基于HLA的分布式虚拟装配仿真关键技术研究与实现

摘要

虚拟装配技术一直是虚拟现实技术在设计和制造领域的重要应用,其重要的理论意义和使用价值近年来在多个领域中逐渐突显。它从产品装配的角度出发,旨在提高全生命周期的产品及相关过程设计的质量。作为虚拟制造领域的一个关键部分,虚拟装配技术是发展最薄弱的环节之一。如何利用虚拟装配技术建立一个高效、高质量、低成本的虚拟生产环境,构建一个完善的虚拟制造理论体系,成为限制虚拟装配技术走向应用的主要瓶颈。
　　本论文设计实现了一套基于HLA的分布式虚拟装配系统,在该平台中实现HLA的标准接口规范,搭建起分布式虚拟装配构架,使用户可以通过多个客户端进行交互式装配,实现远程模块化组装与装配。系统嵌入针对复杂产品的可视化渲染引擎,能够模拟产品的外形、材质、零部件和内部构造,并在三维虚拟环境中实现装配结构和流程的实时动态展示。在全面模拟产品的外观和各项功能特性的同时,保证较强的用户交互性体验和优雅的视觉效果。系统实现HLA分布式通信技术、虚拟装配技术、虚拟现实技术和关系型数据库的集成和协同运用。主要的工作内容和获取的研究成果如下:
　　(1)基于HLA的底层网络通信支撑系统
　　HLA利用面向对象的基本思想,设计、开发及实现系统不同层次和粒度的对象模型,来获得仿真部件和仿真系统高层次的互操作性与重用性。本文结合HLA的灵活性和可扩充性特点,在底层搭建基于HLA的网络通信架构。采用CERTI作为其运行支撑环境,通过统一的HLA指令控制产品虚拟装配的整个过程。使多客户端的独立用户之间进行交互式装配仿真,实现对超复杂装配设备的模块化组装与并行装配。
　　(2)针对复杂产品的可视化渲染引擎的搭建
　　可视化渲染内核是虚拟现实的核心和基础,也是虚拟装配系统必不可少的底层模块。本文针对复杂的工业产品搭建三维渲染引擎。实现对三维场景数据的组织、管理和序列化。采用OpellGL渲染以及GPU加速来完成渲染操作,能够达到对复杂产品的细节描述和高效仿真。另外该渲染引擎支持对多种常用3D建模软件的无缝衔接,支持Autodesk3ds Max、MilkShape3D、Maya等主流的3D软件的数据文件格式。
　　(3)支持多传感设备的人机交互手段
　　本文除了支持传统的键盘、鼠标等交互工具外,还设计支持数据手套、位置跟踪器、kinect等复杂的传感器设备作为新的人机交互手段。Kinect本质上是一种3D体感摄影机,本文利用它的即时动态捕捉、影响辫识等功能,通过用户的肢体控制虚拟环境中的装配角色。数据手套也是虚拟仿真中常用的交互工具之一,本文将数据手套与位置跟踪器连用,将人手姿态准确实时的传递给虚拟环境,把与产品的接触信息反馈给操作者,实现对虚拟物体的抓取、移动及装卸等操作。
　　(4)几何约束与语义识别相结合的纛拟装配方法的实现
　　本文在传统的基于几何约束的装配方法的基础上,采用基于装配任务层次和装配语义识别的虚拟装配操作,通过装配语义识别捕捉虚拟装配过程中用户的交互意图,并以此为基础进行装配语义的确认和解算。为了解决虚拟装配中的碰撞检测问题,本文采用一种与空间索引相结合的几何面层次式碰撞检测方法。实验表明该算法能够有效的提高碰撞检测的效率,从而为虚拟装配过程中的约束识别提供依据。