摘 要： 首先介紹了機(jī)電液一體化仿真的意義,，對(duì)Simulink模塊進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，構(gòu)建了基于Simulink的機(jī)電液一體化仿真平臺(tái),；其次介紹了視景仿真技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及其在機(jī)電液一體化仿真中的應(yīng)用,；最后詳細(xì)描述了機(jī)電液一體化仿真的基本過(guò)程。以某飛行器轉(zhuǎn)運(yùn),、發(fā)射過(guò)程為研究對(duì)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(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。仿真系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn),，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,、可靠，可視化顯示視覺(jué)效果較好,。結(jié)果表明,，機(jī)電液一體化仿真技術(shù)能比較準(zhǔn)確地描述研究對(duì)象的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性，在產(chǎn)品研制和研究過(guò)程中有較大的工程應(yīng)用價(jià)值,。
關(guān)鍵詞： 機(jī)電液一體化,；視景仿真；飛行器,；仿真
0 引言
機(jī)電液一體化系統(tǒng)是指對(duì)機(jī)械,、液壓、電子,、控制,、氣動(dòng)力學(xué)、軟件等多個(gè)不同學(xué)科子系統(tǒng)進(jìn)行“優(yōu)化組合”形成的綜合組合體[1],。機(jī)電液一體化系統(tǒng)通常涉及多個(gè)物理領(lǐng)域且研究?jī)?nèi)容較為復(fù)雜,。根據(jù)不同的工程需求，不僅需要單個(gè)專門(mén)領(lǐng)域軟件進(jìn)行仿真分析,，而且還需要多個(gè)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(yàn)[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(xué)科研究團(tuán)隊(duì),，不能有效地從全局角度合理安排設(shè)計(jì)目標(biāo)和內(nèi)容,，對(duì)系統(tǒng)形成不同的理解，缺少對(duì)多領(lǐng)域模型相關(guān)性的深入研究,。這使得設(shè)計(jì),、生產(chǎn)、裝配等過(guò)程嚴(yán)重脫節(jié),，生產(chǎn)和設(shè)計(jì)的模型不一致,，增加了研發(fā)成本和相應(yīng)開(kāi)支。
而機(jī)電液一體化聯(lián)合仿真技術(shù)是一個(gè)多領(lǐng)域知識(shí)交叉融合的系統(tǒng)工程,，研究人員需要通過(guò)基于統(tǒng)一語(yǔ)言和相關(guān)專業(yè)仿真軟件的方法,，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜模型體的“橫向”并行設(shè)計(jì)和聯(lián)合仿真[3]。在設(shè)計(jì)過(guò)程中首先對(duì)整體進(jìn)行設(shè)計(jì),，而后完成部分的設(shè)計(jì),，從而可以避免因系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)失誤而造成的高昂浪費(fèi)。
與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相比較,，采用機(jī)電液一體化仿真技術(shù)對(duì)機(jī)電液系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計(jì),、仿真具有明顯優(yōu)勢(shì)。在不降低機(jī)電液一體化系統(tǒng)整體性能指標(biāo)的前提下,，這種方法能夠極大地縮短研制周期,，減少開(kāi)發(fā)成本。
1 基于Simulink的機(jī)電液一體化仿真平臺(tái)構(gòu)建
作為虛擬樣機(jī)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方面[4],，機(jī)電液一體化仿真技術(shù)在汽車(chē)制造業(yè),、工程機(jī)械、國(guó)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(jiǎn)介
Simulink是一個(gè)能夠完成對(duì)各種動(dòng)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(diǎn)：
?。?）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,。
（2） 仿真環(huán)境的交互性較強(qiáng),。用戶在進(jìn)行仿真的同時(shí),，改變參數(shù)進(jìn)行“What-if”式的仿真實(shí)驗(yàn),。
（3）擁有強(qiáng)大的專用模塊庫(kù),。作為Simulink的補(bǔ)充,，Math Workshop公司開(kāi)發(fā)了諸如DSP Blockset、Power System Blockset等專用功能程序包,。
?。?）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(shí)驗(yàn)過(guò)程,，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果,。
1.2 基于Simulink的一體化仿真平臺(tái)
Simulink的編程語(yǔ)言簡(jiǎn)潔，能夠方便地實(shí)現(xiàn)控制算法,；與主流的機(jī)械,、液壓仿真軟件兼容性好，方便實(shí)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(jī)電液一體化系統(tǒng)主仿真平臺(tái),。
