Галкін Артем В'ячеславович

Факультет комп'ютерних наук та технологій

Кафедра комп'ютерної інженерії

Спеціальність «Комп'ютерні системи та мережі»

Розробка та дослідження універсальних плоскопанельних тренажерно-навчальних систем 

Науковий керівник: к.т.н., професор Олександр Якович Анопрієнко

• Резюме
• Біографія
• Реферат

Реферат з теми випускної роботи

Зміст

• 1. Актуальність теми
• 2. Мета і завдання дослідження, плановані результати
• 3. Наукова новизна
• 4. Огляд досліджень і розробок по темі
• 4.1 Огляд міжнародних джерел
• 4.2 Огляд національних джерел
• 4.3 Огляд локальних джерел
• 5. Поточний стан роботи
• Висновок
• Список джерел

1. Актуальність і мотивація

В даний час при навчанні студентів тема вдосконалення професійних навичок актуальна як ніколи. Існування готової тренажерно-навчальної системи значно спростило б процес навчання, а також дозволило б візуалізувати лекційний і теоретичний матеріал. Крім того, для студентів і курсантів льотних академій наявність універсального плоскопанельного авиасимулятора дозволило б прискорити процес адаптації до реальних повітряних суден і отримати можливість відпрацювати свої навички на тренажерній системі.

2. Цілі і завдання

Основним завданням проекту є створення власної тренажерно-навчальної системи, орієнтованої на імітацію польоту повітряного судна. В якості моделі повітряного судна передбачається використання моделі біплана - літака з двома несучими поверхнями (крилами), як правило, розташованими одна над іншою. Метою даної роботи є створення інтерактивного додатка для вдосконалення знань студента з техніки з можливістю перегляду приладової дошки передбачуваного повітряного судна. Цей додаток може бути використано в процесі навчання на спеціальностях льотних академій. Результатом роботи програмного засобу має стати підвищення практичного досвіду взаємодії з приладами у студентів.

3. Наукова новизна

Зі зростанням популярності плоскопанельних пристроїв важливо досягти здатності функціонування тренажерних систем на таких пристроях, як планшетні комп'ютери або сенсорні телефони. Вибір технології Unity3D дозволяє розробити дво - або тривимірний додаток, що працює під будь-якими операційними системами: Windows, OS X, Android, Apple iOS, Linux.

Unity3d є сучасним крос-платформним ядром для створення додатків, розрахований на те, що весь процес розробки відбуватиметься в поставленій в комплекті інтегрованому середовищі розробки. Unity3d містить редактор сцен, об'єктів і скриптів. У Unity3D є відкладене освітлення, вбудований редактор шейдеров, стандартний набір постпроцесінгових ефектів. Основною концепцією Unity3d є використання в сцені легко керованих об'єктів, які, у свою чергу, складаються з безлічі компонентів. Створення окремих об'єктів і наступне розширення їх функціональності за допомогою додавання різних компонентів дозволяє нескінченно удосконалювати і ускладнювати проект.  [1] 

4. Огляд досліджень і розробок по темі

На сьогоднішній день, на жаль, практично не існує професійних тренувальних засобів, які працюють на плоскопанельних пристроях і здатні імітувати поведінку приладів і самого повітряного судна під час польоту.

На момент створення даної роботи було знайдено і розглянуто кілька програмних засобів.

4.1 Огляд міжнародних джерел

Перший інтерактивний додаток має формат гри, орієнтованої на знання базових навичок пілотування. Додаток називається X-Plane і представляє з себе авіасимулятор, розроблений для Mac OS X. До складу X-Plane входять кілька комерційних, військових і інших літаків, а також глобальний сценарій, який охоплює більшу частину Землі. Також в постачання авіасимулятора входить програмне забезпечення для створення і налаштування моделей літаків. X-Plane має систему плагінів, що дозволяє користувачам розширювати функціональність симулятора і створювати свої власні світи або копії реальної місцевості, що дозволяє ознайомитися з реальними моделями повітряних суден, але в режимі обмеженої функціональності. Приклад інтерфейсу наведено на малюнку 1.

