用虚拟现实技术研究月球探测中的开拓性问题

提出了采用月球探测车探测月球的总体构想 ,其特点是将虚拟现实技术引入其中。着重讨论了运用虚拟现实技术进行月球探测车地面模拟和仿真的方法 ,对月球探测车虚拟环境系统的生成、虚拟月球地形地貌的创建、虚拟月球探测车、动力学仿真、建模与仿真的校核、验证和确认进行了论述。为了验证提出的月球探测车地面模拟与仿真虚拟现实技术方法的可行性和有效性 ,已经建立了虚拟月球环境的平台 ,设计了虚拟月球探测车模型 ,基本解决了月球环境下的动力学仿真问题     

一种真实感虚拟月面建模方法

虚拟现实技术的出现为月球漫游车的设计、试验、优化等提供了新的有效手段,构建逼真的虚拟月面是进行该类研究的一个基础。提出了一种真实感虚拟月面建模方法,该方法利用分形技术生成月面基础地形,在此基础地形之上基于两点假设和统计信息添加陨石坑模型和石块,并在外围拼接山坡模型,最后生成效果逼真的参数化、可重用的虚拟月面模型。仿真结果表明该虚拟月面模型满足虚拟现实环境下进行月球车在凹凸不平月面上的运动学、动力学仿真试验的需求。     

欠驱动双足步行机器人运动控制与动力学仿真

以欠驱动双足步行机器人为对象,提出一种基于落脚位置控制的运动控制算法,并对其行走控制过程进行动力学仿真。首先基于三维线性倒摆模型(3D-LIPM)控制机器人的落脚位置,建立其行走姿态的虚拟约束,利用有限时间收敛反馈控制器对行走过程进行控制,实现了机器人的动态稳定行走。最后结合MATLAB的符号运算、SIMULINK和虚拟现实技术对其控制过程进行运动学和动力学仿真。实验结果表明控制算法是可行的。     

虚实结合的多关节机器人开放式仿真系统研究

基于工业控制计算机、单片微处理器等硬件和OpenGL、VC 等软件,针对典型的五自由度多关节工业机器人构建出了一个虚拟现实和物理模型相结合的开放式通用仿真综合试验系统,给出了机器人三级控制系统体系结构和内部通信协议,建立了机器人运动学坐标系,推导出了相应的末端作用器位姿转换矩阵,可以完成机器人学中正向运动学、逆向运动学、路径规划以及动力学等方面的研究与设计。最后,将其成功应用于《工业机器人学》课程教学和智能型采棉机器人的研发过程中,发挥了重要的指导作用。     

机器人探测未知环境的螺旋形导航算法

在很多情况下，机器人对作业环境并没有预先了解，这就使得机器人对环境的探测成为必要。因此，设计合理的导航算法，从而使机器人在较短的时间内能够较完整地构建出环境地图，为机器人完成作业提供了基础。本文提出了一种基于虚拟力的螺旋形导航算法，采用超声距离传感器，对未知环境进行实时在线的探测，采用本算法可以避免机器人之间以及机器人与障碍物发生碰撞。本文推导了机器人的运动学和动力学方程。仿真对比实验表明了该算法的有效性。本文进行了若干作业任务的仿真实验，使算法得到了进一步验证。     

基于虚拟样机的井下机器人行走仿真试验

在石油故障井井下作业探测机器人原理与结构设计的基础上,在Pro/E环境下建立了具有5000N牵引力、适应Φ90mm～Φ130mm井眼变化的石油井故障探测机器人虚拟样机,利用ADAMS建立了探测机器人运动学与动力学分析模型.通过机器人支撑脚卡紧过程仿真试验及其在不同井眼下的行走仿真试验,得出该探测机器人可以在石油井井下环境中卡紧井壁、适应不同的井眼变化、稳定行走,这为石油井探测机器人的改进设计与研制提供了可行的技术方案.     

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。     

突变地形下的复合结构移动越障机器人运动学建模与仿真

移动越障机器人可以攀越突变障碍,实现野外环境下的灵活机动。和普通移动机器人在平坦表面上的运动不同,其在越障过程中具有独特的运动情况。提出了一种复合结构移动越障机器人,建立其越障状态下的逆运动学模型,对运动特性进行了解析,基于路径跟踪运动的仿真研究验证了该模型的有效性和正确性。     

卧式下肢康复机器人运动学分析及仿真

针对人类由于意外事故、疾病和机体老化等因素产生的功能障碍或残疾,研制了一种基于并联机构的新型卧式下肢康复机器人.同时采用连杆机构模拟人体下肢,把人体下肢和机器人作为一个整体,利用机构牵引人体下肢实现对髋、膝、踝关节的康复训练.并利用闭环矢量法对卧式下肢康复机器人的运动学正、逆过程进行了分析,推导出其运动学方程.根据运动学分析制定了一种康复训练策略,并进行了仿真研究.仿真结果表明运动学分析结果的正确性和制定康复训练策略的可行性.     

