulink模塊進行了簡要介紹，構(gòu)建了基于Simulink的機電液一體化仿真平臺；其次介紹了視景仿真技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及其在機電液一體化仿真中的應(yīng)用；最后詳細描述了機電液一體化仿真的基本過程。以某飛行器轉(zhuǎn)運、發(fā)射過程為研究對象，利用Simulink、Creator、Vega Prime和VC++6.0等工具，建立了一體化控制仿真環(huán)境并進行二次開發(fā)。仿真系統(tǒng)運行平穩(wěn)，實驗數(shù)據(jù)準確、可靠，可視化顯示視覺效果較好。結(jié)果表明，機電液一體化仿真技術(shù)能比較準確地描述研究對象的動力學響應(yīng)特性，在產(chǎn)品研制和研究過程中有較大的工程應(yīng)用價值。

　　關(guān)鍵詞： 機電液一體化；視景仿真；飛行器；仿真

0 引言

　　機電液一體化系統(tǒng)是指對機械、液壓、電子、控制、氣動力學、軟件等多個不同學科子系統(tǒng)進行“優(yōu)化組合”形成的綜合組合體[1]。機電液一體化系統(tǒng)通常涉及多個物理領(lǐng)域且研究內(nèi)容較為復(fù)雜。根據(jù)不同的工程需求，不僅需要單個專門領(lǐng)域軟件進行仿真分析，而且還需要多個不同領(lǐng)域軟件建立的模型組裝成仿真模型系統(tǒng)，完成聯(lián)合仿真試驗[2]。

　　在傳統(tǒng)工程生產(chǎn)中，不同領(lǐng)域研究人員隸屬于不同的學科研究團隊，不能有效地從全局角度合理安排設(shè)計目標和內(nèi)容，對系統(tǒng)形成不同的理解，缺少對多領(lǐng)域模型相關(guān)性的深入研究。這使得設(shè)計、生產(chǎn)、裝配等過程嚴重脫節(jié)，生產(chǎn)和設(shè)計的模型不一致，增加了研發(fā)成本和相應(yīng)開支。

　　而機電液一體化聯(lián)合仿真技術(shù)是一個多領(lǐng)域知識交叉融合的系統(tǒng)工程，研究人員需要通過基于統(tǒng)一語言和相關(guān)專業(yè)仿真軟件的方法，實現(xiàn)對復(fù)雜模型體的“橫向”并行設(shè)計和聯(lián)合仿真[3]。在設(shè)計過程中首先對整體進行設(shè)計，而后完成部分的設(shè)計，從而可以避免因系統(tǒng)整體設(shè)計失誤而造成的高昂浪費。

　　與傳統(tǒng)設(shè)計方法相比較，采用機電液一體化仿真技術(shù)對機電液系統(tǒng)進行聯(lián)合設(shè)計、仿真具有明顯優(yōu)勢。在不降低機電液一體化系統(tǒng)整體性能指標的前提下，這種方法能夠極大地縮短研制周期，減少開發(fā)成本。

1 基于Simulink的機電液一體化仿真平臺構(gòu)建

　　作為虛擬樣機技術(shù)發(fā)展的一個重要方面[4]，機電液一體化仿真技術(shù)在汽車制造業(yè)、工程機械、國防工業(yè)及航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用較為普遍，具有重要的研究意義。

　　1.1 Simulink簡介

　　Simulink是一個能夠完成對各種動態(tài)系統(tǒng)（如連續(xù)、離散及混合的線性、非線性系統(tǒng)）建模、仿真和綜合分析的軟件包。Simulink[4]具有以下特點：

　?。?）提供了交互式、圖形化的建模環(huán)境。用戶可根據(jù)需要直觀、快捷地選擇仿真模型。

　?。?） 仿真環(huán)境的交互性較強。用戶在進行仿真的同時，改變參數(shù)進行“What-if”式的仿真實驗。

　?。?）擁有強大的專用模塊庫。作為Simulink的補充，Math Workshop公司開發(fā)了諸如DSP Blockset、Power System Blockset等專用功能程序包。

　　（4）與Matlab軟件結(jié)合完美。利用Matlab提供的豐富的資源，建立仿真模型，查看仿真實驗過程，分析實驗結(jié)果。

　　1.2 基于Simulink的一體化仿真平臺

　　Simulink的編程語言簡潔，能夠方便地實現(xiàn)控制算法；與主流的機械、液壓仿真軟件兼容性好，方便實現(xiàn)軟件間數(shù)據(jù)共享和互操作；提供了多種解算方法，可供用戶選擇使用[5]。因此，選擇Matlab/Simulink軟件作為機電液一體化系統(tǒng)主仿真平臺。

