基于并联机构的山地环境下虚拟驾驶仿真研究

摘要

驾驶模拟器是一种既能提高培训水平，又能降低各种培训费用的驾驶培训工具。目前，大部分驾驶模拟器模拟的路况主要是城乡公路，其特点是路面平整，偶尔有较小的坡道。而对于复杂路况，尤其是对山地环境中的驾驶研究较少。由于地形的特殊性，在山地环境下驾驶时，会出现车辆颠簸严重、操控困难、易于引发驾驶人员的恐惧心理等情况，将大大增加驾驶操作的难度和危险系数，因此它是驾驶训练中的难点科目之一。这种情况如果得不到及时的解决，将会影响到驾驶训练的质量。因此有针对性的进行山地环境中的驾驶训练是非常有必要的。 在这样的背景下，本文提出了对于山地环境下的三自由度驾驶模拟器的研究。该模拟器把虚拟现实技术与并联机构相结合，能够增强受训者在驾驶过程中的真实行车体感。 论文首先综述了虚拟现实技术在驾驶模拟器中的应用以及目前国内外研究驾驶模拟器的新动向，总结了各种模拟器的优点和存在的问题，提出采用桌面式虚拟现实系统来实现汽车驾驶模拟。 接着，论文分析了山地驾驶模拟器的功能要求，提出了模拟器的总体系统结构和组成，以及各部分的功能，最后讨论了系统实现所需的硬件和软件环境。 然后，论文详细地给出了驾驶模拟器两个重要子系统的分析与设计：视景仿真系统和运动仿真系统。视景仿真系统方面，主要研究了车辆的运动特性、车辆的三维建模及虚拟山地驾驶场景的构建、虚拟驾驶时的相交测试问题以及自然现象的模拟。运动仿真系统方面，根据山地驾驶模拟器的要求，进行了并联机构的构型设计及自由度分析，推导出机构的运动学方程，建立了并联机构的三维模型，并对其进行了运动仿真。 最后，论文给出了系统总体软件的实现。使用VC++作为主要的编程语言并调用Vega和OpenGL的API函数实现软件的功能。采用多线程技术来构建视景仿真和运动仿真两个子系统间的交互机制：以并联机构运动仿真作为主窗口，虚拟驾驶仿真作为附加窗口，最终实现了并联机构的运动能够实时跟随驾驶视景的变化。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1虚拟现实技术

1.1.1虚拟现实技术的概念及特点

1.1.2虚拟现实的应用领域

1.2驾驶模拟器

1.2.1驾驶模拟器的概念及特点

1.2.2国内外发展现状

1.2.3未来发展方向

1.3课题背景及主要研究内容

1.3.1研究背景

1.3.2论文的研究内容

1.3.3论文的组织安排

1.4本章小结

第二章 驾驶模拟系统的总体结构设计

2.1系统的功能描述

2.2系统组成及各部分的功能

2.3系统所需的软硬件

2.3.1所需硬件

2.3.2所需软件

2.4本章小结

第三章 视景仿真系统的分析与设计

3.1车辆的运动分析

3.2驾驶场景建模及生成

3.2.1三维地形的建模

3.2.2汽车的建模

3.2.3驾驶场景的生成

3.3相交测试

3.3.1 Vega中相交测试的原理

3.3.2 TRIPOD方法及设定

3.3.3 LOS方法及其设定

3.4自然现象地实现

3.4.1光源

3.4.2云层

3.4.3雾

3.4.4太阳效果及天体位置表模型

3.5本章小结

第四章 运动仿真系统的分析及实现

4.1并联机构概述

4.1.1并联机构的概念及特点

4.1.2并联机构的主要应用领域

4.2运动仿真系统的结构设计

4.3运动仿真系统的自由度分析

4.4运动仿真系统的运动学分析

4.4.1坐标系的建立

4.4.2机构的位置分析

4.5运动仿真系统的运动学仿真

4.5.1 OpenGL的设置

4.5.2并联机构三维模型的建立

4.5.3模型的渲染

4.5.4运动仿真的实现

4.6本章小结

第五章 驾驶模拟仿真软件系统的实现

5.1 Windows的多线程

5.2并联机构实时运动仿真的程序实现

5.2.1 OpenGL控件的建立

5.2.2并联机构实时运动仿真应用程序的建立

5.3虚拟驾驶仿真的程序实现

5.3.1附加线程的建立

5.3.2驾驶仿真应用程序的建立

5.4两个窗口之间的实时通信

5.5本章小结

工作总结与展望

附录

参考文献

致谢