摘 要： 首先介紹了機電液一體化仿真的意義，對Simulink模塊進行了簡要介紹，構建了基于Simulink的機電液一體化仿真平臺；其次介紹了視景仿真技術發展現狀及其在機電液一體化仿真中的應用；最后詳細描述了機電液一體化仿真的基本過程。以某飛行器轉運、發射過程為研究對象，利用Simulink、Creator、Vega Prime和VC++6.0等工具，建立了一體化控制仿真環境并進行二次開發。仿真系統運行平穩，實驗數據準確、可靠，可視化顯示視覺效果較好。結果表明，機電液一體化仿真技術能比較準確地描述研究對象的動力學響應特性，在產品研制和研究過程中有較大的工程應用價值。
關鍵詞： 機電液一體化；視景仿真；飛行器；仿真
0 引言
機電液一體化系統是指對機械、液壓、電子、控制、氣動力學、軟件等多個不同學科子系統進行“優化組合”形成的綜合組合體[1]。機電液一體化系統通常涉及多個物理領域且研究內容較為復雜。根據不同的工程需求，不僅需要單個專門領域軟件進行仿真分析，而且還需要多個不同領域軟件建立的模型組裝成仿真模型系統，完成聯合仿真試驗[2]。
在傳統工程生產中，不同領域研究人員隸屬于不同的學科研究團隊，不能有效地從全局角度合理安排設計目標和內容，對系統形成不同的理解，缺少對多領域模型相關性的深入研究。這使得設計、生產、裝配等過程嚴重脫節，生產和設計的模型不一致，增加了研發成本和相應開支。
而機電液一體化聯合仿真技術是一個多領域知識交叉融合的系統工程，研究人員需要通過基于統一語言和相關專業仿真軟件的方法，實現對復雜模型體的“橫向”并行設計和聯合仿真[3]。在設計過程中首先對整體進行設計，而后完成部分的設計，從而可以避免因系統整體設計失誤而造成的高昂浪費。
與傳統設計方法相比較，采用機電液一體化仿真技術對機電液系統進行聯合設計、仿真具有明顯優勢。在不降低機電液一體化系統整體性能指標的前提下，這種方法能夠極大地縮短研制周期，減少開發成本。
1 基于Simulink的機電液一體化仿真平臺構建
作為虛擬樣機技術發展的一個重要方面[4]，機電液一體化仿真技術在汽車制造業、工程機械、國防工業及航空航天等領域應用較為普遍，具有重要的研究意義。
1.1 Simulink簡介
Simulink是一個能夠完成對各種動態系統（如連續、離散及混合的線性、非線性系統）建模、仿真和綜合分析的軟件包。Simulink[4]具有以下特點：
（1）提供了交互式、圖形化的建模環境。用戶可根據需要直觀、快捷地選擇仿真模型。
（2） 仿真環境的交互性較強。用戶在進行仿真的同時，改變參數進行“What-if”式的仿真實驗。
（3）擁有強大的專用模塊庫。作為Simulink的補充，Math Workshop公司開發了諸如DSP Blockset、Power System Blockset等專用功能程序包。
（4）與Matlab軟件結合完美。利用Matlab提供的豐富的資源，建立仿真模型，查看仿真實驗過程，分析實驗結果。
1.2 基于Simulink的一體化仿真平臺
Simulink的編程語言簡潔，能夠方便地實現控制算法；與主流的機械、液壓仿真軟件兼容性好，方便實現軟件間數據共享和互操作；提供了多種解算方法，可供用戶選擇使用[5]。因此，選擇Matlab/Simulink軟件作為機電液一體化系統主仿真平臺。
通常可以使用機械動力仿真軟件ADAMS、液壓系統仿真軟件AMESim、控制系統仿真軟件Matlab及其接口技術，將不同格式的數據信息和參數相互傳遞使用，把機電液系統的單個領域仿真模型“融合”在Simulink仿真環境中，從而實現了機電液一體化系統仿真平臺的構建。