　　通常可以使用機械動力仿真軟件ADAMS、液壓系統(tǒng)仿真軟件AMESim、控制系統(tǒng)仿真軟件Matlab及其接口技術(shù)，將不同格式的數(shù)據(jù)信息和參數(shù)相互傳遞使用，把機電液系統(tǒng)的單個領(lǐng)域仿真模型“融合”在Simulink仿真環(huán)境中，從而實現(xiàn)了機電液一體化系統(tǒng)仿真平臺的構(gòu)建。

2 視景仿真技術(shù)應(yīng)用

　　2.1 視景仿真技術(shù)

　　隨著計算機技術(shù)和硬件技術(shù)的發(fā)展，視景仿真技術(shù)已成為熱門的研究領(lǐng)域，廣泛應(yīng)用于科學研究、人員培訓、工業(yè)生產(chǎn)和突發(fā)事件處理等領(lǐng)域。視景仿真技術(shù)[6]是計算機圖形學、計算機仿真學、人機接口技術(shù)、多媒體技術(shù)，以及傳感器技術(shù)等多領(lǐng)域高新技術(shù)的綜合應(yīng)用，是一種能夠?qū)陀^系統(tǒng)或人為假設(shè)系統(tǒng)進行實驗仿真研究，生成可視化交互環(huán)境，使用戶產(chǎn)生置身其中感覺的先進研究方法。

　　視景仿真技術(shù)是多領(lǐng)域科學技術(shù)進步的結(jié)果和產(chǎn)物，涉及諸如圖形學、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、模式識別技術(shù)、人工智能技術(shù)、圖像處理和優(yōu)化技術(shù)等計算機技術(shù)，以及數(shù)學、物理、化學、氣象、心理學等學科[7]。它著重突出了用戶在虛擬環(huán)境中的沉浸感，使用聽覺、視覺、觸覺等各種感官手段，實現(xiàn)用戶和虛擬環(huán)境之間的自然交互。視景仿真技術(shù)是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的重要變現(xiàn)形式，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基本特征為3個“I” [8]，如圖1所示。

　　沉浸感(Immersion)是指與傳統(tǒng)計算機接口不同，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)通過自然、舒適的交互手段，使用戶完全沉浸在系統(tǒng)設(shè)定的虛擬三維視景場景中。

　　交互性(Interaction)是指與傳統(tǒng)三維動畫不同，在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中使用者不是被動的接受信息，而是可以通過交互輸入設(shè)備控制虛擬模型來改變虛擬場景。

　　構(gòu)想感(Imagination)是指使用者在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中得到的感性和理性的認識，而虛擬系統(tǒng)在創(chuàng)建過程中遵循客觀實際，盡量不失真地表現(xiàn)真實場景。

　　2.2 機電液一體化系統(tǒng)的視景仿真技術(shù)

　　科學技術(shù)的不斷發(fā)展，使得開展各種前人不敢想象的、更為深入的科學研究成為一種可能，從而推動了社會的進步。由于缺少有效、成熟的研究方法，由計算機產(chǎn)生的大量仿真信息數(shù)據(jù)被白白浪費，嚴重影響了科學研究的成果和進步。人們已經(jīng)不能滿足單獨通過圖像和表格來表征數(shù)值仿真結(jié)果的研究方法。

　　因此，將機電液一體化仿真與視景仿真技術(shù)相結(jié)合，能夠為研究人員提供更為有效的研究方法和手段[9]。將仿真結(jié)果可視化后，不但能通過圖形和圖像的方式把仿真實驗數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出來，而且能夠使研究人員實時動態(tài)地監(jiān)控和觀察模擬實驗的全過程。作為一種能夠較為有效地解釋仿真數(shù)據(jù)信息的方法，機電液一體化系統(tǒng)的可視化仿真研究技術(shù)已被廣泛應(yīng)用在科學和工程技術(shù)領(lǐng)域，在國防軍事領(lǐng)域和工業(yè)制造領(lǐng)域產(chǎn)生了顯著的促進作用。

3 應(yīng)用實例

　　以某飛行器轉(zhuǎn)運、發(fā)射全過程為例建立飛行器一體化仿真實驗平臺，為作戰(zhàn)訓練和技術(shù)研究提供技術(shù)支持。選用Matlab/Simulink軟件構(gòu)造飛行器彈道六自由度仿真模型，并進行仿真實驗，完成數(shù)學仿真；使用Multigen Creator建模軟件、Vega Prime虛擬現(xiàn)實開發(fā)工具和Microsoft Visual Studio.net 2003編譯軟件3者結(jié)合的技術(shù)路線實現(xiàn)機電液一體化系統(tǒng)的三維建模及其視景仿真。圖2所示為視景仿真研究技術(shù)路線圖。

　　3.1 飛行器數(shù)學建模和數(shù)學仿真

　　建立某飛行器飛行的數(shù)學模型，并在Matlab環(huán)境下對無人飛行器飛行全過程仿真。飛行器在空間運動有6個自由度，包括前后、上下、左右3個質(zhì)心移動的自由度和滾轉(zhuǎn)、俯仰、偏航3個繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動自由度。

