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虚拟人及其在某型武器维修训练系统中的应用研究

李洁  
【摘要】: 随着武器装备结构越来越复杂、科技含量越来越高,对维修人员素质、维修训练模式提出了更高的要求,传统的实装、录像、挂图等维修训练模式很难达到预期的训练效果。近年来,虚拟现实技术在维修工程领域经实践检验并得到了深入应用,逐步成为改善产品的维修性设计、提高维修训练质量的重要方法之一。虚拟维修可以完成许多在真实环境中难实施的维修训练,同时可以减少维修和训练成本。通过虚拟维修技术,工程技术人员可以分析并找出操作对象的维修性问题,维修人员也可以通过虚拟维修系统进行仿真维修训练。 主要针对目前国内外虚拟维修系统运用过程中出现的模型运动计算量过大、缺乏连贯性和逼真性等问题,对虚拟维修系统中虚拟人体建模技术与虚拟人维修动作控制进行了深入研究。分析了虚拟维修系统中虚拟维修人模型的建模方法,虚拟维修动作参数化方法和各种维修动作的描述与合成;探索了基于运动学、动力学和运动捕获数据的混合虚拟维修动作驱动算法和虚拟维修动作的交互特征建模,利用虚拟现实技术和CAD技术实现各种维修动作的逼真渲染,最后在“某型航空导弹虚拟维修测试系统”的课题中对所提出的概念和方法进行了验证。具体研究内容如下: (1)研究虚拟维修人建模技术。虚拟人模型是虚拟维修仿真系统的基础,对提高仿真系统的完备性,增加系统仿真质量具有至关重要的作用。虚拟维修仿真中,虚拟维修人模型及其维修动作复杂程度高,需要建立动态、灵活、逼真的虚拟人模型。主要对复杂装备虚拟维修系统中虚拟维修人模型的维修特征展开研究,提出了虚拟维修人(Virtual Maintenance Humanoid)的概念,并建立了虚拟维修人模型,该模型兼容H-Anim和MPEG等相关的国际标准。 (2)研究虚拟维修人关节链模型的运动参数化方法。在研究现有参数化方法的基础上,提出了一种快速高效的四元数权值关节参数化方法。使用该方法生成的虚拟维修人的动作流畅,避免了运动的奇异性。提取的最优权值,一方面可以自动生成复杂虚拟维修环境中逼真的维修动作,另一方面可以实现虚拟维修人手部的皮肤变形。 (3)研究虚拟维修人维修动作驱动算法,提出了一种基于合成的逆向运动学算法。该算法根据虚拟维修人趋近动作的速度、方向和轨迹因素,跟踪雅可比转置(JT)算法的收敛度,把维修动作过程分为TA和TO阶段,解决JT逆向运动学算法收敛度差的问题,驱动生成快速逼真的虚拟维修动作。对虚拟维修人最为复杂的手部动作,合成算法应用数据手套驱动实现复杂维修动作的生成。 (4)研究虚拟维修人、虚拟维修对象以及虚拟维修工具间的交互特征。在研究基于虚拟维修人和虚拟维修对象交互特征的基础上,提出了基于维修动作分类的交互模型,该交互模型源于并行思想,首先对维修动作进行分类,抽象生成维修动素,依照维修动素与维修对象的交互特征实现交互决策与碰撞检测,实现了复杂精细维修动作的交互;其次建立了交互实体信息模型,确保能够描述虚拟维修场景中的所有对象。 (5)研究基于运动捕获的全身关节参与的维修动作生成方法。提出基于维修动作复杂程度和维修动作特征的运动捕获数据匹配方法,该方法主要用于生成涉及全身关节的复杂维修动作,具备逼真性,快速性的特点。 引入虚拟人到大型复杂武器装备虚拟维修训练系统中,是一个有前途的研究领域。论文的研究将提供科学的参考,具有广阔的应用前景。


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