初三機(jī)器人科學(xué)論文2000字(2)
初三機(jī)器人科學(xué)論文2000字
初三機(jī)器人科學(xué)論文2000字篇二
淺談水下機(jī)器人三維視景仿真
【摘 要】水下機(jī)器人的三維視景仿真是仿真技術(shù)在水下機(jī)器人發(fā)展與研發(fā)過(guò)程中具有重要作用。提出利用3Dmax軟件構(gòu)建水下機(jī)器人的三維仿真模型，利用OGRE引擎和VS2008編程環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)和人機(jī)交互的控制，實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制。
【關(guān)鍵詞】水下機(jī)器人;視景仿真;運(yùn)動(dòng)模型;OGRE0.引言
發(fā)展海洋是新時(shí)代的必然趨勢(shì)，水下機(jī)器人對(duì)海洋開發(fā)、海洋調(diào)查測(cè)繪及相當(dāng)多水下作業(yè)都有舉足輕重的作用。水下機(jī)器人系統(tǒng)的研究和開發(fā)中，仿真技術(shù)可以縮短其研制周期、提高研發(fā)質(zhì)量和減少經(jīng)費(fèi)，避免因系統(tǒng)故障時(shí)導(dǎo)致其丟失的嚴(yán)重后果。三維視景仿真技術(shù)廣泛應(yīng)用于軍事、航海、航空航天、游戲及醫(yī)療等領(lǐng)域，是集圖形學(xué)、圖像處理、模式識(shí)別、網(wǎng)絡(luò)等計(jì)算機(jī)技術(shù)高度發(fā)展的一門綜合性技術(shù)。
3Dmax與OGRE(Open-source Graphics Rendering Engine)是近年來(lái)得到迅速發(fā)展的嵌入Windows三維模型仿真技術(shù)。它性能卓越，API具有良好的可移植性。本文通過(guò)3Dmax建模和OGRE 3D引擎作為仿真平臺(tái)，及Qt設(shè)計(jì)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(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，定義OGRE將要使用的資源，選擇并設(shè)置渲染系統(tǒng)。通過(guò)初始化使用一些資源，并用這些建立一個(gè)場(chǎng)景，啟動(dòng)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(kù)。一些特殊的如仿生魚水下機(jī)器人建立時(shí)圖形仿真時(shí)用到了自由變形計(jì)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(guò)Vega或者OpenGL再通過(guò)Visual studio編譯執(zhí)行寫好的虛擬現(xiàn)實(shí)代碼等來(lái)實(shí)現(xiàn)仿真，而且3D仿真大都需要進(jìn)行碰撞檢測(cè)。為了設(shè)計(jì)窗口的方便可能運(yùn)用MFC或其它工具來(lái)設(shè)計(jì)人機(jī)交互窗口，最終形成一個(gè)完整的仿真系統(tǒng)。
2.模型的建立
通過(guò)3Dmax所得到的水下機(jī)器人三維模型。
根據(jù)國(guó)際水池會(huì)議推薦，建立固定坐標(biāo)系(慣性坐標(biāo)系)和運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系(附體坐標(biāo)系)上圖的水下機(jī)器人也將按此坐標(biāo)系[1]。
由于完整的六自由度運(yùn)動(dòng)方程具有極強(qiáng)的非線性和耦合性，所以需要我們進(jìn)行解耦進(jìn)而進(jìn)行求解。對(duì)于方程的簡(jiǎn)化與求解大多數(shù)專家并沒(méi)有給出，不過(guò)我們通常根據(jù)不同的水下機(jī)器人的形狀等特點(diǎn)來(lái)適當(dāng)減少式中的未知量及個(gè)數(shù)，一般將各方向的運(yùn)動(dòng)都簡(jiǎn)化為平面運(yùn)動(dòng)。簡(jiǎn)化得到的方程式不但有的時(shí)候能讓我們更容易的得到未知量來(lái)實(shí)現(xiàn)仿真，而且對(duì)于水動(dòng)力系數(shù)等得求解也簡(jiǎn)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(jiàn)的，有的為了方便甚至直接簡(jiǎn)化為一維的線性方程，再通過(guò)一些其他的算法來(lái)趨緊真實(shí)的結(jié)果。
水動(dòng)力模型相對(duì)復(fù)雜，最簡(jiǎn)單就是力、力矩對(duì)速度、加速度、舵角等的一階偏導(dǎo)數(shù)即線性流體水動(dòng)力導(dǎo)數(shù)。這里就不諸一列舉各項(xiàng)研究所用的水動(dòng)力方程，水動(dòng)力系數(shù)的選取與獲得現(xiàn)在一般是通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式、拖曳實(shí)驗(yàn)及CFD技術(shù)。其中拖曳實(shí)驗(yàn)應(yīng)該是最準(zhǔn)確的，但是它也受到實(shí)驗(yàn)環(huán)境及未知因素的影響。CFD技術(shù)已經(jīng)被張赫等人驗(yàn)證了其具有一定的準(zhǔn)確性[2]。