　　由于受到氣動數(shù)據(jù)多、系統(tǒng)復(fù)雜等因素影響，建立完整的六自由度無人飛行器模型比較困難，故需要做出如下一些假設(shè)[10]：

　　（1）視飛行器為一剛體，不考慮由機翼、機身等引起的彈性自由度。

　　（2）假定大氣是靜止的標準大氣，飛行器質(zhì)量不變化。

　?。?）假設(shè)重力加速度不隨高度變化。

　?。?）假設(shè)地面為慣性參考系，即假設(shè)地坐標為慣性坐標系。

　　3.2 飛行器可視化仿真

　?。?）建立三維視景模型

　　對于某飛行器飛行控制視景仿真系統(tǒng)，最重要的研究內(nèi)容是建立場景模型。它可以直接影響系統(tǒng)的實時性、逼真效果等，從而決定一體化視景仿真系統(tǒng)的性能。視景建模具有信息量大、建模周期長、難度大等特點，是視景仿真系統(tǒng)設(shè)計的重點和難點。虛擬視景模型主要包括飛行器、發(fā)射車、房屋建筑以及大地形等。其中飛行器舵面是可以轉(zhuǎn)動的；大地形應(yīng)該包括高山、河流、沙漠等典型地貌特征。

　　對于大量的視景模型需要逐個建模，工作量較大。合理利用實例化技術(shù)、紋理技術(shù)和LOD技術(shù)，可以減少場景中總的面數(shù)，大大簡化模型設(shè)計周期，提高建模效率和后期實時仿真渲染速度。還可以使用DOF技術(shù)，在模型對象的DOF節(jié)點上設(shè)置局部坐標系和自由度的限制。對模型的建立需要把握模型的主要特征，不能盲目地簡化，忽略模型的主要細節(jié)，降低模型的真實感。

　?。?）選擇合適的數(shù)據(jù)傳輸方法

　　為了再現(xiàn)飛行器飛行的全過程，系統(tǒng)必須擁有真實的飛行器飛行數(shù)據(jù)。視景系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通過串口通信技術(shù)進行數(shù)據(jù)傳輸，使由Matlab/Simulink軟件產(chǎn)生的無人飛行器的速度、迎角、側(cè)滑角、俯仰角、偏航角、高度、經(jīng)度和緯度等飛行數(shù)據(jù)信息，傳輸給視景仿真系統(tǒng)，準確迅速地再現(xiàn)無人飛行器的飛行姿態(tài)和飛行軌跡。

　?。?）建立虛擬場景

　　建立虛擬場景包括建立多窗口、碰撞檢測、界面設(shè)計和天氣選擇等。其中建立多個仿真視景窗口，可以通過不同的視角關(guān)注目標對象。設(shè)置視景的界面，在MFC模式下在主界面中同步實時顯示無人飛行器的飛行數(shù)據(jù)信息，包括速度、高度、俯仰角等，增強了視景系統(tǒng)的人機交互能力和程序的可維護性。對飛行場景的天氣狀況進行建模，建立晴天、下雨、下雪等多種天氣狀況，供研究人員自由選擇和配置。碰撞檢測[11]用于檢測無人飛行器與地形、建筑物的碰撞，并使用粒子系統(tǒng)和聲音技術(shù)產(chǎn)生碰撞效果，增強系統(tǒng)的真實程度和沉浸感。

4 實驗結(jié)果分析

　　仿真系統(tǒng)的硬件平臺環(huán)境為Intel(R) CORE i5 3210M 2.5 GHz，內(nèi)存為4 GB，顯卡為NVIDIA GeForce GT650M 2 GB DDR5，顯示分辨率為1 600×900。飛行器六自由度彈道數(shù)學仿真模塊運行平穩(wěn)，實驗數(shù)據(jù)與理論相符；在視景仿真渲染過程中禎畫面比較流暢，尾焰效果較好，基本上滿足了仿真的要求。具體運行效果如圖3所示。

5 結(jié)束語

　　隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，各種新興仿真技術(shù)日臻完善，已被廣泛應(yīng)用在各種領(lǐng)域。特別是在工業(yè)生產(chǎn)、國防和軍事領(lǐng)域機電液一體化仿真已發(fā)揮了重要的作用，將有更為廣泛的運用。

　　結(jié)合某飛行器發(fā)射的轉(zhuǎn)運、發(fā)射全過程的應(yīng)用實例，討論了機電液一體化系統(tǒng)的特點，以及可視化仿真的過程和關(guān)鍵技術(shù)，并針對飛行器飛行三維模擬環(huán)境特點使用了一些頗有成效的優(yōu)化技術(shù)和校正方法。實驗結(jié)果表明，該實驗平臺設(shè)計方法合理，完全滿足了實驗教學和科研實驗的仿真效果要求，具有一定的應(yīng)用和參考價值。

　　參考文獻

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