通常可以使用機(jī)械動(dòng)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(jī)電液系統(tǒng)的單個(gè)領(lǐng)域仿真模型“融合”在Simulink仿真環(huán)境中,，從而實(shí)現(xiàn)了機(jī)電液一體化系統(tǒng)仿真平臺(tái)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(jì)算機(jī)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(mén)的研究領(lǐng)域,，廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究、人員培訓(xùn),、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(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)仿真學(xué),、人機(jī)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(jué)的先進(jìn)研究方法。
視景仿真技術(shù)是多領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的結(jié)果和產(chǎn)物,，涉及諸如圖形學(xué),、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、模式識(shí)別技術(shù),、人工智能技術(shù),、圖像處理和優(yōu)化技術(shù)等計(jì)算機(jī)技術(shù)，以及數(shù)學(xué),、物理,、化學(xué)、氣象,、心理學(xué)等學(xué)科[7],。它著重突出了用戶在虛擬環(huán)境中的沉浸感，使用聽(tīng)覺(jué),、視覺(jué),、觸覺(jué)等各種感官手段，實(shí)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(shí)技術(shù)的重要變現(xiàn)形式,，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基本特征為3個(gè)“I” [8]，如圖1所示,。
沉浸感(Immersion)是指與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)接口不同,，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)通過(guò)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(chǎng)景中,。
交互性(Interaction)是指與傳統(tǒng)三維動(dòng)畫(huà)不同，在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中使用者不是被動(dòng)的接受信息,，而是可以通過(guò)交互輸入設(shè)備控制虛擬模型來(lái)改變虛擬場(chǎng)景,。
構(gòu)想感(Imagination)是指使用者在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中得到的感性和理性的認(rèn)識(shí)，而虛擬系統(tǒng)在創(chuàng)建過(guò)程中遵循客觀實(shí)際,，盡量不失真地表現(xiàn)真實(shí)場(chǎng)景,。
2.2 機(jī)電液一體化系統(tǒng)的視景仿真技術(shù)
科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，使得開(kāi)展各種前人不敢想象的,、更為深入的科學(xué)研究成為一種可能,，從而推動(dòng)了社會(huì)的進(jìn)步。由于缺少有效,、成熟的研究方法,，由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的大量仿真信息數(shù)據(jù)被白白浪費(fèi)，嚴(yán)重影響了科學(xué)研究的成果和進(jìn)步。人們已經(jīng)不能滿足單獨(dú)通過(guò)圖像和表格來(lái)表征數(shù)值仿真結(jié)果的研究方法,。
因此,，將機(jī)電液一體化仿真與視景仿真技術(shù)相結(jié)合，能夠?yàn)檠芯咳藛T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(guò)圖形和圖像的方式把仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出來(lái)，而且能夠使研究人員實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地監(jiān)控和觀察模擬實(shí)驗(yàn)的全過(guò)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(jī)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(xué)和工程技術(shù)領(lǐng)域，在國(guó)防軍事領(lǐng)域和工業(yè)制造領(lǐng)域產(chǎn)生了顯著的促進(jìn)作用,。
3 應(yīng)用實(shí)例
以某飛行器轉(zhuǎn)運(yùn),、發(fā)射全過(guò)程為例建立飛行器一體化仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為作戰(zhàn)訓(xùn)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(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),，完成數(shù)學(xué)仿真,；使用Multigen Creator建模軟件、Vega Prime虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)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(shí)現(xiàn)機(jī)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(xué)建模和數(shù)學(xué)仿真