X-Plane відрізняється від інших симуляторів застосуванням теорії елемента лопаті, розробленої для оцінки поведінки пропелера. Кожне крило і лопать пропелера розбивається на невеликі піделементи, для кожного з них підраховуються діючі аеродинамічні сили і моменти, потім всі вони складаються, і виходить загальний результат. X-Plane поширює цю модель на весь літак (вертоліт і інші літальні апарати), працюючи з фюзеляжем, крилами і хвостом, як з елементами, що створюють підйомну силу.

Перевага цього методу в порівнянні з моделями, що використовують попередньо обраховані масиви даних, теоретично полягає в тому, що не потрібно записувати ніяких даних про поведінку реального апарату. X-Plane сам моделює його поведінку, грунтуючись на даних про геометрію, масі, розташуванні і характеристики двигунів.

Інший додаток можна розглядати як більш спеціалізований, спрямований на поліпшення навичок взаємодії з приладами у пілотів.

Microsoft Flight Simulator - авіасимулятор, що випускається корпорацією Microsoft. Від X-Plane він відрізняється досить реалістичною фізикою польоту, а значить, більшою складністю управління літаком. Передбачено наявність практично всіх великих аеропортів світу з реалістичними даними, реальним ландшафтом, реалістичними погодними умовами, відмінною графікою.

MSFS дозволяє освоїти початкові навички пілотування в простих і складних метеоумовах на різних етапах польоту, від передпольотної підготовки, зльоту і польоту до виконання зниження і посадки. Можуть розглядатися штатні та позаштатні ситуації, у тому числі в рамках тренування взаємодії екіпажу з відпрацювання аварійних ситуацій згідно Керівництву з льотної експлуатації відповідного типу повітряного судна. На базі тренажерних комплексів, що використовують MSFS в якості платформи, приймаються деякі заліки та екзамени. Пртклад інтерфейсу наведено на малюнку 2.

4.2 Огляд національних джерел

В Україні за межами ДонНТУ подібних за тематикою програмних засобів знайдено не було.

4.3 Огляд локальних джерел

З 2010 року в ДонНТУ ведуться розробки по тривимірному моделюванню шахтних комплексів, за матеріалами яких були проведені виступи з доповідями на конференціях, а також написані статті для журналів з даної теми такими авторами, як проф. Анопрієнко О.Я., доц. Карабчевсткій В.В., Трофімов В.А., доц. Ніколаєв Є.Б. [2]

6. Поточний стан роботи

На даний момент розроблені кілька варіантів передбачуваних текстур для авіасимулятора. У наслідку планується реалізувати можливість переключення текстур в режимі реального часу. Основною концепцією Unity3d є використання в сцені легко керованих об'єктів, які, у свою чергу, складаються з безлічі компонентів. Створення окремих об'єктів і наступне розширення їх функціональності за допомогою додавання різних компонентів дозволяє нескінченно удосконалювати і ускладнювати проект. Вплив компонента на поведінку або положення того чи іншого об'єкта в сцені визначається за допомогою змінних компонента

Перший етап практичної реалізації проекту

 

В якості ресурсів для створення зображення неба в проекті були використані кілька звичайних зображень, суміщення яких дозволило створити ефект панорами неба. Результат наведений на малюнку 3.

Коли який-небудь ресурс, наприклад геометрична 3D-модель, використовується в сцені додатки, він стає в термінології Unity ігровим об'єктом. Всі ці об'єкти, спочатку, мають хоча б один компонент, що задає його положення в сцені і можливі перетворення (компонент Transform). Змінні компонента Transform визначає положення (position), поворот (rotation) і масштаб (scale) об'єкта в його локальної декартової прямокутної системі координат X, Y, Z. Наявність змінних у кожного компонента обумовлює можливість звернення до них з відповідної програми. [3]

В якості однієї з територій для імітації польоту повітряного судна було обрано морську поверхність. Для того щоб збільшити ефект реальності морської поверхні було вирішено створити декілька варіантів руху хвиль і зміни кольоровості. Всі ці деталі створені за допомогою компонентів Unity3d, розрахованих на роботу з геометричним 3d-об'єктом. Результат показаний на малюнку 4.

