基于OpenGL环境飞行器建模和运动控制的研究与实现开题报告

1. 研究目的与意义、国内外研究现状（文献综述）

研究意义随着计算机技术和网络技术的飞速发展，计算机仿真技术和虚拟现实仿真在各行各业中得到了广泛的应用对于飞行器运动的仿真，需要形象直观的表达而虚拟现实技术恰好能很好的解决这方面的问题它可以非常直观的连续实时地再现飞行的场面，同时给一种身临其境的感觉[1]。目前民航同样也利用虚拟现实技术来实现仿真当飞机在完成某次飞行或出现事故后，可以利用飞参数据，实现飞行过程的分析，这样使飞机的飞行再现能够更加真实的反映飞行过程。同样对飞行器也一样，这样能够对飞行器的品质进行监控和事后分析有着重要的意义，该文主要以计算机计算机图形学中坐标变换三维投影为理论基础，基于OpenGL环境模拟了飞行器在三维空间飞行的全过程。国内外研究概况早在1907年，Breguet-Richet就让世界上第一架四旋翼飞行器Gyroplane No.1升上了天空[2]。但由于构造复杂、不易操纵等原因,大型四旋翼飞行器的发展一直都比较缓慢。近年来,随着新型材料、微机电(MEMS)、微惯导(MIMU)以及飞行控制等技术的进步,四旋翼飞行器得到了迅速发展,逐渐成为人们关注的焦点。国内外各大科研机构广泛开展了对微型飞行器本体及其子系统的研究和开发, 并研制了一系列原理性样机。 按照飞行机理的不同, 微型飞行器一般可分为: 微型固定翼飞行器、 微型旋翼飞行器、 微型扑翼飞行器三种类型。常规飞行器是依靠副翼、 升降舵和方向舵来操纵飞行器的滚转、 俯仰和偏航的。而对于微型飞行器而言, 由于要减轻重量和低雷诺数条件下的控制面效率低等原因,从而使常规的飞行控制方式不再适宜, 解决这一问题的途径之一是发展基于 ME MS的新型控制方式。例如在微型飞行器的表面分布微气囊和微型智能自适应机构, 通过采用微喷流干扰控制和柔性翼自适应外形控制等, 实现对飞行器的飞行控制[3]。应用前景随着OpenGL技术的不断发展，如何更好的将其应用到各个领域中是当前科研的重点，多旋翼飞行器的应用也越来越广，在对多旋翼飞行器的研究中，如果用OpenGL来进行运动模拟和仿真，能够更形象直接的来进行研究和发展。多旋翼飞行器因其能够在多种环境下（如室内、城市和丛林等）中执行监视、侦察等重要任务，已被引入军事作战中；同时它还具有巨大的民用前景和商业价值，如我国国内的顺丰快递就研制了一架能运送包裹的无人机，虽仍有误差、成本高等一些限制，但也突出了多旋翼飞行器的广泛应用性。四旋翼飞行器就是多选翼飞行器最为典型的一种，它结构比较简单，整个框架固定在一个刚性十字交叉上，并由4个独立电机驱动的螺旋桨组成了多输入多输出的自由度系统。本文首先对四旋翼飞行器建立了数学模型和动力学模型，并在基础上利用OpenGL设计基于控制算法的系统控制，通过仿真结果分析模型建立是否正确，控制算法是否可行。参考文献[1]夏辉．基于OpenGL模拟飞机飞行动画的研究[D]．西安电子科技大学， 2006．[2]LEISHMAN J．The br guet-richet quadrotor helicopter of 1907[J] ．Vertiflite,2002,47(3):58-60．[3]Steve Tung．Brant Maines.Transonic flow separation control by MEMS sensors and actuators 2001[R] ．AIAA,2001-01-0123．

2. 研究的基本内容和问题

研究目标（1）基于opengl建立飞行器模型（2）模拟物理环境，对不同飞行器进行物理赋值(重力、动力和阻力等)。（3）根据飞行器的运动特征模拟对飞行器的运动控制。

研究内容（1）建立四轴飞行器模型利用多边形建模方式对四轴飞行器建模：建模有很多种方式，而多边形建模是最为传统和经典的一种建模方式，在三维建模中应用的最多。它使用的主要命令是 editablemesh （可编辑网格）和editablepoly （可编辑多边形）。多边形建模的优势在于，可以使最终要生成的模型绘制点的网格分布稀疏得当，易于控制，方便在之后更改模型的结构，是一种高效的建模方法。（2）模拟四轴飞行器的真实环境物理的真实环境分为场景环境呢和物理环境，场景环境包括地形、天空、树木等 ,大体场景的建模过程是通过3dmax软件先建立好模型，在导出obj的文件，然后倒入opengl程序里面，然后进行绘制与渲染。其中场景里面最重要的是地形的生成，一般包括动态生成和预生成两种生成方法。物理环境，主要是在模型中加入物理元素，不同飞行器的结构是不一样的，有不同的重力，动力和阻力。其方法是利用数学的方式来计算和仿真真实的环境。（3）对飞行器模型进行运动状态的仿真和模拟飞行器对环境进行飞行线路的分析，在风行过程中加以计算调整。

拟解决的关键问题（1）飞行器建模方式设计（2）物理场景的布局及生成方式设计（3）物理环境的模拟设计方式（4）飞行器运动控制方式的设计

3. 研究的方法与方案

研究方法（1）浏览相关的文件和书籍，以及学术论文等。（2）在网上查看相关的技术论坛和教程，结合学习。（3）与老师进行交流。（4）结合不同的方式，整理算法，实践检验可用性。

技术路线本项研究具体研究路线如下：

实验方案（1）搜索相关飞行器及运动仿真的资料，并向指导老师请教，结合之前学过的opengl相关的技术，进行更深入的学习和理解，并设计出较好的研究实现思路。（2）根据搜索得来的飞行器图纸，生成并建造好三维的模型，根据飞行器的运动特征，对模型进行物理赋值，赋予重力。研究运动特征，设计运动的思路。（3）生成地形，模拟出飞行器飞行的场景环境。（4）对飞行器进行运动控制。（5）设计程序界面。（6）系统测试程序的仿真情况。

4. 研究创新点

特色或创新之处国内现在对利用opengl来对飞行器进行运动控制的仿真实现还比较少，对飞行器的运动控制还比较理论和抽象。

而本项目将会三维的呈现出飞行器的运动过程，能够更加直观的来进行研究和分析，利用opengl能够对模型进行很好的控制，在利用程序界面的交互窗口，来实现与飞行器的运动控制。

这样就能更好的进行研究和实验了。

5. 研究计划与进展

研究计划及预期进展2015年10－11月：选题并搜集相关的资料。2015年12月：撰写开题报告。2016年1－4月：编写OpenGL运行框架，编写生成模型算法。建立物理环境，对模型进行重力，动力的赋值。生成环境。编写交互界面，新增交互的操作。2016年4月：进行整个系统的调试，测试。撰写论文。整理相关的测试数据，以及模拟的数据。毕业设计报告的准备。2016年5月：编写结题报告。