基于虚拟现实的无人机三维可视化技术与实现

论文摘要

鉴于无人机不载人以及可以长时间进出各种危险空域的特性,使得其在军事和民用等诸多领域中正在发挥着越来越重要的作用。在无人机研制过程中,需要进行大量的飞行控制系统半物理实时仿真和科研试飞试验,而飞行数据的观测、分析和处理是一个非常重要的环节。当前数据处理的主要手段是文本显示和二维曲线显示,然而随着飞行数据量的增大,这种简单的方法越来越不能满足新要求。此外,伴随计算机的高速发展,PC机对图像的处理能力越来越强,所以对大数据量的观测和分析越来越倾向于使用三维虚拟现实技术来综合处理。本文在论述虚拟现实和无人机技术的基础上,详细介绍了利用Visual C++和OpenGL实现基于虚拟现实的无人机三维可视化仿真的设计方案和实现方法。论文首先对虚拟现实的理论与背景进行了介绍,并在此基础上分析和比较了五种常见的虚拟现实的实现方法;结合该五种方法的优缺点,确定了课题的技术路线和总体设计方案。然后依据总体设计路线中的各个功能模块和设计需求,完成了虚拟场景中的环境建模、无人机本体建模、三维场景仿真环境实现、飞行信息显示环境开发等工作,并针对无人机虚拟现实实现过程中的若干关键技术进行了重点的论述,如飞机本体的建模、飞机尾焰、场景、天空、地形、碰撞检测、平显、数据交换等。最后,对实现后的三维仿真系统进行了试验验证,完成整个系统的调试工作,并且展示了系统的实现效果。本文实现的无人机虚拟仿真系统能够将无人机飞行数据以更自然、更易理解的图像形式展示,达到了很好的显示效果,证明了本文所采用的技术路线和实现方案是可行且有效的。该方法具有通用性强、灵活性好、成本低等特点,在无人机地面检测、遥控遥测和仿真系统中有着较高的工程应用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 虚拟现实与无人机系统仿真的新需求
• 1.2.1 虚拟现实的概念和特征
• 1.2.2 虚拟现实的组成和分类
• 1.2.3 无人机系统仿真的新需求
• 1.3 虚拟现实在飞行仿真中的研究现状
• 1.4 虚拟现实实现飞行仿真的主要方法
• 1.4.1 利用VRML 实现无人机的飞行场景仿真
• 1.4.2 利用WTK（World Tool Kit）实现无人机的飞行场景仿真
• 1.4.3 利用Creator/Vega 实现无人机的飞行场景仿真
• 1.4.4 利用Direct3D 实现无人机的飞行场景仿真
• 1.4.5 利用OpenGL 实现无人机的飞行场景仿真
• 1.4.6 五种方法的比较
• 1.5 论文的技术路线和研究内容
• 1.5.1 技术路线
• 1.5.2 研究内容
• 第二章 无人机三维可视化系统总体框架设计
• 2.1 引言
• 2.2 软件需求分析
• 2.2.1 系统总体需求分析
• 2.2.2 视景环境需求分析
• 2.2.3 飞行信息显示环境需求分析
• 2.3 系统结构和界面设计
• 2.3.1 系统结构
• 2.3.2 界面设计
• 2.4 系统验证方案
• 2.5 本章小结
• 第三章 虚拟场景模型的实现
• 3.1 引言
• 3.2 OpenGL 简介
• 3.2.1 OpenGL 概述
• 3.2.2 OpenGL 的特点
• 3.2.3 OpenGL 的API 结构
• 3.2.4 OpenGL 的工作顺序
• 3.2.5 OpenGL 主要功能
• 3.2.6 OpenGL 基本原理
• 3.3 三维环境视景模型的生成
• 3.3.1 自然环境建模
• 3.3.2 地形地貌建模
• 3.4 本章小结
• 第四章 无人机建模的实现
• 4.1 引言
• 4.2 无人机本体建模
• 4.3 无人机尾焰设计
• 4.3.1 粒子系统的基本原理
• 4.3.2 飞机尾焰的粒子系统模型
• 4.3.3 飞机尾焰的实现
• 4.4 光照效果对无人机的影响
• 4.5 本章小结
• 第五章 三维视景仿真环境的实现
• 5.1 引言
• 5.2 视景控制系统
• 5.2.1 坐标系与飞行参数
• 5.2.2 飞机姿态控制
• 5.2.3 观察视角控制
• 5.3 信息文字显示
• 5.4 平显
• 5.5 碰撞检测技术
• 5.6 音效
• 5.7 本章小结
• 第六章 飞行信息显示环境的实现
• 6.1 引言
• 6.2 导航信息显示环境的实现
• 6.2.1 二维数字地图
• 6.2.2 其它导航信息显示
• 6.3 飞机状态信息显示环境的实现
• 6.3.1 仪表系统
• 6.3.2 传感器信息显示
• 6.4 本章小结
• 第七章 无人机三维可视化系统实现效果及试验验证
• 7.1 引言
• 7.2 系统实现效果
• 7.2.1 登陆界面
• 7.2.2 系统运行界面
• 7.3 系统的试验验证
• 7.3.1 模型机实时数据生成驱动
• 7.3.2 真实飞行数据的回放
• 7.3.3 与真实的遥控遥测接口相连，实时显示
• 7.4 本章小结
• 第八章 总结与展望
• 8.1 总结
• 8.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间发表的论文