A olyan természeti jelenségek, mint tűz, víz, gázok és gőzök, stb. modellezése és életszerű lefényképezése komoly kihívást jelentett a számítógépes grafika szakemberei számára. A tűz offline és realtime megjelenítésével különösen sokan foglalkoznak még ma is, s bár mindkét téren nagyon komoly eredményeket sikerült elérni, a szakma elitje szerint még mindig messze vagyunk a tökéletestől. Az olyan népszerű tervezőszoftverekhez, mint az Autodesk 3D Studio Max-jához léteznek pluginok, melyek – nem valós időben – tüzet, robbanásokat szimulálnak (FumeFX, Phoenix), elérhetőségük azonban meglehetősen nehézkes (drágák, tanulóverziók nem léteznek).

Célom a diplomamunka keretein belül, az Autodesk 3D Studio Max saját fejlesztőeszköze, a MaxScript segítségével egy olyan, plugin összeállítása a Maxhoz, mely eredményesen kezel egy speciális részecskeformátumot, mellyel hatékonyan, gyorsan és szépen lehet tüzet (vagy más térfogati jelenséget) renderelni, ill. maga a szoftver ingyenesen elérhető, és bárki által továbbfejleszthető.

Dolgozatunk egy F-16-os repülőgép fizikai modelljén keresztül mutat be néhány irányítási algoritmust.

Ehhez érdemes először megismerni a repüléstechnikában használt fogalmakat, ezért a 2. fejezetet a repülésirányítás elméleti alapjainak szenteltük. Rögtön az elején egy folyamatábrán keresztül mutatjuk be egy repülőgép-irányítási program általános felépítését. A folyamatábrán látható, hogy a rendszer lelke a repülőgép viselkedését leíró nemlineáris állapottérmodell. A működés megértéséhez részletesen tárgyaljuk a repüléstechnikában használt koordinátarendszereket, illetve az ezekre épülő állapotváltozós leírást. Az állapotváltozók ismeretében bemutatjuk, hogyan befolyásolják a különféle aerodinamikai erők a repülőgép mozgását. Az alapfogalmak tisztázása után elkezdhetjük a szabályozótervezést. Mivel ebben a dolgozatban csak lineáris szabályozókkal foglalkozunk, a 2. fejezet végén azt is ismertetjük, hogyan lesz a nemlineáris modellből linearizált modell.

A kutatómunka kezdetén a konzulensünk rendelkezésünkre bocsátott egy programot, mely alkalmas az F16-os repülőgép MATLAB környezetben történő szimulációjára. A tervezést Simulink támogatással végeztük, az említett programban szereplő nemlineáris modell felhasználásával. A munka megkönnyítése érdekében – kihasználva a MATLAB kínálta lehetőségeket – grafikus felhasználói felületet is készítettünk. A 3. fejezet ezt a kezelőfelületet mutatja be röviden.

A dolgozat második felében az LQ (Linear Quadratic) módszerrel tervezett szabályozóinkat  és működésüket mutatjuk be, néhány megvalósított példán keresztül. Ennek a módszernek az előnye a klasszikus tervezési eljárásokkal szemben az, hogy több ágú visszacsatolás esetén a hurkokat egy lépésben, egyszerre be tudjuk zárni, az erősítéseket nem külön-külön kell meghatározni. Az első példában egy laterális szabályozó felépítését írjuk le, mellyel kiküszöbölhető a repülőgép oldalirányú elfordulása, billegése. Ehhez néhány laterális állapotváltozó értékét kell nullára szabályozni. A longitudinális irányban nem ilyen egyszerű a helyzet, itt alapjelkövetést kell megvalósítani. A második példa ehhez kapcsolódik, amelyben gyorsulásvezérlő rendszert terveztünk szintén LQ módszerrel. A gyorsulás irányát úgy választottuk meg, hogy a vezérlés longitudinális szabályozásra is alkalmas legyen. A harmadik és a negyedik példa szorosan kötődik az első kettőhöz. Itt ugyanis az előző rendszereken javítottunk néhány újabb tervezési lépés beiktatásával. Az időfüggő költségfüggvény alkalmazásával például elkerülhetjük a szabályozott jel hosszan tartó lengését.

Az eddig elhangzott ismereteket néhány újjal kiegészítve, egy automata leszállásvezérlőt terveztünk, amelyet a 4. fejezet végén ismertetünk. A módszer lényege, hogy először alkotunk egy modellt, amely egy ideális pálya mentén hajtja végre a repülési feladatot, aztán tervezünk a repülőgéphez egy olyan szabályozót, amely ezt a modellt próbálja meg követni minél pontosabban. Az eredmény, hogy a repülőnk automata landolást képes végrehajtani ideális ív mentén.

A tervezési munka egyik fontos lépése az eredmények kiértékelése. A kutatásunk során ezért nagy figyelmet fordítottunk az adatok pontos, használható, és ugyanakkor látványos megjelenítésére. A szimuláció után az állapotváltozók időfüggvényeit grafikonokon ábrázolhatjuk, sőt Bode-diagramot és pólus-zérus elrendezést is rajzoltathatunk a kiválasztott változókhoz. A megjelenítés másik formája a napjainkban rendkívül népszerű 3D megjelenítés. Az 5. fejezetben bemutatjuk a MATLAB virtuális valóság eszköztára, a Virtual Reality Toolbox segítségével megvalósított VR vezérlőnket, mely a szimulációt valósidőben, 3D repülőmodellel jeleníti meg, s ezzel a képletek szolgáltatta eredményeket szinte kézzelfoghatóvá teszi.

A dolgozat rövid repüléstechnikai bevezetőt követően a szimulációs keretrendszer terveit, valamint a készítése során felmerült tervezői döntéseket ismerteti. A program a szimulációk 3D megjelenítéséhez a Virtual Reality Toolbox lehetőségeit használja ki, a kialakított, valós időben mozgatott virtuális repülőgépmodell az orientáció, pozíció és a trajektória ábrázolása mellett a vezérlőfelületek állapotát is demonstrálja.

A szabályozótervezést kényelmesebbé tevő kezelői felület és a háttérben meghúzódó, a számításokat és a megjelenítést külön gépen végző, ezeket összekapcsoló keretrendszer fontos komponensek. A megvalósított hálózati kapcsolat működésének bemutatását követően a dolgozat végül kitér a rendszer tesztelési tapasztalataira is.

A megvalósított funkciókhoz részben Simulink, részben MATLAB támogatás szükséges, és a speciális feladatokra felhasznált külső modulok átfogó ismertetése sem marad el.