2 視景仿真技術應用
2.1 視景仿真技術
隨著計算機技術和硬件技術的發展，視景仿真技術已成為熱門的研究領域，廣泛應用于科學研究、人員培訓、工業生產和突發事件處理等領域。視景仿真技術[6]是計算機圖形學、計算機仿真學、人機接口技術、多媒體技術，以及傳感器技術等多領域高新技術的綜合應用，是一種能夠對客觀系統或人為假設系統進行實驗仿真研究，生成可視化交互環境，使用戶產生置身其中感覺的先進研究方法。
視景仿真技術是多領域科學技術進步的結果和產物，涉及諸如圖形學、網絡技術、模式識別技術、人工智能技術、圖像處理和優化技術等計算機技術，以及數學、物理、化學、氣象、心理學等學科[7]。它著重突出了用戶在虛擬環境中的沉浸感，使用聽覺、視覺、觸覺等各種感官手段，實現用戶和虛擬環境之間的自然交互。視景仿真技術是虛擬現實技術的重要變現形式，虛擬現實技術的基本特征為3個“I” [8]，如圖1所示。
沉浸感(Immersion)是指與傳統計算機接口不同，虛擬現實系統通過自然、舒適的交互手段，使用戶完全沉浸在系統設定的虛擬三維視景場景中。
交互性(Interaction)是指與傳統三維動畫不同，在虛擬現實系統中使用者不是被動的接受信息，而是可以通過交互輸入設備控制虛擬模型來改變虛擬場景。
構想感(Imagination)是指使用者在虛擬現實系統中得到的感性和理性的認識，而虛擬系統在創建過程中遵循客觀實際，盡量不失真地表現真實場景。
2.2 機電液一體化系統的視景仿真技術
科學技術的不斷發展，使得開展各種前人不敢想象的、更為深入的科學研究成為一種可能，從而推動了社會的進步。由于缺少有效、成熟的研究方法，由計算機產生的大量仿真信息數據被白白浪費，嚴重影響了科學研究的成果和進步。人們已經不能滿足單獨通過圖像和表格來表征數值仿真結果的研究方法。
因此，將機電液一體化仿真與視景仿真技術相結合，能夠為研究人員提供更為有效的研究方法和手段[9]。將仿真結果可視化后，不但能通過圖形和圖像的方式把仿真實驗數據呈現出來，而且能夠使研究人員實時動態地監控和觀察模擬實驗的全過程。作為一種能夠較為有效地解釋仿真數據信息的方法，機電液一體化系統的可視化仿真研究技術已被廣泛應用在科學和工程技術領域，在國防軍事領域和工業制造領域產生了顯著的促進作用。
3 應用實例
以某飛行器轉運、發射全過程為例建立飛行器一體化仿真實驗平臺，為作戰訓練和技術研究提供技術支持。選用Matlab/Simulink軟件構造飛行器彈道六自由度仿真模型，并進行仿真實驗，完成數學仿真；使用Multigen Creator建模軟件、Vega Prime虛擬現實開發工具和Microsoft Visual Studio.net 2003編譯軟件3者結合的技術路線實現機電液一體化系統的三維建模及其視景仿真。圖2所示為視景仿真研究技術路線圖。
3.1 飛行器數學建模和數學仿真
建立某飛行器飛行的數學模型，并在Matlab環境下對無人飛行器飛行全過程仿真。飛行器在空間運動有6個自由度，包括前后、上下、左右3個質心移動的自由度和滾轉、俯仰、偏航3個繞質心轉動自由度。
由于受到氣動數據多、系統復雜等因素影響，建立完整的六自由度無人飛行器模型比較困難，故需要做出如下一些假設[10]：
（1）視飛行器為一剛體，不考慮由機翼、機身等引起的彈性自由度。
（2）假定大氣是靜止的標準大氣，飛行器質量不變化。
（3）假設重力加速度不隨高度變化。
（4）假設地面為慣性參考系，即假設地坐標為慣性坐標系。
3.2 飛行器可視化仿真
（1）建立三維視景模型
