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题目

Unity引擎开发-无人机模拟飞行实现

一、选题的目的和意义：

随着计算机技术的发展，电子游戏的形式越来越丰富，用户对于电子游戏的娱乐性需求也越来越高，追求更加真实的感官体验成为电子游戏的一条发展趋势。作为虚拟现实领域的一项的综合应用，3D游戏已经在电脑、手机、机顶盒等多平台得到了普及，相对于传统的2D游戏，3D游戏让用户感觉更融入，更加享受，但所依赖的计算机技术也更加复杂，计算机图形学、物理仿真等都成为3D游戏开发所需要的重点研究方向。我国在电子游戏领域的发展与领先国家还具有一定的差距，为了振兴本国电子游戏行业，对这一项综合应用所涉及的技术进行整体的梳理是完全有必要的。

本次设计按照从设计到实现，从理论到应用。首先介绍了3D游戏的一般技术框架，之后围绕一款基于Unity3D的无人机模拟飞行系统，使用Unity3D支持多个平台，可方便引入各方面插件。在游戏设计和实现阶段，先简单介绍了游戏的创意，接着设计了整个游戏的的整体结构，并将模拟飞行主要分为图形渲染、物理仿真、网络同步等模块，图形渲染使用Unity3D中OpenGL插件，使得游戏可以运行到手机平台，为了更精确、更快速处理汽车的物理仿真，使用了PhysX来对无人机及场景进行物理设计，并做了一定的分析，在执行效率及可玩性做出改进展望。

整个模拟飞行系统各模块之间接口灵活且耦合性低，且运行效率高，虽然属于小型游戏，但涉及的技术点较为全面，可以为同类问题提供参考。

机载设备与飞行控制计算机之间的数据通信是高度实时的，可以认为它们通信的数据都是连续的。对这些连续的飞行参数进行实时辨识并不能达到判读飞行参数的目的，因为无人机是一个非线性、时变的多通道深度铰链的系统，单纯的某个飞行参数的时间曲线并不具备太多的实际意义。

飞行参数时间序列相关性分析可以进行基于归纳的系统行为有效预测。在无人机模拟飞行中，按照合适的采样频率对飞行参数进行按帧采集形成飞行参数时序数据流是无人机飞行参数动态处理的必要前提。在无人机动态测试平台中，采集到的单帧飞行参数包括位置参数、运动参数、遥控遥测参数、主系统状态参数和报警参数。采集的飞行参数具有状态点的时序不可重复性，即采集的飞行参数与采样时刻的无人机状态一一对应，采集到的飞行参数一旦丢失就不可能完全复现。单帧飞行参数对判读无人机的行为并不具有实际的物理意义，具体的做法是分析飞行参数时序曲线的变化趋势，并根据无人机飞行动力学、运动学特征分析飞行参数时序曲线之间的相互依赖，如无人机遥控时参数间的同步速率、滞后时间和门限差值，

可用于判断操纵灵敏度和稳定性。研究参数分布规律可对系统机载设备的技术状态、预警和无人机操纵手的技术水平进行判断。

二、本题的基本内容（课题任务、重点研究内容、实现途径、方法）：

课题任务;

飞机的飞行状态：在地面上，飞机达到起飞速度时，可以拉起飞机，否则，一直在地面上；在空中：当飞机低于起飞速度，下降。大于起飞速度则能保持在空中。飞机不可能倒着飞行的，所以，飞机的速度状态就有：起飞速度，正常速度，最大速度。通过输入改变当前速度，然后通过判断速度所对应的状态处理。

飞机的转向：飞机的转向，有y轴的转向，控制飞机的左右飞行。x的转向，控制飞机的升降。左右飞行时，飞机自身需要以z轴旋转，来模拟飞机转弯的效果。

飞机的失速：当飞机在空中的速度低于起飞速度时，飞机下落。当着地时，下落的速度为0.

