虚拟人及其在某型武器维修训练系统中的应用研究

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。

目录

摘要

Abstract

目录

1 绪论

1.1 引言

1.2 本课题研究的相关技术

1.2.1 虚拟现实技术研究现状与分析

1.2.2 虚拟维修技术研究现状与分析

1.2.3 虚拟样机技术研究现状与分析

1.2.4 虚拟人建模与运动控制技术研究现状与分析

1.3 本课题研究的目的与意义

1.3.1 目的

1.3.2 意义

1.4 研究工作及内容组织

1.5 本章小节

2 虚拟维修人建模

2.1 虚拟人建模综述

2.2 虚拟维修人

2.2.1 VMH概念的提出

2.2.2 人机工效学与人体测量学

2.2.3 VMH建模分析

2.2.4 VMH人体模型设计

2.3 VMH骨骼建模

2.3.1 骨骼建模相关术语

2.3.2 骨骼系统与人体测量学

2.3.3 关节建模

2.4 VMH隐含表面层建模

2.5 VMH皮肤层建模

2.6 本章小结

3 VMH运动参数化研究

3.1 运动参数化

3.2 DH参数化方法

3.3 其它参数化方法

3.3.1 旋转矩阵参数化

3.3.2 "欧拉角"参数化

3.3.3 四元数参数化

3.3.4 指数映射参数化

3.3.5 参数化方法比较

3.4 四元数权值关节方法

3.4.1 模型参数化

3.4.2 参数转换

3.4.3 权值函数设计

3.4.4 参数约束方法

3.4.5 仿真实例

3.5 各种类型关节的参数化

3.5.1 关节参数化

3.5.2 坐标系统

3.5.3 revolute类型关节的参数化

3.5.4 ball-and-socket类型关节的约束

3.5.5 关节约束与耦合分析

3.6 任务冲突的参数化

3.6.1 任务冲突的产生与解决

3.6.2 权值策略

3.7 本章小结

4 基于合成的逆向运动学算法

4.1 逆向运动学算法

4.1.1 逆向运动学算法的应用

4.1.2 IK算法流程

4.1.3 雅可比矩阵的计算

4.2 基于合成的逆向运动学算法

4.2.1 两阶段算法的提出

4.2.2 算法的选取

4.2.3 JT雅可比算法

4.2.4 参数化及参数求解

4.3 混合式虚拟维修系统设计

4.4 应用实例

4.5 本章小结

5 虚拟维修动作交互特征设计

5.1 人机交互特征

5.2 "事件驱动"和状态机

5.3 交互实体信息

5.3.1 虚拟维修工具

5.3.2 虚拟维修对象

5.3.3 虚拟维修动作分类

5.3.4 其它辅助信息

5.4 碰撞自动检测

5.4.1 碰撞检测技术分类

5.4.2 软件中常用的碰撞检测算法

5.4.3 碰撞检测范围与步长

5.4.4 虚拟手和虚拟物体之间的碰撞检测

5.5 虚拟维修碰撞检测的分类实现

5.6 本章小结

6 VMH运动捕获数据的编辑

6.1 运动捕获技术

6.2 捕获数据获取

6.3 VMH捕获数据处理

6.3.1 偏移映射

6.3.2 多级B样条逼近

6.3.3 层次运动编辑

6.3.4 运动拟合

6.3.5 其它运动数据处理方法

6.4 数据重定位

6.5 本章小结

7 某型航空导弹虚拟维修测试系统设计与开发

7.1 系统功能和目标

7.1.1 系统功能

7.1.2 目标

7.2 某型航空导弹及其相关测试过程分析

7.3 系统任务描述

7.4 系统设计思路

7.5 开发平台及性能要求

7.5.1 开发工具选择

7.5.2 硬件平台

7.5.3 软件平台

7.5.4 性能指标要求

7.6 系统实现

7.6.1 系统主模块

7.6.2 VMH生成模块

7.6.3 虚拟测试与维修模块

7.6.4 虚拟挂装模块

7.7 本章小结

8 结论

8.1 工作总结

8.2 研究展望

致谢

参考文献

附录