基于刚体运动学仿真的坦克训练模拟系统研究

根据坦克部队作战特点,以计算机技术、网络技术、系统仿真与模型方法为基础,将HLA与坦克分队战术训练相结合,把分散在不同地点的人与设备"连接"到同一模拟训练环境中;将虚拟现实技术与半实物仿真模拟器相结合,建立具有时空一致性的系统合成的虚拟"战场环境";将刚体运动学与解析几何相结合,解决坦克实体模型视景仿真和坦克直线运动与转向运动中的六自由度刚体运动学模拟技术。遵循这一技术路线,完成了以计算机仿真技术与军事训练专业的复合应用为目的的分布式坦克训练模拟与分析系统。     

月球漫游车仿真系统研究

介绍了一个用于研究、开发月球漫游车系统的测试与仿真平台，它适用于各种不同结构的漫游车，可以检验漫游车的结构设计，对控制、传感器等子系统进行调试。该仿真平台提供了用于创建地形模块的地形组件编辑器，并提供了环境编辑器以便利用预先创建的地形模块搭建虚拟月面环境。月面环境仿真系统的实现采用了COM技术，使得该系统可以接纳各种不同结构、功能的漫游车进行仿真，同时，该仿真系统是一个分布式的仿真系统，月面环境仿真系统和漫游车系统可以运行于以网络连接的不同计算机中。     

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。     

月球车的惯性/天文组合导航新方法

我国月球探测二期工程将进行月面巡视探测任务,而月球车的导航和控制是任务完成的重要保障。月球车实现自主导航可以弥补地面测控的局限性,是目前亟待解决的关键技术。惯性导航和天文导航都是适用于月球车的自主导航方法,但惯性导航误差随时间积累,天文导航短时精度较低。为此,提出一种月球车自主惯性/天文组合导航新方法,通过天文导航不断对惯性导航进行校正,提高了导航的精度和可靠性。仿真结果表明,该惯性/天文组合导航方法的位置精度在25 m以内,可满足月球车长时间、长距离的高精度导航要求。     

基于立体视觉的虚拟机械臂平面定位研究

结合星球探测的应用背景,对漫游车的工作方式进行了研究,针对车载机械臂开发了一套基于立体视觉的机械臂平面定位仿真系统。该系统依靠虚拟现实技术,通过虚拟机械臂对三维重建得到的平整物体表面的定位仿真得到机械臂的各关节参数,以此指导真实机械臂的运动。论述了基于立体视觉的机械臂定位机理和基于OpenGL的虚拟机械臂的实现过程。采用VC＋＋构建了仿真实验平台,进行了定位实验,获得了较高的定位精度。     

支持虚拟样机的协同仿真平台关键技术研究

为了支持虚拟样机开发环境中不同领域，分布，异构的仿真系统间的信息共享和互操作，提高协同仿真平台的可扩展性和灵活性，提出了灵巧产品模型建模，协同仿真资源库集成管理方案和协同环境运行框架，并具体说明了基于DCOM的仿真工具协同的关键实现技术，支持仿真联邦管理的数据库设计和CORBA的应用实现技术，通过轿车虚拟开发的初步应用实践，基于上述研究所开发的平台能有效支持复杂产品的虚拟开发。     

虚拟环境下的复杂变速箱交互式装配仿真平台

为解决虚拟装配存在人机交互度、行为仿真与用户设计效果不佳等问题。以大型拖拉机变速箱为对象,研究了多碰撞体的齿轮动力学运动与行为仿真方法,提出了基于轴和面约束的多零件模型在虚拟环境中的定位方法,开发了人机交互式的虚拟环境,每帧消耗的时间约为10 ms,实现了复杂变速运动行为及其仿真。同时虚拟装配模块里配置了AR接口,可通过手式进行主动式智能虚拟装配。试验表明,系统能按照用户需求进行主动式的虚拟装配、干涉检测、学习装配知识、方案设计、提示装配错误等,为复杂变速箱的虚拟制造与装配提供了仿真平台,平台具有可扩展性。     

水下滑翔机器人实时仿真平台研究与开发

为检验水下滑翔机器人系统的整体性能及载体在水下的运动学和动力学特性,提出了采用半物理仿真方式建立水下滑翔机器人实时仿真平台的设想.介绍了建立实时仿真平台的硬件结构,并对水下滑翔机器人实时仿真平台的搭建过程作了简要的说明.仿真平台系统包括虚拟水下滑翔机器人系统和虚拟显示系统两部分,其中虚拟显示系统包括:MultiGen Creator建立的三维载体模型和海底地形;Vega生成的实时视景程序;基于MFC的视景仿真程序.