交互式自行车模拟器运动生成技术研究

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交互式自行车模拟器系统集计算机技术、传感器技术、机器人技术等于一体，通过运动平台子系统、视觉/听觉子系统，力反馈子系统，将虚拟环境中的自行车运动状态完全实时地映射到模拟器环境中，从而使娱乐者获得真实的骑车感受。本文在分析自行车动力学特点的基础上，建立了自行车-人体系统动力学模型。动力学模型采用拉格朗日方程来建立，并通过四阶龙格-库塔方法对所建立的动力学模型进行求解。为了验证所建立的动力学模型，首先设计了一系列数学仿真试验来验证稳定子模型，将其仿真结果与前人的研究成果作了比较，发现两者具有很好的一致性。其次进行自行车实车试验，通过LabView软件实时采集与处理试验数据，将试验采集的动力学数据与动力学模型仿真结果进行对比分析，验证所建立的模型。根据对比结果曲线的趋势与接近程度，证明了所建立的动力学模型精度较高，满足交互式自行车模拟器的要求。最后还采用ADAMS软件建立白行车一人体系统虚拟样机，并通过人体舒适度标准量化的验证所建立的振动子模型。其次在分析自行车动力学以及运动平台特性的基础上，建立了适合于自行车模拟器的体感模拟算法。算法充分利用了运动平台的体感模拟能力，在运动空间内直接模拟高频加速度，而低频加速度通过倾斜平台，利用重力加速度的分量来模拟。算法通过FOB位姿传感器确定模拟器上骑车者前庭器官的位置，并以此作为算法的滤波中心，从而提高了算法体感模拟的准确度。算法通过预处理模块来预测和控制平台的反冲，削弱了不真实体感。同时还通过人体感知模型来评价算法滤波器系数，减少在模拟器上进行系数测试的次数，从而提高算法滤波器系数调节的效率。第三，为了满足虚拟环境下动力学模型准确仿真路面与车轮间的相互作用，开发了精确的地形数据库。其根据场景道路路面特征进行分类构建，减少地形信息数据量。对于通常的道路采用试验采集的路谱数据，通过纹理作为索引建立地形数据库；对于需要模拟剧烈振动响应的特殊路面采用按区域来划分数据区，实现了一种可以任意精度存储数据的地形数据库，同时通过分扇区及插值算法来保证数据查询的效率及精度。最后，开发了力反馈的控制算法，建立了自行车-人体系统在三维虚拟环境中所受的阻力与踏板及手把力反馈系统硬件间的映射方法。并通过力矩估计的方法获得模拟器上骑车者施加的踏板力矩以及手把力矩。论文对交互式自行车模拟器系统中运动生成的关键技术：自行车动力学模型，体感模拟算法以及虚实映射技术进行了深入研究。并将它们成功应用到了自行车模拟器系统中，为模拟器的真实感与沉浸感奠定了基础。

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作者
何其昌;
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作者单位

上海交通大学;

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授予单位上海交通大学;
学科机械制造及自动化
授予学位博士
导师姓名马登哲;
年度 2006
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类自行车;
关键词
交互式; 自行车模拟器; 运动生成技术;

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