摘 要： 首先介绍了机电液一体化仿真的意义，对Simulink模块进行了简要介绍，构建了基于Simulink的机电液一体化仿真平台；其次介绍了视景仿真技术发展现状及其在机电液一体化仿真中的应用；最后详细描述了机电液一体化仿真的基本过程。以某飞行器转运、发射过程为研究对象，利用Simulink、Creator、Vega Prime和VC++6.0等工具，建立了一体化控制仿真环境并进行二次开发。仿真系统运行平稳，实验数据准确、可靠，可视化显示视觉效果较好。结果表明，机电液一体化仿真技术能比较准确地描述研究对象的动力学响应特性，在产品研制和研究过程中有较大的工程应用价值。
关键词： 机电液一体化；视景仿真；飞行器；仿真
0 引言
机电液一体化系统是指对机械、液压、电子、控制、气动力学、软件等多个不同学科子系统进行“优化组合”形成的综合组合体[1]。机电液一体化系统通常涉及多个物理领域且研究内容较为复杂。根据不同的工程需求，不仅需要单个专门领域软件进行仿真分析，而且还需要多个不同领域软件建立的模型组装成仿真模型系统，完成联合仿真试验[2]。
在传统工程生产中，不同领域研究人员隶属于不同的学科研究团队，不能有效地从全局角度合理安排设计目标和内容，对系统形成不同的理解，缺少对多领域模型相关性的深入研究。这使得设计、生产、装配等过程严重脱节，生产和设计的模型不一致，增加了研发成本和相应开支。
而机电液一体化联合仿真技术是一个多领域知识交叉融合的系统工程，研究人员需要通过基于统一语言和相关专业仿真软件的方法，实现对复杂模型体的“横向”并行设计和联合仿真[3]。在设计过程中首先对整体进行设计，而后完成部分的设计，从而可以避免因系统整体设计失误而造成的高昂浪费。
与传统设计方法相比较，采用机电液一体化仿真技术对机电液系统进行联合设计、仿真具有明显优势。在不降低机电液一体化系统整体性能指标的前提下，这种方法能够极大地缩短研制周期，减少开发成本。
1 基于Simulink的机电液一体化仿真平台构建
作为虚拟样机技术发展的一个重要方面[4]，机电液一体化仿真技术在汽车制造业、工程机械、国防工业及航空航天等领域应用较为普遍，具有重要的研究意义。
1.1 Simulink简介
Simulink是一个能够完成对各种动态系统（如连续、离散及混合的线性、非线性系统）建模、仿真和综合分析的软件包。Simulink[4]具有以下特点：
（1）提供了交互式、图形化的建模环境。用户可根据需要直观、快捷地选择仿真模型。
（2） 仿真环境的交互性较强。用户在进行仿真的同时，改变参数进行“What-if”式的仿真实验。
（3）拥有强大的专用模块库。作为Simulink的补充，Math Workshop公司开发了诸如DSP Blockset、Power System Blockset等专用功能程序包。
（4）与Matlab软件结合完美。利用Matlab提供的丰富的资源，建立仿真模型，查看仿真实验过程，分析实验结果。
1.2 基于Simulink的一体化仿真平台
Simulink的编程语言简洁，能够方便地实现控制算法；与主流的机械、液压仿真软件兼容性好，方便实现软件间数据共享和互操作；提供了多种解算方法，可供用户选择使用[5]。因此，选择Matlab/Simulink软件作为机电液一体化系统主仿真平台。
通常可以使用机械动力仿真软件ADAMS、液压系统仿真软件AMESim、控制系统仿真软件Matlab及其接口技术，将不同格式的数据信息和参数相互传递使用，把机电液系统的单个领域仿真模型“融合”在Simulink仿真环境中，从而实现了机电液一体化系统仿真平台的构建。