建立某飛行器飛行的數(shù)學(xué)模型，并在Matlab環(huán)境下對(duì)無(wú)人飛行器飛行全過(guò)程仿真,。飛行器在空間運(yùn)動(dòng)有6個(gè)自由度,，包括前后、上下,、左右3個(gè)質(zhì)心移動(dòng)的自由度和滾轉(zhuǎn),、俯仰、偏航3個(gè)繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)自由度,。
由于受到氣動(dòng)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(wú)人飛行器模型比較困難,，故需要做出如下一些假設(shè)[10]：
?。?）視飛行器為一剛體，不考慮由機(jī)翼,、機(jī)身等引起的彈性自由度,。
（2）假定大氣是靜止的標(biāo)準(zhǔn)大氣,，飛行器質(zhì)量不變化,。
（3）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(biāo)為慣性坐標(biāo)系。
3.2 飛行器可視化仿真
?。?）建立三維視景模型
對(duì)于某飛行器飛行控制視景仿真系統(tǒng),，最重要的研究?jī)?nèi)容是建立場(chǎng)景模型。它可以直接影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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(zhǎng),、難度大等特點(diǎn)，是視景仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn),。虛擬視景模型主要包括飛行器,、發(fā)射車(chē)、房屋建筑以及大地形等,。其中飛行器舵面是可以轉(zhuǎn)動(dòng)的,；大地形應(yīng)該包括高山、河流,、沙漠等典型地貌特征,。
對(duì)于大量的視景模型需要逐個(gè)建模，工作量較大,。合理利用實(shí)例化技術(shù),、紋理技術(shù)和LOD技術(shù)，可以減少場(chǎng)景中總的面數(shù),，大大簡(jiǎn)化模型設(shè)計(jì)周期,，提高建模效率和后期實(shí)時(shí)仿真渲染速度。還可以使用DOF技術(shù),，在模型對(duì)象的DOF節(jié)點(diǎn)上設(shè)置局部坐標(biāo)系和自由度的限制,。對(duì)模型的建立需要把握模型的主要特征，不能盲目地簡(jiǎn)化,，忽略模型的主要細(xì)節(jié),，降低模型的真實(shí)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(guò)程,，系統(tǒng)必須擁有真實(shí)的飛行器飛行數(shù)據(jù)。視景系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通過(guò)串口通信技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,，使由Matlab/Simulink軟件產(chǎn)生的無(wú)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(zhǔn)確迅速地再現(xiàn)無(wú)人飛行器的飛行姿態(tài)和飛行軌跡。
?。?）建立虛擬場(chǎng)景
建立虛擬場(chǎng)景包括建立多窗口,、碰撞檢測(cè)、界面設(shè)計(jì)和天氣選擇等,。其中建立多個(gè)仿真視景窗口,，可以通過(guò)不同的視角關(guān)注目標(biāo)對(duì)象。設(shè)置視景的界面,，在MFC模式下在主界面中同步實(shí)時(shí)顯示無(wú)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(qiáng)了視景系統(tǒng)的人機(jī)交互能力和程序的可維護(hù)性。對(duì)飛行場(chǎng)景的天氣狀況進(jìn)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(cè)[11]用于檢測(cè)無(wú)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(qiáng)系統(tǒng)的真實(shí)程度和沉浸感,。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
仿真系統(tǒng)的硬件平臺(tái)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(xué)仿真模塊運(yùn)行平穩(wěn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論相符,；在視景仿真渲染過(guò)程中禎畫(huà)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(yùn)行效果如圖3所示,。
5 結(jié)束語(yǔ)
隨著計(jì)算機(jī)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(guó)防和軍事領(lǐng)域機(jī)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(yùn)用,。
結(jié)合某飛行器發(fā)射的轉(zhuǎn)運(yùn),、發(fā)射全過(guò)程的應(yīng)用實(shí)例，討論了機(jī)電液一體化系統(tǒng)的特點(diǎn),，以及可視化仿真的過(guò)程和關(guān)鍵技術(shù),，并針對(duì)飛行器飛行三維模擬環(huán)境特點(diǎn)使用了一些頗有成效的優(yōu)化技術(shù)和校正方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)方法合理,，完全滿足了實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科研實(shí)驗(yàn)的仿真效果要求，具有一定的應(yīng)用和參考價(jià)值,。
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