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《上海交通大学》 2009年
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虚拟环境下月球车仿真试验系统及其若干关键技术研究

杨艳春  
【摘要】: 月球车是月球探测工程的重要组成部分,也是实现月球探测目标不可缺少的重要媒介。月球车是用于复杂地形探测的移动机器人,它的研制涉及到多个学科领域,它是人工智能、自动控制、机构学、信息技术及计算机技术等高新技术的结晶。作为一个复杂的系统,月球车软硬件的研究、开发和验证都需要大量的试验,这是一个高时耗并且高成本的过程。借助仿真技术无疑是一种降低成本,提高效率的方式。在建造物理样机之前,研究人员利用软件技术建立机械系统计算机实体模型,进行仿真分析并以图形显示该系统在真实工况下的运动特性,从而修改并优化设计方案。但是传统虚拟样机分析软件在考虑环境对样机的影响方面做得不够,而月球车的工作环境是非常特殊的,并且环境是影响月球车运动性能的一个主要因素,所以需要一个融合月面环境的仿真工具来满足需求。近年来,随着计算机技术的发展,虚拟现实技术的不断成熟,仿真技术有了更有效的手段。本文基于与上海宇航系统工程研究所合作的“嫦娥工程”月球车预研项目《月面可视化建模》、《月球车月面巡视视景仿真》为研究背景,对在虚拟现实环境下开发月球车仿真试验系统RSVE进行了深入的研究。同时,得到了上海市科学技术委员会的支持(课题号:08DZ1110303)。 在详细分析了月球车仿真试验系统RSVE的总体构架、模块构成以及模块与模块之间关系的基础上,重点介绍了系统中的几何建模模块、动力学模块和可视化模块的功能及其设计,从而聚焦到本文的关键技术:真实感虚拟月面生成技术,月球车动力学建模与求解技术,虚拟现实环境下的系统集成与实现技术。 首先,针对月球车仿真过程月面环境建模的准确性问题,为了实现月球车仿真环境的真实性,在分析月球表面特征地形的基础上,提出了一种真实感虚拟月面的建模方法。该方法基于分形算法生成月面基础地形;根据前人对月面陨石坑的统计和计算的经验,得出了陨石坑近似建模的原理和方法;将二维分形算法扩展到三维生成分形石块,根据统计信息,确定陨石坑和石块的分布情况;同时将陨石坑、石块与基础月面地形合理地叠加在一起,其中陨石坑的添加基于对陨石坑形成的两点假设处理新、老陨石坑之间关系、陨石坑与基础地形之间的关系;最后通过添加光照、设置材质属性、纹理映射和阴影处理生成用于月球车运动仿真、动力学计算等多种用途的真实感数字月面。该方法符合实际统计规律,也符合陨石坑形成过程的物理规律,可以在虚拟现实环境下生成真实感和沉浸感较好的数字月面模型。调整各个参数可以生成各式各样的月面数字模型,为月球车提供了一个相当方便和理想的试验场所。 其次,要保真地仿真月球车在月面上的运行就需要一个准确的月球车动力学模型,并能给出求解的方法。月球车行驶在凹凸不平的松软月面之上,考虑到月面几何结构和物理属性对于月球车的运行性能是有至关重要影响作用的,所以要建立一个融合月面环境的月球车动力学模型,这就需要在建立月球车运动学、动力学方程时考虑月球车车轮与月面之间的作用关系,这为月球车动力学模型的建立和求解带来了极大的难度。文章在研究了多刚体运动学、动力学基础上,分析了月球车物理模型的特点,采用基于约束的多体动力学方法对月球车进行动力学建模,并详细介绍了月球车的约束建模。考虑到月球车车轮与地面之间的非完全约束关系,将月球车动力学模型看作是一个线形互补问题(Linear Complementary Problem简称LCP)。然后在研究了车轮与地面作用力关系的基础上,将车轮-地面作用力模型集成到月球车LCP方程。由于模型的复杂性,导致了求解的难度,本文基于时间步长方法对月球车LCP方程进行了处理,并利用PGS和Lemke算法对月球车LCP方程进行了求解。为了验证动力学求解的准确性,利用Matlab+ASSTM就几个特殊工况进行了月球车动力学仿真,通过对比两者的仿真结果来验证RSVE仿真系统所采用的月球车动力学模型的正确性。并进行了真实试验来验证月球车动力学模型的正确性。 第三,基于虚拟现实环境开发月球车仿真试验系统RSVE。