太陽帆航天器三維動畫可視化仿真平臺的設計與實現論文
0 引言
太陽帆航天器是一種在深空探測和星際航行等領域極具潛力的新型航天器，利用太陽光壓產生持續推力，給航天器提供持續動力，本身無需攜帶大量的燃料，因此在深空探測和星際航行等航天領域具有廣闊的應用前景，近年來受到國際航天界的廣泛關注。
美國宇航局(NASA)、日本宇航局(JAXA)、歐洲航天局(ESA)等多個世界研究機構正在研制利用太陽帆航天器進行推進任務(如Pole Site、Geosail、Geostorm等)，但是，離利用太陽帆進行深空探測及星際航行還有一定的距離，還有一系列的關鍵技術需要攻克。針對太陽帆航天器進行一次太空航行任務，需要高額的成本，本文提供了一種經濟且有效的方式，研究并開發了一套三維可視化仿真平臺，利用仿真平臺模擬太陽帆航天器的飛行情況，為實際太陽帆航天器飛行提供一定的參考。
截止目前，未發現有關太陽帆航天器可視化仿真平臺的'文獻。本文利用C++6.0、Multigen Creator/Vega、及MATLAB等軟件相結合搭建了一個太陽帆三維動畫可視化仿真平臺。利用視點控制及多通道多視點技術分別在不同的通道中觀察太陽帆的飛行軌跡及姿態變化;通過VC++與MATLAB的交互編程，利用MAT文件的仿真數據驅動多個物體同時移動;利用Vega和OpenGL混合編程，實現了飛行軌跡及姿態信息實時顯示的功能。
1 太陽帆航天器三維動畫可視化仿真平臺總體設計
三維動畫可視化仿真系統主要由太空飛行仿真場景及視景仿真模型兩大部分構成。飛行仿真場景是指太陽帆所飛行的具體環境;視景仿真模型是指太陽帆航天器的具體結構模型。
本文首先利用Creator建立太空環境飛行仿真場景(太空環境)和太陽帆航天器的結構視景仿真模型(flt文件);接著利采用Vega提供的Lynx工具將flt文件導入相應的場景中，然后，進行一系列的初始化工作，并將其儲存為應用程序定義文件(ADF)文件;最后，通過MATLAB計算各個時刻太陽帆的飛行軌跡和姿態數據，并通過載入模型對象的位置及姿態數據，完成對太陽帆的飛行軌跡和姿態變化的三維可視化仿真。
2 仿真軟件平臺環境和開發中的關鍵技術
2.1 在Visual C++環境下Vega應用程序的開發
Windows平臺上Vega應用程序的開發，利用MFC框架開發程序能夠有效地應用Vega函數庫，可以極大程度地減小程序開發的工作量。本文采用基于MFC開發Vega應用程序。
2.2 三維動畫場景和模型的建立
Multigen Creator是一款專業化的建模軟件工具，可以有效地創建交互式實時應用的三維模型及場景。本文利用Creator建立太空環境模型和太陽帆航天器的結構模型。太陽帆航天器的結構主要包括大面積帆膜、支撐機構及中心控制機構等其它附屬機構，模型的正面視圖如圖2所示。將Creator中建好的模型文件導入Vega中，利用Vega所提供的Lynx定義三維動畫場景中的模型元素屬性和相互位置關系，最后生成用于太陽帆航天器三維動畫仿真平臺的ADF文件，即虛擬場景文件。
2.3 多通道渲染技術
本文采用多通道技術實現在同一時刻不同位置觀察各角色模型對象的運動狀態。在一個通道中觀察包括太陽帆在內的多個運動模型的相對運動軌跡，而在另外一個通道中觀察太陽帆航天器姿態的變化過程，結合兩個通道同時觀察太陽帆航天器飛行狀況。
2.4 數據驅動
本系統利用仿真數據與各模型對象進行關聯，通過不斷調用相關聯的數據進行位置及姿態的更新，實現逼真的可視化效果，能夠準確地展現控制效果。利用MATLAB與VC++之間的交互編程調用MAT文件，并采用MAT文件的操作方法來讀取MAT文件，從而實現利用仿真數據驅動太陽帆、地球等模型對象的運動。
3 仿真實例
三維可視化仿真平臺系統界面主要包括菜單欄、主窗口和操作面板。其中主窗口中有兩個通道，分別顯示各模型對象飛行的軌跡與太陽帆的姿態變化;操作面板則用來控制仿真的進度，并同時顯示太陽帆、地球等角色對象的位置、姿態及速度信息。首先載入使用MATLAB進行太陽帆航天器軌跡優化仿真后保存的MAT數據文件，與太陽帆、地球等模型綁定其相關的位姿數據。太陽帆航天器以一定的位姿出現在仿真環境中，通過視點切換，并選擇合適的視點來觀察太陽帆飛行過程。仿真過程中可以選擇開始仿真、暫停仿真、重啟仿真。
4 結論
本文通過Vega和VC++相結合的方法，設計并開發了一套太陽帆航天器三維動畫可視化仿真平臺。利用Creator軟件建立相關模型;采用多通道多視點技術分別觀察太陽帆航天器的飛行軌跡及姿態變化，并通過視點控制技術，可以從任意位置任意角度觀察太陽帆航天器的飛行狀態;通過MATLAB與VC++的交互編程，實現了多個運動體同時移動;通過回調函數解決了Vega和OpenGL混合編程問題，給系統增加了顯示飛行軌跡及重要數據信息的功能。
【太陽帆航天器三維動畫可視化仿真平臺的設計與實現論文】相關文章：
論文：短信平臺系統的設計與實現06-24
移動校園門戶平臺的設計與實現論文11-12
云計算網絡教學平臺設計與實現論文08-01
數字媒體內容管理平臺的設計和實現論文12-11
物流仿真教學設計研究論文10-14
酒店管理的設計與實現論文01-14
GIS設計與實現論文范例07-15