2 视景仿真技术应用
2.1 视景仿真技术
随着计算机技术和硬件技术的发展，视景仿真技术已成为热门的研究领域，广泛应用于科学研究、人员培训、工业生产和突发事件处理等领域。视景仿真技术[6]是计算机图形学、计算机仿真学、人机接口技术、多媒体技术，以及传感器技术等多领域高新技术的综合应用，是一种能够对客观系统或人为假设系统进行实验仿真研究，生成可视化交互环境，使用户产生置身其中感觉的先进研究方法。
视景仿真技术是多领域科学技术进步的结果和产物，涉及诸如图形学、网络技术、模式识别技术、人工智能技术、图像处理和优化技术等计算机技术，以及数学、物理、化学、气象、心理学等学科[7]。它着重突出了用户在虚拟环境中的沉浸感，使用听觉、视觉、触觉等各种感官手段，实现用户和虚拟环境之间的自然交互。视景仿真技术是虚拟现实技术的重要变现形式，虚拟现实技术的基本特征为3个“I” [8]，如图1所示。
沉浸感(Immersion)是指与传统计算机接口不同，虚拟现实系统通过自然、舒适的交互手段，使用户完全沉浸在系统设定的虚拟三维视景场景中。
交互性(Interaction)是指与传统三维动画不同，在虚拟现实系统中使用者不是被动的接受信息，而是可以通过交互输入设备控制虚拟模型来改变虚拟场景。
构想感(Imagination)是指使用者在虚拟现实系统中得到的感性和理性的认识，而虚拟系统在创建过程中遵循客观实际，尽量不失真地表现真实场景。
2.2 机电液一体化系统的视景仿真技术
科学技术的不断发展，使得开展各种前人不敢想象的、更为深入的科学研究成为一种可能，从而推动了社会的进步。由于缺少有效、成熟的研究方法，由计算机产生的大量仿真信息数据被白白浪费，严重影响了科学研究的成果和进步。人们已经不能满足单独通过图像和表格来表征数值仿真结果的研究方法。
因此，将机电液一体化仿真与视景仿真技术相结合，能够为研究人员提供更为有效的研究方法和手段[9]。将仿真结果可视化后，不但能通过图形和图像的方式把仿真实验数据呈现出来，而且能够使研究人员实时动态地监控和观察模拟实验的全过程。作为一种能够较为有效地解释仿真数据信息的方法，机电液一体化系统的可视化仿真研究技术已被广泛应用在科学和工程技术领域，在国防军事领域和工业制造领域产生了显著的促进作用。
3 应用实例
以某飞行器转运、发射全过程为例建立飞行器一体化仿真实验平台，为作战训练和技术研究提供技术支持。选用Matlab/Simulink软件构造飞行器弹道六自由度仿真模型，并进行仿真实验，完成数学仿真；使用Multigen Creator建模软件、Vega Prime虚拟现实开发工具和Microsoft Visual Studio.net 2003编译软件3者结合的技术路线实现机电液一体化系统的三维建模及其视景仿真。图2所示为视景仿真研究技术路线图。
3.1 飞行器数学建模和数学仿真
建立某飞行器飞行的数学模型，并在Matlab环境下对无人飞行器飞行全过程仿真。飞行器在空间运动有6个自由度，包括前后、上下、左右3个质心移动的自由度和滚转、俯仰、偏航3个绕质心转动自由度。
由于受到气动数据多、系统复杂等因素影响，建立完整的六自由度无人飞行器模型比较困难，故需要做出如下一些假设[10]：
（1）视飞行器为一刚体，不考虑由机翼、机身等引起的弹性自由度。
（2）假定大气是静止的标准大气，飞行器质量不变化。
（3）假设重力加速度不随高度变化。
（4）假设地面为惯性参考系，即假设地坐标为惯性坐标系。
3.2 飞行器可视化仿真
（1）建立三维视景模型