月球车仿真试验系统是一个复杂系统,为了节省开发成本和开发效率,不同的模块采用了一些不同的工具集,包括可视化模块基于OpenGL Performer进行开发,几何模型的生成基于Open Flight数据格式。在研究了这些工具集兼容性问题的基础上开发了仿真系统RSVE。为了增强仿真过程中的可视化效果,还研究了由软质月面引起的车轮卷起沙土、车轮沉陷及车辙等特效的实现方法,并结合SGI图形工作站的硬件条件实现了立体显示,增强了仿真平台仿真过程中的沉浸感。 最后,上海宇航系统工程研究所研发的MR-2和MR-3月球试验车在RSVE系统中进行了仿真。从应用角度展示了仿真试验系统的有效性和可扩展性。 论文对在虚拟现实环境下开发月球车仿真试验系统的关键技术:真实感虚拟月面生成技术,月球车动力学建模与求解技术,虚拟现实环境下的系统集成与实现技术进行了深入研究。并将它们成功应用到了月球车仿真试验系统中,实现了月球车仿真的真实感与沉浸感,为月球车软、硬件的研发和验证提供了系统层面的仿真工具。
【学位授予单位】:上海交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:V476.3

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【引证文献】
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1 院老虎;六轮非对称月球车运动控制方法及参数辨识研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
2 李白云;面向机器人自主导航的仿真关键技术研究[D];南京理工大学;2011年
【参考文献】
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1 蔡则苏,洪炳熔,刘玉强,魏振华;基于虚拟样机的月球探测机器人运动学建模[J];哈尔滨工业大学学报;2004年02期
2 马登武;叶文;成学军;;基于分形迭代的地形模拟算法研究[J];海军航空工程学院学报;2005年04期
3 康玲,董纯;基于OpenGL Performer的流域可视化仿真研究[J];华中科技大学学报(自然科学版);2003年06期
4 夏玉华,梁斌,强文义,刘良栋;月球漫游车关键技术初探[J];机器人;2001年03期
5 王志,王洁宁,崔振新;地形模拟中的多重分形技术概述[J];计算机工程;2005年S1期
6 陶闯,林宗坚,卢健;分形地形模拟[J];计算机辅助设计与图形学学报;1996年03期
7 李艳,林廷圻,高峰;一种3自由度移动机器人的动力学模型[J];机械科学与技术;2004年04期
8 居鹤华,崔平远,崔祜涛;具有滑移的摇臂式月球车建模与控制[J];机械工程学报;2005年09期
9 吴潇璇;;真实感图形应用技术[J];考试周刊;2008年10期
10 欧阳自远,邹永廖,李春来,刘建忠,徐琳;月球探测与人类社会的可持续发展[J];矿物岩石地球化学通报;2003年04期
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1 翟丽平;基于MultiGen的虚拟现实三维建模技术研究与实现[D];重庆大学;2005年
2 白冰;基于Kalman滤波的月球车视觉导航算法研究[D];哈尔滨工业大学;2006年
【共引文献】
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1 侯龙清,徐红梅;理论力学教学改革的实践[J];安徽工业大学学报(社会科学版);2002年04期
2 ;A linear complementarity model for multibody systems with frictional unilateral and bilateral constraints[J];Acta Mechanica Sinica;2011年04期
3 王嵩;王东;马传波;于国梁;贺祉瑄;;浑河沈阳城市段三维数字仿真系统研究[J];现代农业科技;2011年16期
4 宋宇,陈无畏;汽车麦克弗森滑柱式悬架多刚体模型的建立及仿真[J];安徽农业大学学报;2003年03期
5 蒋林华;试析太极拳技击运动中的力学原理[J];安庆师范学院学报(自然科学版);2002年03期
