面向复杂系统运动仿真的信息物理融合建模

传统运动仿真的虚拟建模缺少针对复杂系统中信息子系统与物理子系统的动态性融合建模。融合传统运动学虚拟建模与信息计算的优势,针对运动仿真的精度和实时性难以满足实际工业制造需求的问题,提出面向复杂系统运动仿真的信息物理融合建模方法,并以机械臂的运动学控制为仿真案例进行验证,解决了实际环境中机械臂的驱动与仿真环境虚拟机械臂运动不一致的问题。搭建了复杂系统运动仿真虚实映射平台,集成了虚拟建模环境CoppeliaSim,融合实际机器人的运动反馈,和虚实映射计算模型,确定工业机器人运动方程的唯一位姿解。实验结果表明本文提出的方法实现了工业机器人的虚实映射实时运动仿真。     

面向室外自然环境的移动机器人视觉仿真系统

基于视觉传感器的道路跟踪、导航是移动机器人自主行驶的重要组成部分。主要是对二维视觉传感器CCD彩色摄像机、三维视觉传感器激光雷达、以及立体视觉进行了仿真。通过设定OpenGL中基于针孔摄像机模型视锥的各项参数、截取并保存屏幕象素来实现摄像机仿真;利用射线跟踪的方法进行激光雷达的仿真;通过提取地形数据的方法进行立体视觉的仿真。该仿真系统能够比较真实的反映移动机器人在行进过程中的传感器数据获取情况,利用该系统可以很好的为以后的模块如融合和规划提供仿真实验数据。     

基于SIFT匹配算法的移动机器人单目视觉定位研究

以单目视觉为模型给出基于视觉的移动机器人目标定位系统算法,利用尺度不变特征变换匹配方法(SIFT)求得基本矩阵与本质矩阵,分解本质矩阵后进一步得到相机的运动参数,最后结合立体视觉方法以及运动恢复结构方法获得目标的深度信息,实现目标定位。给出了三维信息获取过程与计算机仿真结果。实验结果表明,算法能满足移动机器人对目标实现定位的精度要求。     

基于VR的航空发动机虚拟教学实验系统设计

通过航空发动机虚拟教学实验系统的建设,将VR(Virtual Reality)技术中的三维立体仿真建模、三维场景管理、基于数据手套与碰撞检测的人机交互式虚拟装配、基于立体眼睛与头盔的立体显示等技术进行了一次综合的实验探索,是将VR综合技术与实验课堂教学相结合的一个尝试.重点论述了系统开发中模型建造的几何建模和实例化、视点控制、虚拟手建模及数据手套交互、立体显示技术等.该系统通过对某航空发动机提供虚拟装配及拆卸、模化教学实验、模型流场的动态显示及发动机试车等实验系统,将学生的视、听积极性充分调动起来,使学生可获得身临其境的感受和体会.     

面向立体柱面全景的动态规划对应点匹配方法

分析总结了立体视觉对应点匹配研究现状,针对单相机双抛物反射镜面共轴结构的特定折反射立体全向成像装置,将原始捕获的立体全向图像对投影成柱面全景图像对,并结合动态规划和灰度段匹配思想给出了一种改进的对应点匹配算法用于柱面全景图像的稠密深度估计.基于虚拟装置和虚拟场景的仿真实验说明了该装置结构设计和对应点匹配方法的有效性.     