其中附加質(zhì)量及附加質(zhì)量所形成的力及力矩經(jīng)常被放到質(zhì)量矩陣?yán)锩妗埡找蔡徇^(guò)用面緣法來(lái)對(duì)慣性水動(dòng)力系數(shù)進(jìn)行估算。張曉頻采用現(xiàn)有的比較成熟的商業(yè)流體力學(xué)軟件FLUENT模擬潛水器的粘性繞流流場(chǎng)，模擬阻力試驗(yàn)、斜航試驗(yàn)和平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(PMM)試驗(yàn)，求解操縱性水動(dòng)力系數(shù)。建立多功能潛水器六自由度運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，編寫仿真程序，預(yù)報(bào)其操縱性能[3]。
帶有均衡潛伏系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的建立，推進(jìn)器的推力模型，舵的水動(dòng)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(xué)模型等。這些模型有的時(shí)候?qū)Ψ抡嫦到y(tǒng)的仿真結(jié)果影響不大，有的時(shí)候卻是起到主要影響作用，因此我們要視情況而定以達(dá)到仿真的最佳效果。梁宵構(gòu)建了舵、翼、槳聯(lián)合操縱的微小型水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真系統(tǒng)，討論P(yáng)DCE運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及主要組成部分并通過(guò)外場(chǎng)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證其可行性及可靠性[4]。
3.視景仿真的應(yīng)用
不論我們研究什么理論到最后都要進(jìn)行試驗(yàn)的驗(yàn)證，仿真就是為了使得試驗(yàn)更簡(jiǎn)單，更直觀，風(fēng)方便，甚至可以做到一些現(xiàn)實(shí)中無(wú)法做到的假設(shè)試驗(yàn)。
張赫過(guò)定常流動(dòng)和非定常流動(dòng)這兩種情況進(jìn)行不同試驗(yàn)形式的模擬計(jì)算，在得到模擬結(jié)果的同時(shí)，給出相應(yīng)循環(huán)水槽試驗(yàn)結(jié)果，最后做出對(duì)比結(jié)果的分析。其中定常運(yùn)動(dòng)包括模擬直航試驗(yàn)和模擬斜航試驗(yàn)，非定常試驗(yàn)包括模擬平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行的五種操縱性試驗(yàn)。最后在結(jié)論分析中對(duì)上述三種數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行了總體的比較和分析，并由試驗(yàn)結(jié)果給出了用于建立潛水器空間運(yùn)動(dòng)方程的各個(gè)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(yàn)，會(huì)得到意想不到的好處與突破創(chuàng)新。
4.結(jié)論
建立了動(dòng)力學(xué)模型，研究了對(duì)象的水動(dòng)力性能，得到運(yùn)動(dòng)方程所需的水動(dòng)力、重力、浮力、推進(jìn)器作用力等，并在此基礎(chǔ)上建立了以推進(jìn)器為主要操縱方式的運(yùn)動(dòng)仿真系統(tǒng)，對(duì)水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)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(yàn)來(lái)獲得水下機(jī)器人的操縱性能、適航性及受力變化情況，還可以此來(lái)對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)上分析與設(shè)計(jì)。之后我們還可以將水下機(jī)器人的高度智能化進(jìn)行視景仿真來(lái)驗(yàn)證與設(shè)計(jì)。還可以對(duì)某些重要的系數(shù)進(jìn)行參數(shù)識(shí)別的仿真實(shí)驗(yàn)，還要繼續(xù)加強(qiáng)視景仿真的真實(shí)性，來(lái)適應(yīng)需求更高的仿真。 [科]
【參考文獻(xiàn)】
[1]賈欣樂(lè)，楊延生.船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型.大連海事大學(xué)出版社，1999.
[2]張曉頻.多功能潛水其操縱性能與運(yùn)動(dòng)仿真研究.哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008.
[3]長(zhǎng)航程潛水器操縱性能與運(yùn)動(dòng)仿真研究.哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009.
[4]梁宵.微小型水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制及可靠性研究.哈爾濱工程大學(xué)博士學(xué)位論文，2008.
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