6 葛友刚;贾志绚;李捷;董永富;;基于ADAMS/Car的车辆频率响应仿真分析[J];辽宁科技大学学报;2012年01期
7 汤萍;余承辉;;基于ADAMS软件的机械动力学建模过程分析[J];安徽水利水电职业技术学院学报;2010年04期
8 范岩萍;罗学科;杨方廷;;基于MultiGen Creator的复杂飞机模型建模方法研究[J];北方工业大学学报;2009年03期
9 修乃华,吴红红;关于凸二次规划的解唯一性[J];北方交通大学学报;2001年03期
10 李开成;刘丽娟;;视景仿真的屏蔽门系统在地铁列控系统中的应用[J];北京交通大学学报;2009年05期
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1 曹洁;吕敬;王琪;彭慧莲;;含滚动摩阻非光滑多体系统动力学方程的数值计算方法[A];第十三届全国非线性振动暨第十届全国非线性动力学和运动稳定性学术会议摘要集[C];2011年
2 芮筱亭;戎保;;多体系统传递矩阵法研究进展[A];第十三届全国非线性振动暨第十届全国非线性动力学和运动稳定性学术会议摘要集[C];2011年
3 龙威;赵彬;;精密空气静压导轨组件传动系统的设计与分析[A];第十五届流体动力与机电控制工程学术会议论文集[C];2011年
4 陈磊;马杰;高海波;;八轮月球车运动学建模[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
5 张赫;庞永杰;唐旭东;秦再白;;基于VC和Vega联合开发的智能水下机器人仿真系统[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
6 彭丽媛;李晖;居鹤华;;崎岖地形环境中月球车的动力学建模与仿真[A];中国自动化学会控制理论专业委员会B卷[C];2011年
7 迟媛;余嘉;蒋恩臣;;基于ADAMS的动力差速式转向机构的运动学仿真[A];中国农业工程学会2011年学术年会论文集[C];2011年
8 万晓峰;;基于Virtual.Lab软件平台的转向节疲劳寿命预测[A];首届中国CAE工程分析技术年会暨2005全国计算机辅助工程(CAE)技术与应用高级研讨会论文集[C];2005年
9 马东兴;岳林;;基于虚拟样机技术的四足机器人步态设计与仿真[A];第三届中国CAE工程分析技术年会论文集[C];2007年
10 王红岩;芮强;;虚拟样机技术在装甲装备研制与开发中的应用[A];第三届中国CAE工程分析技术年会论文集[C];2007年
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1 肖毅;体育赛事背景广告曝光参数虚拟预测研究[D];上海体育学院;2010年
2 常艳艳;水下运载器对接装置虚拟仿真系统关键技术研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
3 查云飞;类菱形车转向系统研究与分析[D];湖南大学;2010年
4 陈海卫;波轮式全自动洗衣机脱水振动与抑制机理的研究[D];江南大学;2010年
5 童伟;整体耦合式消扭悬架系统原理及其运动学和动力学研究[D];华南理工大学;2010年
6 姚廷强;球轴承多体接触动力学研究[D];昆明理工大学;2009年
7 杨族桥;DEM多尺度表达研究[D];武汉大学;2009年
8 庄梅玲;三维衣身原型曲面展平技术的研究[D];东华大学;2010年
9 许增金;大型往复式压缩机轴系动力学特性研究[D];沈阳工业大学;2011年
10 刘永强;基于磁流变阻尼器的高速动车组半主动控制与时滞分析[D];北京交通大学;2011年
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1 廖国瑞;降雨过程中不同粗糙度土表微地貌特征演变与三维模型的建立[D];华中农业大学;2010年
2 于张喜;立式刨切机机构设计优化[D];山东科技大学;2010年
3 刘岩;男子散打运动员转身后踢技术的生物力学分析[D];上海体育学院;2010年
4 姜波;挠性驱动盘疲劳试验台的研制[D];长春理工大学;2010年
5 王禹;双质量飞轮扭转疲劳试验台的研究[D];长春理工大学;2010年
6 梁鹏飞;基于数字化功能样机的炸药破碎机性能分析[D];长春理工大学;2010年