對于某飛行器飛行控制視景仿真系統，最重要的研究內容是建立場景模型。它可以直接影響系統的實時性、逼真效果等，從而決定一體化視景仿真系統的性能。視景建模具有信息量大、建模周期長、難度大等特點，是視景仿真系統設計的重點和難點。虛擬視景模型主要包括飛行器、發射車、房屋建筑以及大地形等。其中飛行器舵面是可以轉動的；大地形應該包括高山、河流、沙漠等典型地貌特征。
對于大量的視景模型需要逐個建模，工作量較大。合理利用實例化技術、紋理技術和LOD技術，可以減少場景中總的面數，大大簡化模型設計周期，提高建模效率和后期實時仿真渲染速度。還可以使用DOF技術，在模型對象的DOF節點上設置局部坐標系和自由度的限制。對模型的建立需要把握模型的主要特征，不能盲目地簡化，忽略模型的主要細節，降低模型的真實感。
（2）選擇合適的數據傳輸方法
為了再現飛行器飛行的全過程，系統必須擁有真實的飛行器飛行數據。視景系統的數據通過串口通信技術進行數據傳輸，使由Matlab/Simulink軟件產生的無人飛行器的速度、迎角、側滑角、俯仰角、偏航角、高度、經度和緯度等飛行數據信息，傳輸給視景仿真系統，準確迅速地再現無人飛行器的飛行姿態和飛行軌跡。
（3）建立虛擬場景
建立虛擬場景包括建立多窗口、碰撞檢測、界面設計和天氣選擇等。其中建立多個仿真視景窗口，可以通過不同的視角關注目標對象。設置視景的界面，在MFC模式下在主界面中同步實時顯示無人飛行器的飛行數據信息，包括速度、高度、俯仰角等，增強了視景系統的人機交互能力和程序的可維護性。對飛行場景的天氣狀況進行建模，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[11]用于檢測無人飛行器與地形、建筑物的碰撞，并使用粒子系統和聲音技術產生碰撞效果，增強系統的真實程度和沉浸感。
4 實驗結果分析
仿真系統的硬件平臺環境為Intel(R) CORE i5 3210M 2.5 GHz，內存為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學仿真模塊運行平穩，實驗數據與理論相符；在視景仿真渲染過程中禎畫面比較流暢，尾焰效果較好，基本上滿足了仿真的要求。具體運行效果如圖3所示。
5 結束語
隨著計算機技術的飛速發展，各種新興仿真技術日臻完善，已被廣泛應用在各種領域。特別是在工業生產、國防和軍事領域機電液一體化仿真已發揮了重要的作用，將有更為廣泛的運用。
結合某飛行器發射的轉運、發射全過程的應用實例，討論了機電液一體化系統的特點，以及可視化仿真的過程和關鍵技術，并針對飛行器飛行三維模擬環境特點使用了一些頗有成效的優化技術和校正方法。實驗結果表明，該實驗平臺設計方法合理，完全滿足了實驗教學和科研實驗的仿真效果要求，具有一定的應用和參考價值。
參考文獻
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[2] 王揚,郭晨,章曉明. 現代仿真器技術[M]. 北京:國防工業出版社, 2012.
[3] 熊光楞,李伯虎,柴旭東. 虛擬樣機技術[J]. 系統仿真學報, 2001,13(1):114-117.
[4] 馬長林,李鋒,郝琳,等. 基于Simulink的機電液系統集成化仿真平臺研究[J]. 系統仿真學報, 2008,20(17): 4578-4581.
[5] 楊艷妮,韓明軍,張志宏,等. 機電液一體化系統聯合仿真技術研究[J]. 液壓氣動與密封, 2013,33(12): 15-17.
[6] 凌鋒. 飛行視景仿真系統研究與開發[D]. 西安:西北工業大學, 2003.
[7] 王志輝. 飛行三維仿真系統關鍵技術研究[D]. 長春:吉林大學, 2005.