【摘要】：直升機(jī)裝備憑借其靈活的機(jī)動(dòng)飛行特性、不受地形限制的垂直起降以及可在空中懸停作業(yè)等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)發(fā)展迅速,在軍用和民用方面發(fā)揮越來越重要的作用。但是直升機(jī)飛行時(shí)各方向的動(dòng)力學(xué)耦合嚴(yán)重,操縱難度較大,在作業(yè)空間狹小的場(chǎng)合容易出現(xiàn)“艦面效應(yīng)”和“陡壁效應(yīng)”,導(dǎo)致其培訓(xùn)任務(wù)不完全適合采用真機(jī)實(shí)地訓(xùn)練的方式。近幾年,隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的飛速發(fā)展,使得直升機(jī)模擬器成為了一種在專業(yè)領(lǐng)域培訓(xùn)駕駛?cè)藛T的新型方式。它不僅能夠培訓(xùn)飛行員常規(guī)的直升機(jī)操縱技能,還能夠?qū)μ厍橛?xùn)練和極端惡劣天氣、飛機(jī)嚴(yán)重故障等特殊飛行場(chǎng)合進(jìn)行模擬,具有安全、經(jīng)濟(jì)和高效的優(yōu)點(diǎn)。本文依托于課題組搭建的BELL206型直升機(jī)飛行模擬器仿真平臺(tái),深入研究多屏幕視景拼接的動(dòng)態(tài)視點(diǎn)技術(shù),在提供大視場(chǎng)角虛擬視景的同時(shí),使虛擬場(chǎng)景隨學(xué)員頭部位姿的變化而變化,進(jìn)而提高模擬器的視覺臨場(chǎng)感。直升機(jī)模擬器屏幕顯示單元采用上下多塊屏幕成弧形擺放,用于拼接所需的大視場(chǎng)角虛擬環(huán)境。動(dòng)態(tài)視點(diǎn)技術(shù)相對(duì)固定視點(diǎn)技術(shù)改進(jìn)而來。固定視點(diǎn)技術(shù)指顯示屏幕的幾何尺寸、擺放位置一旦確定,虛擬場(chǎng)景中視點(diǎn)投影矩陣的各個(gè)參數(shù)在仿真過程中保持不變。動(dòng)態(tài)視點(diǎn)技術(shù)則使用傳感器技術(shù)實(shí)時(shí)跟蹤駕駛學(xué)員的頭部位姿信息,用于動(dòng)態(tài)更新虛擬場(chǎng)景中視點(diǎn)的位置與角度。該成像內(nèi)容和成像效果類似真實(shí)條件下駕駛學(xué)員通過駕駛艙窗戶觀測(cè)外界環(huán)境的效果。本文利用Kinect傳感器非接觸方式采集駕駛學(xué)員頭部的點(diǎn)云數(shù)據(jù),實(shí)時(shí)估計(jì)學(xué)員的頭部位姿信息。同時(shí)采用兩臺(tái)Kinect的布置方式,用于解決頭部的自我遮擋問題。論文完成的主要工作如下:(1)搭建多屏幕動(dòng)態(tài)視點(diǎn)系統(tǒng)整體框架。介紹直升機(jī)模擬器平臺(tái)結(jié)構(gòu),分析RGB-D攝像頭的選用原則、進(jìn)行Kinect攝像機(jī)的內(nèi)參標(biāo)定以及外參標(biāo)定,將Kinect坐標(biāo)系進(jìn)行統(tǒng)一,并給出有效的頭部點(diǎn)云濾波算法。(2)設(shè)計(jì)頭部位姿估計(jì)算法用于實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)視點(diǎn)技術(shù)。首先選取實(shí)時(shí)性高、識(shí)別范圍大的隨機(jī)森林算法進(jìn)行頭部位姿粗略估計(jì),并進(jìn)行特征選取、分類回歸決策樹訓(xùn)練。其次通過點(diǎn)云配準(zhǔn)方案進(jìn)行頭部位姿精確估計(jì),即尋找當(dāng)前Kinect攝像頭采集的點(diǎn)云和預(yù)定義頭部模板點(diǎn)云的變換矩陣M。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)ICP算法的最近點(diǎn)對(duì)選取策略,代價(jià)損失函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn),并給出非線性旋轉(zhuǎn)矩陣的近似求解方案。最后提出基于卡爾曼濾波增強(qiáng)的幀間實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng),可在下一幀深度圖像中迅速定位頭部區(qū)域,縮小識(shí)別區(qū)域,提高隨機(jī)森林算法的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性,并為精確估計(jì)階段提供良好的初始變換矩陣。(3)為了實(shí)現(xiàn)高度臨場(chǎng)感的大視場(chǎng)角虛擬環(huán)境,相比于昂貴的球幕投影方式,本文采用上下八塊高清液晶屏幕實(shí)現(xiàn)價(jià)格低廉的多屏幕視景拼接方案。在基于固定視點(diǎn)的多屏幕視景拼接方案基礎(chǔ)上,通過全局坐標(biāo)系建模,將獲取到的頭部位姿參數(shù)實(shí)時(shí)更新虛擬場(chǎng)景視點(diǎn)的位置和角度,實(shí)現(xiàn)基于動(dòng)態(tài)視點(diǎn)的多屏幕視景拼接方案。同時(shí)基于Accela濾波,增強(qiáng)投影參數(shù)的穩(wěn)定性,去除多屏幕視景拼接中可能出現(xiàn)的抖動(dòng)。(4)搭建多屏幕動(dòng)態(tài)視點(diǎn)系統(tǒng)平臺(tái)與實(shí)驗(yàn)分析。頭部位姿參數(shù)的獲取是動(dòng)態(tài)視點(diǎn)技術(shù)的核心,首先對(duì)基于卡爾曼濾波增強(qiáng)的粗略估計(jì)算法、點(diǎn)云配準(zhǔn)精確估計(jì)算法、工作空間以及不同算法的運(yùn)行速度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)及效果分析;然后對(duì)實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)角虛擬環(huán)境的多屏幕視景拼接技術(shù)進(jìn)行可視化,同時(shí)對(duì)基于Accela濾波的投影參數(shù)穩(wěn)定性增強(qiáng)算法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。
【圖文】：

吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文訓(xùn)練效果，同時(shí)規(guī)避不必要的人員傷亡�，F(xiàn)如今，直升機(jī)模擬器從早期的機(jī)械仿制模型進(jìn)化到了現(xiàn)在具有 360°球面視野、六自由度仿真功能、機(jī)械與電子技術(shù)相結(jié)合的先進(jìn)模擬訓(xùn)練設(shè)備。圖 1.1 是 CAE 公司研制的 3000 系列全自動(dòng)飛行模擬器，具有高 220°、水平 80°的垂直視野直投式圓頂，提供超大視角，可實(shí)現(xiàn)天空、森林和不同天氣的投影，逼真模擬海上緊急醫(yī)療服務(wù)、高空、營救等訓(xùn)練任務(wù)，并提供高分辨率數(shù)據(jù)庫[4]。圖 1.2 為 CAE 公司為美國海軍研制的專項(xiàng)作戰(zhàn)飛行訓(xùn)練器 MH-60S。

吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文訓(xùn)練效果，同時(shí)規(guī)避不必要的人員傷亡。現(xiàn)如今，，直升機(jī)模擬器從早期的機(jī)械仿制模型進(jìn)化到了現(xiàn)在具有 360°球面視野、六自由度仿真功能、機(jī)械與電子技術(shù)相結(jié)合的先進(jìn)模擬訓(xùn)練設(shè)備。圖 1.1 是 CAE 公司研制的 3000 系列全自動(dòng)飛行模擬器，具有高 220°、水平 80°的垂直視野直投式圓頂，提供超大視角，可實(shí)現(xiàn)天空、森林和不同天氣的投影，逼真模擬海上緊急醫(yī)療服務(wù)、高空、營救等訓(xùn)練任務(wù)，并提供高分辨率數(shù)據(jù)庫[4]。圖 1.2 為 CAE 公司為美國海軍研制的專項(xiàng)作戰(zhàn)飛行訓(xùn)練器 MH-60S。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：V216.8;V275.1

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本文編號(hào)：2621213