多屏幕动态视点技术在直升机模拟器中的应用

发布时间：2020-04-09 20:15

【摘要】：直升机装备凭借其灵活的机动飞行特性、不受地形限制的垂直起降以及可在空中悬停作业等独特优势发展迅速,在军用和民用方面发挥越来越重要的作用。但是直升机飞行时各方向的动力学耦合严重,操纵难度较大,在作业空间狭小的场合容易出现“舰面效应”和“陡壁效应”,导致其培训任务不完全适合采用真机实地训练的方式。近几年,随着虚拟现实技术的飞速发展,使得直升机模拟器成为了一种在专业领域培训驾驶人员的新型方式。它不仅能够培训飞行员常规的直升机操纵技能,还能够对特情训练和极端恶劣天气、飞机严重故障等特殊飞行场合进行模拟,具有安全、经济和高效的优点。本文依托于课题组搭建的BELL206型直升机飞行模拟器仿真平台,深入研究多屏幕视景拼接的动态视点技术,在提供大视场角虚拟视景的同时,使虚拟场景随学员头部位姿的变化而变化,进而提高模拟器的视觉临场感。直升机模拟器屏幕显示单元采用上下多块屏幕成弧形摆放,用于拼接所需的大视场角虚拟环境。动态视点技术相对固定视点技术改进而来。固定视点技术指显示屏幕的几何尺寸、摆放位置一旦确定,虚拟场景中视点投影矩阵的各个参数在仿真过程中保持不变。动态视点技术则使用传感器技术实时跟踪驾驶学员的头部位姿信息,用于动态更新虚拟场景中视点的位置与角度。该成像内容和成像效果类似真实条件下驾驶学员通过驾驶舱窗户观测外界环境的效果。本文利用Kinect传感器非接触方式采集驾驶学员头部的点云数据,实时估计学员的头部位姿信息。同时采用两台Kinect的布置方式,用于解决头部的自我遮挡问题。论文完成的主要工作如下:(1)搭建多屏幕动态视点系统整体框架。介绍直升机模拟器平台结构,分析RGB-D摄像头的选用原则、进行Kinect摄像机的内参标定以及外参标定,将Kinect坐标系进行统一,并给出有效的头部点云滤波算法。(2)设计头部位姿估计算法用于实现动态视点技术。首先选取实时性高、识别范围大的随机森林算法进行头部位姿粗略估计,并进行特征选取、分类回归决策树训练。其次通过点云配准方案进行头部位姿精确估计,即寻找当前Kinect摄像头采集的点云和预定义头部模板点云的变换矩阵M。对标准ICP算法的最近点对选取策略,代价损失函数进行优化改进,并给出非线性旋转矩阵的近似求解方案。最后提出基于卡尔曼滤波增强的帧间实时跟踪系统,可在下一帧深度图像中迅速定位头部区域,缩小识别区域,提高随机森林算法的实时性和准确性,并为精确估计阶段提供良好的初始变换矩阵。(3)为了实现高度临场感的大视场角虚拟环境,相比于昂贵的球幕投影方式,本文采用上下八块高清液晶屏幕实现价格低廉的多屏幕视景拼接方案。在基于固定视点的多屏幕视景拼接方案基础上,通过全局坐标系建模,将获取到的头部位姿参数实时更新虚拟场景视点的位置和角度,实现基于动态视点的多屏幕视景拼接方案。同时基于Accela滤波,增强投影参数的稳定性,去除多屏幕视景拼接中可能出现的抖动。(4)搭建多屏幕动态视点系统平台与实验分析。头部位姿参数的获取是动态视点技术的核心,首先对基于卡尔曼滤波增强的粗略估计算法、点云配准精确估计算法、工作空间以及不同算法的运行速度进行实验及效果分析;然后对实现大视场角虚拟环境的多屏幕视景拼接技术进行可视化,同时对基于Accela滤波的投影参数稳定性增强算法进行实验分析。
【图文】：

直升机,模拟器

吉林大学硕士学位论文训练效果，同时规避不必要的人员伤亡。现如今，直升机模拟器从早期的机械仿制模型进化到了现在具有 360°球面视野、六自由度仿真功能、机械与电子技术相结合的先进模拟训练设备。图 1.1 是 CAE 公司研制的 3000 系列全自动飞行模拟器，具有高 220°、水平 80°的垂直视野直投式圆顶，提供超大视角，可实现天空、森林和不同天气的投影，逼真模拟海上紧急医疗服务、高空、营救等训练任务，并提供高分辨率数据库[4]。图 1.2 为 CAE 公司为美国海军研制的专项作战飞行训练器 MH-60S。

视觉系统,模拟器

吉林大学硕士学位论文训练效果，同时规避不必要的人员伤亡。现如今，，直升机模拟器从早期的机械仿制模型进化到了现在具有 360°球面视野、六自由度仿真功能、机械与电子技术相结合的先进模拟训练设备。图 1.1 是 CAE 公司研制的 3000 系列全自动飞行模拟器，具有高 220°、水平 80°的垂直视野直投式圆顶，提供超大视角，可实现天空、森林和不同天气的投影，逼真模拟海上紧急医疗服务、高空、营救等训练任务，并提供高分辨率数据库[4]。图 1.2 为 CAE 公司为美国海军研制的专项作战飞行训练器 MH-60S。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V216.8;V275.1

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