水下运载器对接装置虚拟仿真系统关键技术研究

摘要

水下对接技术是具有干式援救功能的水下运载器的关键技术之一,主要应用于深潜救生艇对对接目标的援救工程。“九五”期间试验室进行了国防重点预研项目“深潜救生艇新型智能对接装置研究”,新型智能对接装置即带四只机械手的主动对接装置的研制历经了5年,耗资约180万。为满足新的水下对接要求,目前,试验室正在进行“水下运载器新型对接裙口”实体模型的研制和试验,其耗时耗资也比较巨大。本文即以此为背景,建立一个水下运载器对接装置的虚拟仿真系统,意在缩短对接装置的研制周期,节约其研制成本。该系统提供一个虚拟仿真的基础平台,能对多种对接装置进行虚拟仿真试验,从而对对接装置的工作性能进行评价,以便改进和完善结构设计。围绕建立水下运载器对接装置虚拟仿真系统,论文对虚拟场景的三维建模及可视化,深潜救生艇及主动对接装置仿真数学模型的解算、潜救对接的仿真计算及虚拟仿真系统的集成等技术进行了研究。
　　 在水下运载器对接装置虚拟仿真系统的研究中,主要是针对带主动对接装置的深潜救生艇水下干救的对接技术开展研究。首先对带机械手主动对接装置的结构和总体方案进行分析,为虚拟仿真系统的实体建模提供依据。对带主动对接装置的深潜救生艇的水下对接过程进行分析,确定深潜救生艇及其主动对接装置的作业方法和步骤,为虚拟仿真系统的控制算法打下基础。结合带机械手的主动对接装置的结构,对其作业范围和自由度进行分析,并建立深潜救生艇主动对接装置的运动学方程。
　　 参照深潜救生艇自航模BSAV-I及主动对接装置模型,对虚拟仿真系统中的对象进行实体化建模;结合主动对接装置机械手的实际运动,为对接装置机械手模型建立了局部坐标系及运动自由度;为满足虚拟仿真实时交互性的要求,在虚拟场景的三维实体建模中,采用简化结构,纹理贴图,实例化,基于图像的场景建模,小面积地形等方法,尽量减少系统的实时渲染量;通过模型加载、环境设置、海洋模块和粒子特效等数字化仿真手段来模拟水下对接环境,实现虚拟场景的三维可视化。对虚拟场景的漫游控制进行研究。
　　 针对三维虚拟仿真的三个层次,将水下潜救对接的三维可视化与深潜救生艇及主动对接装置的仿真数学模型相结合,来构建实时交互的虚拟仿真系统。在对深潜救生艇BSAV-I受力分析的基础上,建立深潜救生艇仿真数学模型;通过分析主动对接装置执行机构的特点,建立机械手的仿真数学模型。建立救生艇水下潜救对接的仿真计算程序,使仿真计算既具有实时性又能较真实地反映救生艇的水下对接规律。对视景显示的实时性,仿真计算与视景显示的同步与通信等方面进行研究,实现仿真计算与视景显示相结合的实时交互。本文设计了虚拟仿真系统的基本结构,解决了其集成的关键技术问题:MFC框架下基于Vega应用程序的实现,人机交互等。
　　 本文基于水下运载器对接装置虚拟仿真系统,进行了主动对接装置对接碰撞检测和对接虚拟仿真试验,从而验证了主动对接装置的对接能力和作业方式,初步开发出一个水下运载器对接装置的虚拟仿真平台,为新一代水下运载器对接装置的研发打下了一定基础。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 概述

1.2 深潜救生艇对接装置及水下对接技术发展概况

1.2.1 深潜救生艇及对接装置的研究进展

1.2.2 水下对接技术综述

1.2.3 深潜救生艇及对接装置的发展趋势

1.3 水下三维虚拟仿真技术的发展

1.3.1 三维虚拟仿真关键技术

1.3.2 水下三维虚拟仿真技术研究现状

1.4 论文主要研究内容

第2章 深潜救生艇主动对接装置的总体方案及运动分析

2.1 引言

2.2 水下对接装置的总体方案分析

2.2.1 水下主动对接装置技术方案

2.2.2 BSAV-I对接装置的结构方案

2.3 BSAV-I水下对接作业方式分析

2.4 BSAV-I及主动对接装置的作业步骤

2.5 主动对接装置的作业范围

2.5.1 捕捉目标环的位置

2.5.2 主动对接装置机械手作业范围分析

2.5.3 带机械手的BSAV-I 作业能力分析

2.6 主动对接装置的运动方程

2.6.1 主动对接装置的运动度

2.6.2 坐标系的建立

2.6.3 主动对接装置运动方程的建立

2.7 本章小结

第3章 虚拟场景三维建模及可视化研究

3.1 引言

3.2 场景建模模式与软件开发平台

3.2.1 建模模式

3.2.2 软件开发平台

3.3 三维场景建模

3.3.1 基于几何的场景建模

3.3.2 基于图象的场景建模

3.3.3 海底地形环境建模

3.4 三维图形显示原理

3.4.1 坐标系定义

3.4.2 图形变换

3.5 虚拟场景三维可视化软件平台及应用程序框架

3.5.1 软件平台

3.5.2 应用程序框架

3.5.3 Vega三维场景生成原理

3.6 虚拟场景的三维可视化与漫游

3.6.1 三维图形显示

3.6.2 场景漫游控制

3.7 海流的模拟

3.8 本章小结

第4章 艇体及对接装置的仿真数学模型

4.1 引言

4.2 坐标系的建立

4.2.1 固定坐标系与运动坐标系

4.2.2 深潜救生艇的主要姿态参数

4.2.3 固定坐标系和运动坐标系的转换

4.3 深潜救生艇运动仿真数学模型

4.3.1 深潜救生艇的受力分析

4.3.2 深潜救生艇运动的一般方程

4.3.3 艇体水动力

4.3.4 重力和浮力

4.3.5 海流影响

4.3.6 推进器推力

4.3.7 纵横倾调节机构

4.3.8 艇体运动仿真数学模型

4.4 深潜救生艇运动方程的仿真解算

4.4.1 微分方程求解

4.4.2 仿真计算方法

4.5 主动对接装置的仿真数学模型

4.6 本章小结

第5章 虚拟仿真系统的集成

5.1 引言

5.2 虚拟仿真系统的总体组成框架

5.3 水下对接的仿真分析及程序设计

5.3.1 BSAV-I下水后的航向计算

5.3.2 对接目标救生平台法线方向的确定

5.3.3 水下对接仿真程序设计

5.4 虚拟仿真系统结构设计

5.4.1 数据输入与数据处理

5.4.2 模型数据库

5.5 MFC框架下的基于Vega的应用程序

5.5.1 MFC的基本框架

5.5.2 MFC框架下Vega应用程序的实现

5.6 虚拟仿真系统实时数值模拟研究

5.7 虚拟仿真系统交互性研究

5.7.1 实时交互的人机界面

5.7.2 实时交互的实现

5.8 本章小结

第6章 对接装置模拟试验研究

6.1 引言

6.2 虚拟仿真系统实现功能

6.3 虚拟仿真系统的模拟试验研究

6.3.1 对接碰撞检测

6.3.2 对接虚拟仿真试验

6.3.3 试验结果分析

6.4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢

个人简历