非可及环境的镜像孪生与实时可视化遥操控
发布时间：2021-06-06 16:20
深海底床和外层空间是人类还不能够进行近距离或直接作业操控的非可及环境,探索认知和开发利用非可及环境的有效技术是虚拟现实,因而虚拟环境一直是虚拟现实的研究热点.讨论了非可及环境和虚拟环境密切相关的11个关键技术:态势感知、信息组织、数据处理、三维建模、实时三维可视化场景、计算渲染、数字孪生、虚拟仿真、可视化遥操控及其信息系统生态、数据保护与信息传承、工业技术软件产业链,目的是揭示我国自主可控信息系统和相关工业技术软件在海洋工程和航天工程中所面临的挑战、存在的问题和发展前景,希望为深海作业、天基和月基设施建设以及深空探测等工程的可视化和遥操作提供信息技术和软件工程方面的参考.
【文章来源】：青岛理工大学学报. 2020,41(06)
【文章页数】：17 页
【图文】：
国家探月工程实战任务和巡天观测任务中的部分实时三维可视化场景
此外，我国航天工程中所用的信息技术产品和计算机软硬件设备正在向满足国产化和自主可控要求的方向转型．目前我国的显示技术和计算机图形处理技术还受制于开源技术和国产操作系统本身的诸多不足．所以，我国的计算渲染与国外基于OpenGL和Direct两个工业标准长期发展和完善起来的渲染引擎相比，还有巨大差距．对于超大数据量和极其复杂的虚拟环境的实时三维可视化场景，解决计算渲染中的这一瓶颈问题可采用图8所示的“多节点并行计算”和“多区域分屏合成”的渲染技术．图8(a）所示是大尺度宇宙空间的一个实时三维可视化场景，其中包括了所有已知的宇宙天体位置数据和它们相互之间的空间关系信息，三维可视化场景的总数据容量约3.2TB．如此大容量超复杂的实时三维可视化场景在7个节点（图形工作站）上把虚拟环境进行分区计算渲染，然后把每个节点上的渲染分屏进行合成显示，如图8(b）．当然，这个实时三维可视化场景也可以在64个节点上采用任务均分的计算渲染，其可视化场景将是由64个大小相同的分屏合成．
可视化遥操控的对象是非可及物理环境中的实物要素，它通过数字孪生中虚拟环境的实时三维可视化场景来执行并完成遥操控任务．图9是对非可及环境中执行工程任务的实时三维可视化遥操控的工程实例．图9(a）是数字孪生可视化遥操控原理；（b）是嫦娥四号着陆器和“玉兔二号”月球车通过地球控制中心的可视化遥操控，在月球背面进行科学探索任务的效果．截止2020年8月25日，月球车在月球背面进行了21个月昼工作期（即600个地球日）的科学探索任务，累积行驶519.29m，对月球背面巡视区的形貌和矿物成份、月表浅层结构、月面中子及辐射剂量、中性原子等进行分析与研究，并且进行了月基低频射电天文观测．利用嫦娥四号着陆器平台的低频射电频谱仪，在月球背面首次成功开展低频射电天文观测，获得了大量有效观测数据．初步获取40 MHz频率以下的月背着陆区电磁环境本底频谱和低频射电三分量时变波形数据，对于研究太阳低频射电特征和月球表面低频射电环境具有重要的科学意义．
【参考文献】：
期刊论文
[1]数字孪生及其在航空航天中的应用[J]. 孟松鹤,叶雨玫,杨强,黄震,解维华. 航空学报. 2020(09)
[2]基于RSSI的定位技术中数据预处理的滤波算法[J]. 曹子腾,郭阳,赵正旭. 电脑编程技巧与维护. 2020(01)
[3]LAMOST恒星光谱数据分析[J]. 刘曼云,赵正旭,王威,曹子腾,赵士伟. 信息技术与信息化. 2019(11)
[4]FAST馈源支撑系统三维可视化模型的创建[J]. 曹子腾,郭阳,赵正旭,孙才红,张庆海. 软件. 2019(10)
[5]利用国产建模平台自动创建FAST索网数字化模型[J]. 赵正旭,赵士伟,王威,张庆海,姜鹏,郭峰. 现代计算机. 2019(29)
[6]大型科研设施的数字化和信息传承与保护的研究[J]. 赵正旭,张涛,宋立强,李东年,王威,孙才红. 计算机时代. 2019(10)
[7]射电望远镜馈源舱数字化模型的创建[J]. 赵正旭,刘曼云,宋立强,温晋杰,赵卫华,彭育贵. 现代计算机. 2019(26)
[8]LAMOST星体光谱FITS文件解析与信息提取[J]. 刘曼云,赵正旭,王威,赵卫华,曹子腾,赵士伟. 电脑编程技巧与维护. 2019(08)
[9]大洋科学钻探船综述[J]. 赵义,蔡家品,阮海龙,陈云龙. 地质装备. 2019(03)