7 史永伟;轮式装载机驱动桥多体动力学仿真分析[D];浙江理工大学;2010年
8 胡宇龙;自由节曲线非圆齿轮引纬机构运动学反求设计与试验[D];浙江理工大学;2010年
9 石奇波;虚拟化学实验的建模技术研究[D];郑州大学;2010年
10 张艳丽;基于OSG的虚拟化学实验平台的研究[D];郑州大学;2010年
【同被引文献】
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1 邹永廖,欧阳自远;重返月球——垦殖者的希望[J];百科知识;1999年03期
2 苏胜利;项志宇;;基于二维激光雷达的自动室内三维重建系统[J];传感技术学报;2007年05期
3 欧阳自远;我国月球探测的总体科学目标与发展战略[J];地球科学进展;2004年03期
4 闫超勤,徐文龙,王效杰;非线性反馈线性化方法在轮式移动机器人的应用[J];电子科技;2005年01期
5 欧阳自远;月球探测的进展与中国的月球探测[J];地质科技情报;2004年04期
6 石晓波;李运泽;黄勇;王浚;;月球表面环境综合模拟系统的设想[J];中国工程科学;2006年11期
7 叶培建;肖福根;;月球探测工程中的月球环境问题[J];航天器环境工程;2006年01期
8 张宇,唐勐,陈锺贤,吴杰,孙秀冬,苏建忠,刘锋,崔玉平;直接探测激光雷达系统的建模与仿真[J];红外与激光工程;2004年06期
9 易翔,王蔚然;激光雷达系统仿真软件设计与实现[J];激光与红外;2003年03期
10 李春明;苏波;江磊;卢国轩;;面向行驶安全性的月球车行走系统FDTM总体设计[J];机器人技术与应用;2008年03期
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1 刘华军;面向智能车辆的道路环境理解技术研究[D];南京理工大学;2007年
2 成伟明;移动机器人自主导航中的路径规划与跟踪控制技术研究[D];南京理工大学;2007年
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1 谭智;月球车静力学分析及单轮实验装置的设计与研究[D];哈尔滨工业大学;2008年
【二级参考文献】
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1 ;Optimizing Real-Time Performance of 3D Virtual Mining Environment with MultiGen Creator[J];Computer Aided Drafting,Design and Manufacturing;2004年01期
2 陶闯,陶本藻;分形布朗随机过程的统计分析及其应用前景[J];测绘通报;1994年03期
3 舒娱琴,唐丽玉,彭国均;采用Creator生成三维地形[J];测绘信息与工程;2003年05期
4 欧阳自远,邹永廖,李春来,刘建忠;月球某些资源的开发利用前景[J];地球科学;2002年05期
5 任庆东,赵明辉,李龙,陈跃彬;场景模型的建立及快速显示[J];大庆石油学院学报;2002年02期
6 邹永廖,欧阳自远,徐琳,刘建军,胥涛;月球表面的环境特征[J];第四纪研究;2002年06期
7 陈,韦庆,王正志;一个监控式局部自主机器人控制器的实现与分析[J];国防科技大学学报;1998年05期
8 佳;深空探测技术与应用科学国际研讨会召开[J];国际航空;2002年09期
9 王巍,梁斌,刘良栋,强文义;月球机器人高精度定位模糊神经网络直接自适应控制[J];高技术通讯;2001年08期
10 刘伟军,董再励,郝颖明,朱枫;基于立体视觉的移动机器人自主导航定位系统[J];高技术通讯;2001年10期
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1 徐刚锋;空间交会对接中光学测量技术研究[D];中国人民解放军国防科学技术大学;2002年
2 舒帆;利用虚拟现实技术实现集装箱堆场的可视化[D];上海海事大学;2003年
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5 沈旭涛;;数字建筑不朽之城——议虚拟现实技术在建筑设计领域的应用[J];四川建筑;2006年03期