Для встановлення взаємодії між створеними геометричними об'єктами необхідно додати до них відповідні фізичні властивості. Фізичне ядро середовища використовує систему динаміки твердих тіл, для створення реалістичного руху. Це означає, що замість статичних об'єктів, що перебувають у віртуальному просторі сцени, ми маємо об'єкти, у яких можуть бути наступні характеристики: маса, гравітація та інші.

Висновок

Створення програми за допомогою технології Unity3d забезпечує можливість 3D-візуалізації проекту, спрощує процес розробки, забезпечує можливість запуску на декількох платформах, таких як ігрові консолі та настільні операційні системи, наприклад, Linux, Mac OS X і Microsoft Windows. Ядро Unity3d має компонентну архітектуру, що дозволяє замінювати або розширювати деякі підсистеми ядра більш спеціалізованими компонентами, наприклад, для симуляції фізичної природи взаємодії, звуку або рендеринга.

Надалі планується реалізувати повністю інтерактивний додаток-тренажер з можливістю використання різних сцен ландшафтів і наповнити віртуальний 3D простір великою кількістю статичних і динамічних 3d-об'єктів. Можливості технології Unity3d дозволять симулювати різні фізичні явища і стани, наприклад, динаміку абсолютно твердого та тіла, що деформується.

Список джрел

1. Unity-Game Engine [Электронный ресурс]. – Режим доступа: www/ URL: http://www.unity3d.com/
2. Unity3D по –русски [Электронный ресурс]. – Режим доступа: www/ URL: http://www.unity3d.ru/
3. Аноприенко А.Я., Бабенко Е.В. Организация модульного интерактивного приложения для трехмерного моделирования угольных шахт.// Материалы III всеукраинской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Информационные управляющие системы и компьютерный мониторинг (ИУС и КМ 2012)» – 16-18 апреля 2012 г., Донецк, ДонНТУ, 2012. Т.3. С. 680-684.
4. Джамбруно, М. Трехмерная графика и анимация / М. Джамбруно. – М.: Вильямс, 2002. – 640 с.
5. Маров, М.Н. 3ds max. Моделирование трехмерных сцен / М.Н. Маров. – СПб.: Питер, 2005. – 560 с. (+СD)
6. Конструкторы для создания компьютерных игр. Выпуск 3 / Интернет-ресурс. – Режим доступа: www/ URL: http://itcs.3dn.ru.
7. Бабенко Е.В. Навка Е.А. Оверчик О.М. Перспективы использования свободного программного обеспечения для создания трехмерных интерактивных приложений // Материалы II всеукраинской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Информационные управляющие системы и компьютерный мониторинг (ИУС и КМ 2011)» – 12-13 апреля 2011 г., Донецк, ДонНТУ, 2011. Т.3. С. 184-187.
8. Аноприенко А.Я., Джон С.Н. Задачи, методы и средства моделирования сетевой инфраструктуры // Научные труды. Выпуск 29. Серия «Проблемы моделирования и автоматизации проектирования динамических систем» — Севастополь: «Вебер». – 2001. – С. 312-319.
9. Аноприенко А. Я., Святный В. А. Универсальные моделирующие среды. // Сборник трудов факультета вычислительной техники и информатики. Вып.1. – Донецк: ДонГТУ. – 1996. – С. 8-23.
10. 14. Вячеслав Тозик, Александр Меженин, Кирилл Звягин. 3ds Max. Трехмерное моделирование и анимация на примерах. – БХВ-Петербург, 2008 – 880 с. (+CD)