研究内容：

无人机实时飞行仿真是无人机研制中不可缺少的一个过程,但是对于小型无人机来讲,开发一个完整的实时飞行仿真系统往往花费巨大。详细论述基于Unity的实时模拟飞行设计,在此基础上,利用Unity飞行模拟器实现无人机的三维实时可视化显示。该模拟系统开发简单,构造灵活,成本低,能够使开发人员将更多的精力花费在飞行控制算法研究上。

随着无人机被越来越多的应用在军事和民用领域里,参与无人机研制的个人和团队也在迅猛增加。而在无人机的研制过程中,飞行仿真是必不可少的一个环节,通过飞行仿真可以对无人机的操纵性、稳定性和自动驾驶仪性能进行有效的验证,也可以对操作手进行辅助训练,降低飞行风险。本文提出了一种简单有效的无人机实时仿真系统,首先构建仿真模型,然后通过Unity实时运行模拟模型并与自动驾驶仪构成硬件在回路的实时仿真环境,最后通过开源飞行模拟器进行场景显示。

实现途径：

本次毕业设计所需要的软件为Unity3D。Unity是一款跨平台的游戏开发工具，从一开始就被设计成易于使用的产品。作为一个完全集成的专业级应用，Unity还包含了价值数百万美元的功能强大的游戏引擎。Unity3D是一个让你轻松创作的多平台的游戏开发工具，是一个全面整合的专业游戏引擎。

可以通过射线检测的方式获取距离地面的高度,判断飞机是在空中还是地面。通过输入值来调整currentSpeed，通过与飞机的offSpeed，normalSpeed，maxSpeed比较，来判断飞机所处的状态。通过四元数方法，调整飞机的角度，保持飞机的平衡和转向时的偏转效果。

方法：

使用unity开发游戏真是非常方便。研究飞行模拟也有一段时日，尝试过物理和数学模拟。从效果上来看，物理模拟较为真实一点。但是操作不好。数学模拟的话，虽然牺牲了飞行效果，操控是非常方便的。所谓的数学模拟，就是位移模拟，通过定义起飞速度，加速度等，模拟飞机的飞行过程，包括转向，飞行坠落等。

三、计划进度安排（按时间节点分别描述）：

第一阶段：（填上对应时间进度）XX-XX    查找文献资料，完成开题报告

第二阶段：XX-XX    系统各类开发环境搭建，资料素材收集，算法研究。

第三阶段：XX-XX    完成模拟飞行的开发所用的人物、场景以及怪物模型。

第四阶段：XX-XX    测试并完善模拟飞行的性能。

第五阶段：XX-XX    定稿，答辩。

四、主要参考文献：

[1]中国版协游戏工委. 2012年中国游戏产业调查报告[R]. 2012.

[2]魏强. 3D棒球游戏的设计与实现[D]. 厦门:厦门大学.2008.

[3]Dave Shreiner等著,徐波等译. OpenGL编程指南（原书第5版）[M]. 北京:机械工业出版社,2006,6-8.

[4]王树军. 三维游戏引擎中物理引擎关键技术的研究[D]. 天津:天津大学.2007.

[5]Luke Ludwig,John Haurykiewicz. Collision checking analysis tool: discovering dynamic collisions in a modeling and simulation environment [J]. Int J Interact Des Manuf(2007):135–141.

[6]Christer Erison. Real-Time Collision Detection [M]. CRC Press,2004,7-21.

[7]朱柱. 基于Unity3D的虚拟实验系统设计与应用研究[D]. 武汉:华中师范大学,2012.

[8]童恒建. 三维数字景观中场景图的组织与绘制[J]. 测绘信息与工程,2005,(05):9-11.

[9]陈健松,徐从富,潘云鹤. 基于地形的三维场景绘制方法[J]. 计算机工程与应用,2006,(08):31-33.

[10]谭同德,许绘香,赵红领,余晓霞. 一种基于Shadow Mapping的阴影生成改进算法[J]. 计算机工程与应用,2008,(32):165-168.

[11]汪璇. 基于OSG的分布式无人机飞行模拟器运行仿真及碰撞检测研究[D]. 武汉:武汉理工大学,2008.

[12]W.Richard Stevens等著. UNIX网络编程-卷1：套接字联网API（第3版） [M]. 北京：人民邮电出版社,2010,29-30.