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8 王娜;;基于虚拟现实的防洪减灾预警系统的研究[J];资源与人居环境;2007年10期
9 王志鸿;;室内设计中的虚拟现实技术[J];科技创业月刊;2007年10期
10 有人;陈定方;;虚拟现实环境中的物理模拟及物理引擎应用的研究[J];湖北工业大学学报;2008年02期
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1 李鸿基;王阳生;徐国庆;张秀峰;张满囤;;截肢上肢肌电信号处理及康复训练系统设计[A];第七届全国康复医学工程与康复工程学术研讨会论文集[C];2010年
2 吴军;黄剑;王永骥;;集成运动意图辨识与虚拟现实环境的上肢康复机器人[A];第二十九届中国控制会议论文集[C];2010年
3 ZASLER;;REO THERAPY REOGO[A];首届全国脑外伤治疗与康复学术大会论文汇编(上)[C];2011年
4 徐龙桥;;刚体动力学引擎在船舶仿真中的应用[A];2011年CAD/CAM学术交流会议论文集[C];2011年
5 刘晓明;傅作民;王贵芳;;“和平方舟”号医院船数字化设计[A];2011年CAD/CAM学术交流会议论文集[C];2011年
6 杨东晓;高明君;于永利;;用于维修性设计的虚拟现实系统信息建模研究[A];面向制造业的自动化与信息化技术创新设计的基础技术——2001年中国机械工程学会年会暨第九届全国特种加工学术年会论文集[C];2001年
7 邵引平;李瑞鹏;;WTK环境下的碰撞检测算法的应用[A];信号与信息处理技术——第一届信号与信息处理联合学术会议论文集[C];2002年
8 张红旗;王璐;石磊;陈科;;数字化设计方法在军事电子装备研制中的应用[A];2004“安徽制造业发展”博士科技论坛论文集[C];2004年
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1 宋莉;SGI携手故宫保护文化遗产[N];科技日报;2004年
2 明欣;真实的虚拟环境[N];中国计算机报;2003年
3 左雅丽;教育:平静下的理性转型[N];中国教育报;2005年
4 沈亚军;发展信息化农业[N];福建日报;2001年
5 ;虚拟演播室的发展[N];计算机世界;2000年
6 记者毛磊;虚拟诱惑场景 测试戒烟效果[N];人民日报;2003年
7 清华大学计算机系高性能所 刘鹏;卓尔不凡的网格应用[N];计算机世界;2004年
8 宁津生 陈军 晁定波;数字地球的科学畅想[N];中国测绘报;2001年
9 本报记者 李一萍;二十一世纪制造技术创新策略[N];中国机电日报;2000年
10 彭亮光;虚拟现实技术[N];中国矿业报;2000年
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1 郭燕舞;虚拟现实技术在神经外科的临床应用研究[D];南方医科大学;2008年
2 孙瑾;虚拟现实中若干图像关键技术研究[D];南京航空航天大学;2008年
3 姚红玉;基于教师专业化发展的虚拟导师系统设计[D];华东师范大学;2006年
4 王洁宁;面向虚拟现实环境的自然现象模拟关键技术的研究[D];天津大学;2005年
5 周德闯;基于虚拟现实平台的火灾场景计算与仿真研究[D];中国科学技术大学;2009年
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7 吴卿;基于高分辨率遥感影像的水土保持生态建设监测方法研究[D];北京林业大学;2007年
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9 李晖;船舶减摇鳍系统智能控制及其可视化仿真的研究[D];大连海事大学;2003年
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4 王鹏;基于虚拟现实的人体建模及服装结构设计技术的研究[D];江南大学;2005年
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