用于避障研究的微型仿生机器鱼三维仿真系统

摘要

微型仿生机器鱼因其具有体积小、驱动性能高、噪声低、灵活性好和适应性强等诸多优点,目前已成为机器鱼研究领域的热点问题。在其研究过程中,利用虚拟现实技术的三维仿真系统,扮演着重要的角色。它可以降低机器鱼研发过程中的不可预见性和风险性以及研发的费用,缩短研发的周期。
　　 本文以实验室自主开发的ICPF驱动的微型仿生机器鱼为原型,开发了用于避障研究的微型仿生机器鱼三维仿真系统。
　　 首先,研究了在OpenGI,中借助3DMax三维建模工具和PolyTrans文件格式转换软件建立机器鱼静态模型的方法。通过对机器鱼尾鳍摆动特性的分析,得到了机器鱼尾鳍摆动的离散方程,从而建立了机器鱼的动态模型。使用OpenGL的清屏和雾化等渲染特效,最终建立了逼真的仿真环境。
　　 然后,实现了环境逼真、功能丰富的人机交互界面,为用户提供了设置仿真环境、控制系统运行、多视角观察等功能,满足了用户的不同需求。
　　 接着,提出了一种模拟红外传感器探测障碍物特性的虚拟射线法。将机器鱼和传感器局部坐标系选为与三维仿真系统的世界坐标系一致,简化了虚拟射线法探测障碍物时坐标变换的计算难度。并且提出了基于包围球的球体类障碍物的探测方法和基于包围盒的柱体类障碍物的探测方法,解决了仿真环境中不同类型障碍物探测难的问题。
　　 通过设计包含两个转角模糊控制器和一个速度模糊控制器的复合模糊控制器,决策机器鱼的避障行为。由于该复合模糊控制器不需要建立仿真环境的模型,并且算法的复杂度低,因此,可以满足机器鱼避障的实时性要求。
　　 最后,在开发的三维仿真系统中,对多种障碍物环境中机器鱼的避障进行了仿真实验。结果表明本文开发的三维仿真系统能较逼真和可靠地模拟实际情况,提出的模拟传感器特性的虚拟射线法能全面地探测环境中的障碍物,设计的复合模糊控制器能有效地引导机器鱼从起始点无碰撞地到达目标点,且系统仿真环境炫丽、逼真,用户交互界面良好。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 微型仿生机器鱼研究现状

1.3 仿生机器鱼三维仿真的研究现状

1.3.1 国外研究现状

1.3.2 国内研究现状

1.4 系统的整体结构及论文研究内容

第2章 机器鱼模型及仿真环境的建立

2.1 引言

2.2 机器鱼模型的构建过程

2.3 机器鱼静态模型的建立方法

2.3.1 机器鱼整体模型的构建

2.3.2 机器鱼模型文件的处理

2.3.3 读取和转换模型文件的比较

2.3.4 机器鱼静态模型的建立

2.4 机器鱼动态模型的构建

2.5 仿真环境的建立

2.5.1 水下环境的模拟

2.5.2 目标和障碍物的构建

2.5.3 水下能见度的模拟

2.6 本章小结

第3章 三维仿真系统的实现

3.1 系统软硬件开发环境介绍

3.1.1 硬件开发环境的选择

3.1.2 软件开发环境的介绍

3.2 系统框架的构建

3.2.1 用户界面的创建

3.2.2 开发环境的设置

3.2.3 图形接口的实现

3.3 系统的设计与功能实现

3.3.1 系统的总体结构与运行流程

3.3.2 系统功能的实现

3.4 本章小结

第4章 传感器的仿真及障碍物的探测

4.1 传感器的特性分析及配置研究

4.2 传感器特性的模拟

4.3 坐标系及坐标变换的实现

4.3.1 系统的坐标系及坐标变换介绍

4.3.2 传感器探测障碍物的坐标变换研究

4.4 障碍物探测方法的研究

4.4.1 基于包围球的球体类障碍物的探测

4.4.2 基于包围盒的柱体类障碍物的探测

4.5 本章小结

第5章 复合模糊控制器的设计及避障仿真实验

5.1 模糊逻辑理论与模糊控制系统介绍

5.2 实体机器鱼的基本特性

5.3 复合模糊控制器的设计

5.3.1 复合模糊控制器的总体结构

5.3.2 L1、R1转角模糊控制器的设计

5.3.3 L2、R2转角模糊控制器的设计

5.3.4 速度模糊控制器的设计

5.4 避障仿真实验及结果分析

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