立体视觉系统的目标可见性及测量精度分析

立体视觉系统对目标的可见性及测量精度问题直接决定了基于立体视觉的飞行器相对导航的成败及导航精度。从立体视觉系统结构出发,对目标的可见性及测量精度问题进行了研究。分析了目标可见性及系统测量精度的影响因素|推导了相机参数、立体视觉系统结构参数及目标特征位置等因素对视觉盲区、有效视场宽度和目标可分辨性的约束公式|建立了以上各因素对立体视觉系统相对导航测量精度影响的模型公式,并进行了仿真分析。仿真结果可用于飞行器相对导航中立体视觉系统结构的优化设计。     

基于立体场景的人控交会对接仿真研究

传统的人控交会对接主要通过观察摄像机产生的十字靶标图像来完成,容易造成人的视觉误差,从而导致手动对接失败。结合图形学理论和虚拟现实技术构建的人控交会对接仿真系统为航天员实时提供逼真的虚拟立体场景,通过各种任务想定对航天员进行飞行任务训练。在实验过程中,航天员通过立体眼镜观察虚拟场景中飞行器的飞行状态,同时操作控制手柄改变飞行器的位置和姿态进行手动对接训练。通过不同的对接实验参数设置,航天员可以反复进行不同条件下的对接训练,而不需要执行空间飞行任务。实验结果表明基于立体场景的人控交会对接训练有较高的成功率。     

基于VC++和OpenGL的大型机械装置虚拟教学训练系统的开发

提出了一种桌面式虚拟仿真训练教学系统的开发方案,详细介绍了该系统的结构设计和实现途径;利用I-DEAS建立了机械仿真三维实体几何模型,经格式转换、多边形删减和接口编程解决了机械CAD实体模型向视觉仿真表面模型的转换并被系统读入的问题;直接利用底层图形语言OpenGL对场景进行实时驱动和人机交互控制,实现了虚拟拆卸功能,并加入了基于最优拆卸序列的拆卸模式;联合OpenGL和Vc++编程实现了机械机构的运动仿真和交互式浏览;提出了通过建立装配约束关系来简化对虚拟拆装中碰撞检测的编程实现.与以往类似系统比较,系统开发方案对软硬件要求低,通用性强,实例证明了其具有的潜在应用价值.     

基于组件的分布式虚拟仿真平台的研究与实现

分布式环境下虚拟仿真技术是在虚拟的逼真环境下,对产品设计及其周边环境进行协同仿真验证的有效手段.本文首先提出了分布式虚拟仿真系统设计的一些概念和原理,接着提出了基于组件对象模型的虚拟仿真系统建模与仿真方法,并重点阐述了支持分布式虚拟仿真的集成框架及其关键实现技术,该平台在一具体的仿真实验系统—飞机模拟仿真飞行系统的的设计中得到具体应用。     

基于能量判据的柔性机械臂模型降阶

应用有限元法进行柔性机械臂的建模和分析非常有效，然而随着对柔性机械臂分段数的增加，系统动力学模型阶数急剧增大，需要进行模型简化。建立了基于能量范数的能量判据，将能量判据作为柔性机械臂系统模态截断的一个标准，以能量响应信息的收敛程度或者模态能量贡献作为系统模态截断的判断标准。通过与基于均衡实现的模态截断的比较，显示基于能量判据的模态截断法更适合于考虑刚柔耦合的柔性机械臂系统。对单连杆柔性机械臂有限元模型进行降阶，仿真结果表明提出方法的有效性。     

基于视觉序列图像的月球车自运动估计技术

月球车视觉所获得的环境信息是月球车进行导航的重要信息来源，给出了一套利用月球车立体视觉系统所获得的序列图像来估计月球车运动参数的定位方案，并重点解决了后期的定位问题。该方案首先通过特征提取、特征跟踪与特征匹配等图像处理环节建立运动估计所需要的特征匹配点集，然后针对运动参数估计这一难点，利用鲁棒运动估计方法有效消除匹配特征点集中的误匹配，并初步估计月球车运动参数，以此为迭代初值利用Levenberg-Marquardt非线性估计算法精确估计月球车运动参数，最后通过建立运动估计仿真器验证了该运动估计方案的有效性。     

