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火星车三维视景仿真系统的研究与实现

赵静  
【摘要】:火星车是火星探测任务中的重要组成部分,也是人类了解火星不可缺少的媒介。作为一个复杂系统,火星车软硬件的设计、开发和验证都需要大量试验,这是一个高耗时且高成本的研究过程,因此仿真技术成为火星车研究的一个重要组成部分。传统的动力学仿真软件多采用规则结构来构造火星地形,与实际火星车行驶环境不符合,仿真效果不够逼真,且火星车在进行探测任务时难以根据实地环境选取最优路径。为了提高火星探测仿真的真实性,合理规划火星车探测路径,本文在虚拟现实的环境下构造火星地面基本特征模型,通过改进的蚁群算法完成了火星车探测路径规划,并验证了改进后算法的可靠性。本文的工作从以下几个方面展开:首先,本文针对火星地形地貌调研,得出火星环境仿真的基本特征及主要参数,并依据此环境特征在虚幻引擎4的开发环境中构造真实感火星仿真环境。通过灯光模型和纹理映射方法描绘火星地形地貌,采用粒子系统技术模拟火星沙尘效果,利用物理引擎插件实现火星环境的物理特性,最终实现了真实感火星仿真环境。其次,采用专业的三维建模工具3DS MAX搭建火星车模型,通过模型转化的方式将火星车模型与构建好的火星环境模型结合,并在仿真场景中添加多种特效,使得仿真界面更加逼真。采用视点跟踪技术,多视点、全方位的实现了火星场景漫游,最后结合虚幻引擎4和3DS MAX编写程序实现了火星车实时人机交互。随后,为了实现火星车在火星环境下的探测任务,需要对火星车的行驶路径进行路径规划。基于传统的蚁群算法具有容易陷入局部最优、规划速度慢等问题,本文提出了一种基于改进信息素更新方法,提高了三维路径规划的准确度,避免了搜索陷入局部最优。最后在MATLAB中进行了仿真验证,结果证明了该方法的有效性。最后,以虚幻引擎4作为视景仿真平台,将改进后的蚁群算法得到的最佳路径规划路线部署到火星仿真环境中,完成了从任务起点到目标点的火星探测任务视景仿真。


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