基于虚拟现实的农用车辆远程监控中心的设计与实现

摘要

农业生产过程中的恶劣环境及繁重的操作任务，致使劳动力大量转移。遥操作系统可以拓展人类的感知和操作能力，代替人在危险、恶劣的环境中作业。在遥操作系统的发展过程中，由于视频设备信息量大而视野狭小，容易出现工作中的死角，同时受到信号传输技术的限制导致遥操作系统存在时延与信号丢失等问题。虚拟现实技术的兴起为遥操作系统提供了良好的辅助作用，利用虚拟现实技术在远程监控中心建立一个与工作现场相接近的虚拟环境为操作者提供视觉、力觉反馈，有助于操作者更好的掌握工作现场的信息，提高了遥操作作业的效率。
　　 本文基于虚拟现实技术完成了农用车辆远程监控中心的设计与实现，为下一步的遥操作奠定了基础。主要研究虚拟农田场景的构建、人机交互以及通信功能的实现。采用VisualC++6.0和OpenGL作为开发平台，对系统实现过程中的若干关键问题进行了探讨分析，所完成的工作如下所述:
　　 (1)构建了虚拟农田场景。在三维场景的构建上，采用OpenGL结合3DSMAX的方法实现模型的建模，采用立体天空盒法生成天空模型;基于数字高程模型(DEM)模拟真实地形;基于Billboard法实现对农田作物的建模;采用3DSMAX建模软件对复杂车体进行建模，并将模型导出为3DS文件格式，研究了基于OpenGL的3DS模型文件的读取与显示;在对场景中自然现象的模拟上，实现了基于粒子系统的雨雪效果模拟以及基于OpenGL的雾效模拟，为操作者提供了一个逼真的虚拟农田环境。
　　 (2)为了能够实现对虚拟农田场景中车辆的控制，在远程监控中心采用了键盘和操纵杆两种方式来进行交互控制，利用DirectX中的DirectInput组件，编程实现了操纵杆与虚拟场景中的车辆之间的交互功能。分析和比较了轴向包围盒、包围球、方向包围盒以及离散方向多面体四种包围盒碰撞检测技术，并运用轴向包围盒实现了虚拟农田场景的碰撞检测，增强了场景的真实感和沉浸感。
　　 (3)对通信系统进行了设计。在广域网环境下，基于面向连接的TCP/IP及Socket通信机制构建客户机/服务器模式的车辆通信平台，以实现控制命令的下达及反馈信息的上传。同时引入视频监视单元对工作现场进行远程监视，以防止突发状况的发生，提高了操作的安全性。
　　 利用虚拟现实技术在远程监控中心建立了一个逼真的虚拟农田场景，操作者可以利用键盘或操纵杆对虚拟场景中的车辆进行交互控制，并通过3G网络进行远程监控中心与农用车辆执行端之间的数据通信，经过通信测试，可以实现数据的实时双向传输，满足实时传输与通信的要求，为遥操作的实现提供了前提条件。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 虚拟现实技术的国外研究现状

1．2．2 虚拟现实技术的国内研究现状

1．3 主要研究内容

第二章 虚拟场景构建

2．1 虚拟场景实现环境

2．2 OpenGL程序框架的建立

2．3 虚拟农田构建

2．3．1 天空的建模

2．3．2 地形的建模

2．3．3 农田作物的建模

2．4 车辆模型的建立及导入

2．4．1 车辆模型的建立

2．4．2 3DS文件格式简介

2．4．3 OpenGL读取3DS模型文件

2．5 自然现象模拟

2．5．1 粒子系统基本原理

2．5．2 粒子系统基本模型

2．5．3 基于粒子系统的雨雪实现

2．5．4 基于OpenGL的雾效模拟

2．6 本章小结

第三章 交互功能实现

3．1 虚拟场景漫游

3．2 交互控制

3．2．1 键盘实现交互控制

3．2．2 操纵杆实现交互控制

3．3 碰撞检测

3．3．1 碰撞检测技术

3．3．2 碰撞检测的实现

3．4 本章小结

第四章 通信系统设计

4．1 无线通信模块

4．1．1 3G技术概述

4．1．2 3G无线模块

4．2 Winsock网络通信系统设计

4．2．1 通信协议

4．2．2 网络通信程序设计

4．2．3 服务器端程序设计

4．2．4 客户端程序设计

4．2．5 通信数据编解码

4．3 视频接收端设计

4．4 本章小结

第五章 系统试验与分析

5．1 交互控制试验与分析

5．2 通信系统试验与分析

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 后续研究建议及展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文