对于某飞行器飞行控制视景仿真系统，最重要的研究内容是建立场景模型。它可以直接影响系统的实时性、逼真效果等，从而决定一体化视景仿真系统的性能。视景建模具有信息量大、建模周期长、难度大等特点，是视景仿真系统设计的重点和难点。虚拟视景模型主要包括飞行器、发射车、房屋建筑以及大地形等。其中飞行器舵面是可以转动的；大地形应该包括高山、河流、沙漠等典型地貌特征。
对于大量的视景模型需要逐个建模，工作量较大。合理利用实例化技术、纹理技术和LOD技术，可以减少场景中总的面数，大大简化模型设计周期，提高建模效率和后期实时仿真渲染速度。还可以使用DOF技术，在模型对象的DOF节点上设置局部坐标系和自由度的限制。对模型的建立需要把握模型的主要特征，不能盲目地简化，忽略模型的主要细节，降低模型的真实感。
（2）选择合适的数据传输方法
为了再现飞行器飞行的全过程，系统必须拥有真实的飞行器飞行数据。视景系统的数据通过串口通信技术进行数据传输，使由Matlab/Simulink软件产生的无人飞行器的速度、迎角、侧滑角、俯仰角、偏航角、高度、经度和纬度等飞行数据信息，传输给视景仿真系统，准确迅速地再现无人飞行器的飞行姿态和飞行轨迹。
（3）建立虚拟场景
建立虚拟场景包括建立多窗口、碰撞检测、界面设计和天气选择等。其中建立多个仿真视景窗口，可以通过不同的视角关注目标对象。设置视景的界面，在MFC模式下在主界面中同步实时显示无人飞行器的飞行数据信息，包括速度、高度、俯仰角等，增强了视景系统的人机交互能力和程序的可维护性。对飞行场景的天气状况进行建模，建立晴天、下雨、下雪等多种天气状况，供研究人员自由选择和配置。碰撞检测[11]用于检测无人飞行器与地形、建筑物的碰撞，并使用粒子系统和声音技术产生碰撞效果，增强系统的真实程度和沉浸感。
4 实验结果分析
仿真系统的硬件平台环境为Intel(R) CORE i5 3210M 2.5 GHz，内存为4 GB，显卡为NVIDIA GeForce GT650M 2 GB DDR5，显示分辨率为1 600×900。飞行器六自由度弹道数学仿真模块运行平稳，实验数据与理论相符；在视景仿真渲染过程中祯画面比较流畅，尾焰效果较好，基本上满足了仿真的要求。具体运行效果如图3所示。
5 结束语
随着计算机技术的飞速发展，各种新兴仿真技术日臻完善，已被广泛应用在各种领域。特别是在工业生产、国防和军事领域机电液一体化仿真已发挥了重要的作用，将有更为广泛的运用。
结合某飞行器发射的转运、发射全过程的应用实例，讨论了机电液一体化系统的特点，以及可视化仿真的过程和关键技术，并针对飞行器飞行三维模拟环境特点使用了一些颇有成效的优化技术和校正方法。实验结果表明，该实验平台设计方法合理，完全满足了实验教学和科研实验的仿真效果要求，具有一定的应用和参考价值。
参考文献
[1] 朱德泉. 基于联合仿真的机电液一体化系统优化设计方法研究[D]. 合肥: 中国科学技术大学, 2012.
[2] 王扬,郭晨,章晓明. 现代仿真器技术[M]. 北京:国防工业出版社, 2012.
[3] 熊光楞,李伯虎,柴旭东. 虚拟样机技术[J]. 系统仿真学报, 2001,13(1):114-117.
[4] 马长林,李锋,郝琳,等. 基于Simulink的机电液系统集成化仿真平台研究[J]. 系统仿真学报, 2008,20(17): 4578-4581.
[5] 杨艳妮,韩明军,张志宏,等. 机电液一体化系统联合仿真技术研究[J]. 液压气动与密封, 2013,33(12): 15-17.
[6] 凌锋. 飞行视景仿真系统研究与开发[D]. 西安:西北工业大学, 2003.
[7] 王志辉. 飞行三维仿真系统关键技术研究[D]. 长春:吉林大学, 2005.