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虚拟现实技术在桥吊仿真训练器中的应用

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独创性说明和大连理工大学学位论文版权使用授权书

1绪论

1.1课题背景

1.2虚拟现实研究领域和发展状况

1.2.1虚拟现实研究领域

1.2.2国外发展概况

1.2.3国内发展状况

1.3本课题研究的理论意义和现实意义

1.3.1理论意义

1.3.2桥吊仿真训练系统的现实意义

1.4本文的主要工作

2基于虚拟现实技术的系统架构与设计

2.1模型架构

2.1.1桥吊起重机及其工作环境模型

2.1.2动力学模型

2.2虚拟现实引擎架构

2.2.1引入虚拟机器人的漫游引擎架构

2.2.2碰撞检测引擎

2.2.3硬件驱动通信引擎

2.3系统的实现框架

2.3.1面向对象的设计思想

2.3.2系统支持平台

2.3.3软件体系架构

2.4.4仿真训练体系架构

3桥吊仿真的几何建模

3.1模型空间层次结构分析

3.1.2桥吊起重机基础结构

3.1.2 OpenFlight场景数据库简介

3.1.3空间组织结构分析图

3.2独立模型层次关系

3.2.1大车模型及其关系

3.2.2小车和驾驶室模型及其关系

3.2.3起吊绳索模型及其关系

3.2.4吊具模型及其关系

3.2.5集装箱模型及其关系

3.2.6操作手柄模型

3.2.7地理场景模型

3.3建模优化技术的运用

3.3.1 LOD 技术

3.3.2多分辨率纹理贴图技术

3.3.3透明贴图原理

3.3.4面片建模与贴图要求

3.3.5模型转换优化

4动力学模型的二维与三维构建

4.1二维空间的动力学模型构建

4.2三维空间的动力学模型构建

4.2.1物理运动模型分析

4.2.1运动方程的建立

4.2.1状态方程的求解与仿真

4.3动力学模型的通信关系

5虚拟漫游引擎的实现

5.1碰撞检测引擎的实现

5.1.1规则长方体包围盒算法

5.1.2 WorldToolKit交叉检测算法

5.1.3层级包围球检测算法

5.1.4引擎输入输出参量

5.1.6程序实现结构

5.2虚拟场景中的几何变换

5.2.1变换矩阵

5.2.2平移变换

5.2.3绕坐标轴的旋转变换

5.2.4状态控制机制和程序实现结构

5.3虚拟机器人检测流程算法

5.4虚拟漫游引擎的实现

6基于硬件设备的立体合成

6.1硬件设备综述

6.1.1 Ascension Flock ofBird鸟群跟踪传感器

6.1.2数据手套

6.1.3数字头盔

6.1.4 BARCO Gemini被动立体投影系统

6.2立体显示控制

6.2.1软件立体控制模块

6.2.2投影机同步控制

6.3仿真课程的管理与训练

6.3.1初始化模块

6.3.2课程管理模块

6.3.3实时课程训练模块

6.4总体设备连接与桥吊仿真训练系统的合成

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢

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摘要

基于虚拟现实技术的桥吊仿真训练器是集场景模型仿真、设备通讯、驾驶课程训练为一体的综合性训练系统。本文以港口起重机装卸集装箱工作环境为研究背景,运用虚拟现实相关技术,研制开发了具有实时场景三维立体仿真、人机实时交互控制、定制训练课程等主要功能的桥吊仿真训练系统,并提出了基于虚拟机器人的漫游引擎设计,运用状态方程描述动力学模型以及碰撞检测引擎平台的设计与实现,具有重要的实践意义和参考价值。 本文结合桥吊起重机的结构和工作状态,分析了目前主要的三维建模技术和方法,采用一种基于3DMax软件的建模方法。应用了多纹理贴图技术、LOD细节层次技术和优化软件WUModeler对模型进行优化和物理重心校正,大大降低了多边形数量,提高运算和渲染效率。在动力学模型建模方面,以起重机各部分物理运动状态分析的为基础,建立了二维和三维空间的动力学方程,结合状态方程进行表示,并采用龙格库塔四阶法对状态方程求解,对每个时刻模型的运动状态进行描述和输出。虚拟漫游引擎是本文的重点,通过提出引入虚拟机器人模型来设计实现,主要设计了漫游检测的流程算法,对模型的加载、场景的调度、视点变换、虚拟机器人映射、状态交互控制机制、碰撞检测引擎封装与调用等核心功能进行了实现。本文自行设计了一种适用于规则长方体包围盒的碰撞检测算法,结合WorldToolKit虚拟现实支持类库提供的算法和层级包围球算法,提供多种检测输入输出方式,实现了碰撞检测引擎。硬件方面,对相关的硬件设备进行驱动与通信研究,实现了鸟群传感器和跟踪器、数据手套、数字头盔、驾驶操作台、立体投影设备等与计算机软件系统的通信,并对虚拟现实中的几何模型及其运动进行操纵,以立体转换信号输出,实现立体仿真。 最后,运用VC++开发环境实现仿真训练器的软件平台和训练模块,实现虚拟现实各种硬件设备与计算机软件系统的整体合成。

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