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技術(shù)頻道

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在航天仿真研究中應(yīng)用的

分類：技術(shù)教程 日期：2009-06-08 11:32:39 來源：

　　虛擬現(xiàn)實 ( Virtual Reality,簡稱VR) 是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界 (Virtual World) 的計算機系統(tǒng)。其中虛擬世界為全體虛擬環(huán)境（Virtual Environment)或給定仿真對象的全體，它是由計算機產(chǎn)生，通過視、聽、 觸覺等作用，使用戶產(chǎn)生身臨其境感覺的交互式視景仿真。因此，一個身臨其境的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是由包括計算機圖形學(xué)、圖像處理與模式識別、多傳感器、語音處理與音像以及網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)所構(gòu)成的大型綜合集成環(huán)境。由于它是一門綜合性極強的信息技術(shù)，目前已在軍事、醫(yī)學(xué)、設(shè)計和娛樂等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。例如，波音公司曾利用VR技術(shù)進行虛擬座艙的布局，實現(xiàn)了完美的實際座艙布局設(shè)計。
　　眾所周知，航天飛行是一項耗資巨大、變量參數(shù)很多、非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程，保證其安全、可靠是航天器設(shè)計時必須考慮的重要問題。因此，可利用仿真技術(shù)經(jīng)濟、安全及可重復(fù)性等特點，進行飛行任務(wù)或操作的模擬，以代替某些費時、費力、費錢的真實試驗或者真實試驗無法開展的場合，從而獲得提高航天員工作效率或航天器系統(tǒng)可靠性等的設(shè)計對策。這樣，航天仿真研究就成為確保航天器安全、可靠的有效技術(shù)途徑。然而，大多數(shù)現(xiàn)有的仿真系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的仿真理論，即針對所研究的對象設(shè)計模型，然后根據(jù)實驗方案在模型上進行各種實驗，分析實驗結(jié)果。其中設(shè)計的系統(tǒng)模型通常是由相互聯(lián)系的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)集合和過程集合構(gòu)成，具有一體化的信息和控制，因此很難對數(shù)據(jù)庫進行修改。此外，實驗結(jié)果的分析與處理也十分繁冗，同時，也不能直接對其作出解釋。因而，隨著仿真技術(shù)向可視化方向的發(fā)展，將VR技術(shù)與仿真理論相結(jié)合，據(jù)此進行航天仿真的研究，不失為一個行之有效的方法，本文對其展開討論，以期有所裨益。

　　一、意　義
　　虛擬現(xiàn)實技術(shù)的核心是通過計算機產(chǎn)生一種如同“身臨其境”的具有動態(tài)、聲像功能的三維空間環(huán)境，而且使操作者能夠進入該環(huán)境，直接觀測和參與該環(huán)境中事物的變化與相互作用。因此，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于航天仿真研究，不但可以使得該領(lǐng)域內(nèi)的計算機仿真方法得到完善與發(fā)展，而且也將大大提高設(shè)計與試驗的逼真性、實效性和經(jīng)濟性，具體表現(xiàn)在如下幾個方面：
　　1.人-機界面具有三維立體感，人融于系統(tǒng)，人機渾然一體。 以座艙儀表布局為例，原則上應(yīng)把最重要且經(jīng)常查看的儀表放在儀表板中心區(qū)域，次重要的儀表放在中心區(qū)域以外的地方。這樣能減少航天員的眼動次數(shù)，降低負荷，同時也讓其注意力落在重要儀表上。但究竟哪塊儀表放在哪個精確的位置，以及相對距離是否合適，只有通過實驗確定。因此利用VR 作為工具設(shè)計出相應(yīng)具有立體感、 逼真性高的排列組合方案，再逐個進行試驗，使被試處于其中，仿佛置身于真實的載人航天器座艙儀表板面前，就能達到理想客觀的實驗效果。
　　2.繼承了現(xiàn)有計算機仿真技術(shù)的優(yōu)點，具有高度的靈活性。 因為它僅需通過修改軟件中視景圖像有關(guān)參數(shù)的設(shè)置，就可模擬現(xiàn)實世界中物理參數(shù)的改變，這樣，隨著任務(wù)的變化，已有的軟件再經(jīng)修改即可滿足新任務(wù)的要求，所以十分靈活、方便。
　　3.突破環(huán)境限制。現(xiàn)有航天仿真的計算機系統(tǒng)體現(xiàn)不了空間失重環(huán)境， 而建立虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，通過虛擬的景象和聲響就可以使被試處于太空飛行中實際的載人航天器座艙中，據(jù)此展開的相應(yīng)試驗研究具有實際意義。
　　4.節(jié)省研究經(jīng)費。改用真實的航天器進行相應(yīng)的試驗研究是不可能實現(xiàn)的， 因為耗資巨大，經(jīng)費條件不允許。而采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，由于其研制周期較短，設(shè)計修改和改型僅通過軟件修改實現(xiàn)，可重復(fù)使用，設(shè)備損耗低，這樣可大大節(jié)省經(jīng)費投入。
美國航宇局各中心當前主要VR研究項目
單位名稱
			
		
				

			
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