基于Unity3D的水下机器人半实物仿真系统

基于Unity3D研制了一种由地面控制终端、机器人本体和三维仿真系统3部分组成的水下机器人半实物仿真系统,为水下机器人开发过程中的性能测试、控制算法分析和人员操作培训提供了仿真和测试平台。该系统采用同一地面控制终端作为三维仿真系统和机器人控制系统的统一指令输入源,以实现虚拟对象和机器人本体的同步工作,可对系统进行实时监测、调参。采用多目视觉技术对机器人位置采集,对传感器数据进行卡尔曼滤波处理。机器人运动仿真试验结果表明,机器人实际运动路径和仿真规划路径基本相同,该系统动态响应性和控制系统同步性较好。     

调水工程变比例三维视景仿真系统构建技术

以长距离输水工程为背景,重点研究了构建三维大地形视景仿真系统的实现技术.针对视景仿真技术在水利领域应用要求的特点,提出了变地形比例的处理方法,并在VC＋＋平台下编译开发了一个虚拟现实的应用程序.实验结果表明,通过大地形的生成、变比例拉伸和调度优化,系统能够在普通PC机上流畅的实时漫游并能弥补仿真中视觉局限的不足,从而更好地为科学选线和工程决策提供依据.     

基于OpenGL的机器人虚拟漫游系统开发

基于OpenGL图形库具有的强大三维渲染能力，开发了一个机器人虚拟漫游环境，提出了一种基于PC的机器人虚拟漫游框架，重点描述了建立三维场景及漫游系统中观察者与机器人的位置控制方法，实现了观察者与机器人的三种不同相对运动状态。实验结果表明，该系统取得了良好的仿真效果。     

基于立体视觉的三维建模方法

研究了基于立体视觉的三维反向建模方法。该方法利用线状结构光与立体视觉原理,首先测量位于四自由度平面机器人上的三维物体的表面几何信息,然后通过获得的采样数据集,自动构建具有真实纹理的三维几何模型。相应提出了一种新的系统标定方法与自动曲面重构算法,并实现了一个面向虚拟现实应用的三维物体的自动反向建模原型系统。     

月球机器人仿真中一种消除轮地交互误差的方法

利用虚拟现实技术虚拟出月球机器人在月面上的作业环境和作业过程,是提高机器人作业的安全系数和工作效率的一条有效途径。在3D重建得到的虚拟月面环境中,如果采用通常的单纯基于运动学(或者动力学)模型的仿真方法,对机器人的作业和运动进行虚拟,那么机器人与地形交互的过程中容易产生接触偏差。而且,随着仿真时间的推进,这种接触偏差会逐渐积累并不断增大,进而严重影响仿真测试的精度和效果。为了消除月球机器人仿真中的轮地交互误差,在分析误差来源的基础上,提出了基于运动学优化的解决方法。最后利用实际的虚拟现实仿真系统,验证了所提出方法的有效性。     

虚拟现实技术在机器人臂/灵巧手遥操作中的应用

将虚拟现实技术应用机器人臂/灵巧手遥操作系统中,完成了环境建模、人-机接口、精确的图形碰撞检测和抓握稳定性分析,并实现了对虚拟环境中模型的实时误差校正。利用该虚拟现实系统,结合视觉反馈和力反馈,完成了按按钮、拉抽屉、抓握灯泡等遥操作任务。     

在线修正虚拟仿真预测的遥操作机器人系统

带虚拟仿真预测系统的遥操作机器人在核电站等复杂环境中作业时,可能会出现虚拟仿真机器人与实际机器人的工作状态不同步,从而导致影响操作者判断,发出错误指令。研究了一种基于在线修正虚拟仿真预测算法的遥操作机器人系统。主端虚拟仿真预测系统建立了从端环境及机器人的虚拟模型,根据操作者命令对从端机器人的状态实时预测,同时根据从端现场检测到的机器人状态对虚拟机器人进行在线修正,以保证虚拟仿真预测系统与从端机器人工作状态同步。实验结果表明：主端虚拟预测平台能够实时预测出从端工作状态;当从端机器人未能按照指令运动时,主端虚拟场景也与从端的工作状态同步。