初三機器人科學論文2000字(2)
初三機器人科學論文2000字
初三機器人科學論文2000字篇二
淺談水下機器人三維視景仿真
【摘 要】水下機器人的三維視景仿真是仿真技術在水下機器人發(fā)展與研發(fā)過程中具有重要作用。提出利用3Dmax軟件構建水下機器人的三維仿真模型，利用OGRE引擎和VS2008編程環(huán)境進行實時驅動和人機交互的控制，實現(xiàn)水下機器人的運動控制。
【關鍵詞】水下機器人;視景仿真;運動模型;OGRE0.引言
發(fā)展海洋是新時代的必然趨勢，水下機器人對海洋開發(fā)、海洋調查測繪及相當多水下作業(yè)都有舉足輕重的作用。水下機器人系統(tǒng)的研究和開發(fā)中，仿真技術可以縮短其研制周期、提高研發(fā)質量和減少經費，避免因系統(tǒng)故障時導致其丟失的嚴重后果。三維視景仿真技術廣泛應用于軍事、航海、航空航天、游戲及醫(yī)療等領域，是集圖形學、圖像處理、模式識別、網絡等計算機技術高度發(fā)展的一門綜合性技術。
3Dmax與OGRE(Open-source Graphics Rendering Engine)是近年來得到迅速發(fā)展的嵌入Windows三維模型仿真技術。它性能卓越，API具有良好的可移植性。本文通過3Dmax建模和OGRE 3D引擎作為仿真平臺，及Qt設計窗口，在Visual Studio2008環(huán)境下完成仿真。
首先配置好VS2008和OGRE開發(fā)環(huán)境，主要是一些插件和動態(tài)鏈接庫，定義OGRE將要使用的資源，選擇并設置渲染系統(tǒng)。通過初始化使用一些資源，并用這些建立一個場景，啟動渲染循環(huán)。
1.仿真的一般流程
通常我們先用軟件Creator、3Dmax、Photoshop和Auto CAD等畫出一維、二維及三維的仿真圖形庫。一些特殊的如仿生魚水下機器人建立時圖形仿真時用到了自由變形計軸變形及其他樣條曲線理論的支持完成。到最后顯示的視景仿真一般都是通過Vega或者OpenGL再通過Visual studio編譯執(zhí)行寫好的虛擬現(xiàn)實代碼等來實現(xiàn)仿真，而且3D仿真大都需要進行碰撞檢測。為了設計窗口的方便可能運用MFC或其它工具來設計人機交互窗口，最終形成一個完整的仿真系統(tǒng)。
2.模型的建立
通過3Dmax所得到的水下機器人三維模型。
根據(jù)國際水池會議推薦，建立固定坐標系(慣性坐標系)和運動坐標系(附體坐標系)上圖的水下機器人也將按此坐標系[1]。
由于完整的六自由度運動方程具有極強的非線性和耦合性，所以需要我們進行解耦進而進行求解。對于方程的簡化與求解大多數(shù)專家并沒有給出，不過我們通常根據(jù)不同的水下機器人的形狀等特點來適當減少式中的未知量及個數(shù)，一般將各方向的運動都簡化為平面運動。簡化得到的方程式不但有的時候能讓我們更容易的得到未知量來實現(xiàn)仿真，而且對于水動力系數(shù)等得求解也簡單的多。三自由度、五自由度及六自由度的操縱性方程是最常見的，有的為了方便甚至直接簡化為一維的線性方程，再通過一些其他的算法來趨緊真實的結果。
水動力模型相對復雜，最簡單就是力、力矩對速度、加速度、舵角等的一階偏導數(shù)即線性流體水動力導數(shù)。這里就不諸一列舉各項研究所用的水動力方程，水動力系數(shù)的選取與獲得現(xiàn)在一般是通過經驗公式、拖曳實驗及CFD技術。其中拖曳實驗應該是最準確的，但是它也受到實驗環(huán)境及未知因素的影響。CFD技術已經被張赫等人驗證了其具有一定的準確性[2]。
其中附加質量及附加質量所形成的力及力矩經常被放到質量矩陣里面。張赫也提過用面緣法來對慣性水動力系數(shù)進行估算。張曉頻采用現(xiàn)有的比較成熟的商業(yè)流體力學軟件FLUENT模擬潛水器的粘性繞流流場，模擬阻力試驗、斜航試驗和平面運動機構(PMM)試驗，求解操縱性水動力系數(shù)。建立多功能潛水器六自由度運動的數(shù)學模型，編寫仿真程序，預報其操縱性能[3]。
帶有均衡潛伏系統(tǒng)的數(shù)學模型的建立，推進器的推力模型，舵的水動力系數(shù)模型及升降系數(shù)模型，海流模型、海浪模型及帶纜的數(shù)學模型等。這些模型有的時候對仿真系統(tǒng)的仿真結果影響不大，有的時候卻是起到主要影響作用，因此我們要視情況而定以達到仿真的最佳效果。梁宵構建了舵、翼、槳聯(lián)合操縱的微小型水下機器人運動仿真系統(tǒng)，討論PDCE運動控制系統(tǒng)結構及主要組成部分并通過外場試驗來驗證其可行性及可靠性[4]。
3.視景仿真的應用
不論我們研究什么理論到最后都要進行試驗的驗證，仿真就是為了使得試驗更簡單，更直觀，風方便，甚至可以做到一些現(xiàn)實中無法做到的假設試驗。
張赫過定常流動和非定常流動這兩種情況進行不同試驗形式的模擬計算，在得到模擬結果的同時，給出相應循環(huán)水槽試驗結果，最后做出對比結果的分析。其中定常運動包括模擬直航試驗和模擬斜航試驗，非定常試驗包括模擬平面運動機構進行的五種操縱性試驗。最后在結論分析中對上述三種數(shù)值計算方法進行了總體的比較和分析，并由試驗結果給出了用于建立潛水器空間運動方程的各個系數(shù)。為了我們的研究需要，可以發(fā)揮我們自己的想象合理的去做仿真試驗，會得到意想不到的好處與突破創(chuàng)新。
4.結論
建立了動力學模型，研究了對象的水動力性能，得到運動方程所需的水動力、重力、浮力、推進器作用力等，并在此基礎上建立了以推進器為主要操縱方式的運動仿真系統(tǒng)，對水下機器人的運動完成視景仿真，得到視景仿真的效果圖。我們不但可以做不同的試驗來獲得水下機器人的操縱性能、適航性及受力變化情況，還可以此來對其進行結構上分析與設計。之后我們還可以將水下機器人的高度智能化進行視景仿真來驗證與設計。還可以對某些重要的系數(shù)進行參數(shù)識別的仿真實驗，還要繼續(xù)加強視景仿真的真實性，來適應需求更高的仿真。 [科]
【參考文獻】
[1]賈欣樂，楊延生.船舶運動數(shù)學模型.大連海事大學出版社，1999.
[2]張曉頻.多功能潛水其操縱性能與運動仿真研究.哈爾濱工程大學碩士學位論文，2008.
[3]長航程潛水器操縱性能與運動仿真研究.哈爾濱工程大學碩士學位論文，2009.
[4]梁宵.微小型水下機器人運動控制及可靠性研究.哈爾濱工程大學博士學位論文，2008.
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