[10]机械臂遥操作任务的显控界面的实现[J]. 赵正旭,左宗成,申跃杰,钟谦. 计算机时代. 2019(04)
硕士论文
[1]基于Unity3D的虚拟场景交互式建模系统研发[D]. 徐彬.浙江工业大学 2018
本文编号：3214733
【文章来源】：青岛理工大学学报. 2020,41(06)
【文章页数】：17 页
【图文】：
国家探月工程实战任务和巡天观测任务中的部分实时三维可视化场景
此外，我国航天工程中所用的信息技术产品和计算机软硬件设备正在向满足国产化和自主可控要求的方向转型．目前我国的显示技术和计算机图形处理技术还受制于开源技术和国产操作系统本身的诸多不足．所以，我国的计算渲染与国外基于OpenGL和Direct两个工业标准长期发展和完善起来的渲染引擎相比，还有巨大差距．对于超大数据量和极其复杂的虚拟环境的实时三维可视化场景，解决计算渲染中的这一瓶颈问题可采用图8所示的“多节点并行计算”和“多区域分屏合成”的渲染技术．图8(a）所示是大尺度宇宙空间的一个实时三维可视化场景，其中包括了所有已知的宇宙天体位置数据和它们相互之间的空间关系信息，三维可视化场景的总数据容量约3.2TB．如此大容量超复杂的实时三维可视化场景在7个节点（图形工作站）上把虚拟环境进行分区计算渲染，然后把每个节点上的渲染分屏进行合成显示，如图8(b）．当然，这个实时三维可视化场景也可以在64个节点上采用任务均分的计算渲染，其可视化场景将是由64个大小相同的分屏合成．
可视化遥操控的对象是非可及物理环境中的实物要素，它通过数字孪生中虚拟环境的实时三维可视化场景来执行并完成遥操控任务．图9是对非可及环境中执行工程任务的实时三维可视化遥操控的工程实例．图9(a）是数字孪生可视化遥操控原理；（b）是嫦娥四号着陆器和“玉兔二号”月球车通过地球控制中心的可视化遥操控，在月球背面进行科学探索任务的效果．截止2020年8月25日，月球车在月球背面进行了21个月昼工作期（即600个地球日）的科学探索任务，累积行驶519.29m，对月球背面巡视区的形貌和矿物成份、月表浅层结构、月面中子及辐射剂量、中性原子等进行分析与研究，并且进行了月基低频射电天文观测．利用嫦娥四号着陆器平台的低频射电频谱仪，在月球背面首次成功开展低频射电天文观测，获得了大量有效观测数据．初步获取40 MHz频率以下的月背着陆区电磁环境本底频谱和低频射电三分量时变波形数据，对于研究太阳低频射电特征和月球表面低频射电环境具有重要的科学意义．
【参考文献】：
期刊论文
[1]数字孪生及其在航空航天中的应用[J]. 孟松鹤,叶雨玫,杨强,黄震,解维华. 航空学报. 2020(09)
[2]基于RSSI的定位技术中数据预处理的滤波算法[J]. 曹子腾,郭阳,赵正旭. 电脑编程技巧与维护. 2020(01)
[3]LAMOST恒星光谱数据分析[J]. 刘曼云,赵正旭,王威,曹子腾,赵士伟. 信息技术与信息化. 2019(11)
[4]FAST馈源支撑系统三维可视化模型的创建[J]. 曹子腾,郭阳,赵正旭,孙才红,张庆海. 软件. 2019(10)
[5]利用国产建模平台自动创建FAST索网数字化模型[J]. 赵正旭,赵士伟,王威,张庆海,姜鹏,郭峰. 现代计算机. 2019(29)
[6]大型科研设施的数字化和信息传承与保护的研究[J]. 赵正旭,张涛,宋立强,李东年,王威,孙才红. 计算机时代. 2019(10)
[7]射电望远镜馈源舱数字化模型的创建[J]. 赵正旭,刘曼云,宋立强,温晋杰,赵卫华,彭育贵. 现代计算机. 2019(26)
[8]LAMOST星体光谱FITS文件解析与信息提取[J]. 刘曼云,赵正旭,王威,赵卫华,曹子腾,赵士伟. 电脑编程技巧与维护. 2019(08)
[9]大洋科学钻探船综述[J]. 赵义,蔡家品,阮海龙,陈云龙. 地质装备. 2019(03)
[10]机械臂遥操作任务的显控界面的实现[J]. 赵正旭,左宗成,申跃杰,钟谦. 计算机时代. 2019(04)
硕士论文
[1]基于Unity3D的虚拟场景交互式建模系统研发[D]. 徐彬.浙江工业大学 2018
本文编号：3214733
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