虚拟维修中拆装过程建模与验证方法研究

摘要

虚拟维修训练是虚拟现实技术的重要应用之一，由于其具有安全、灵活、经济、方便等众多优点而被越来越多地采用。在虚拟维修环境中，零部件拆装过程的模型是保证其正确性、交互性和完备性的重要因素。本文通过分析拆装过程建模技术和碰撞检测技术的研究现状，提出并实现了拆装模型和验证方法。主要的研究内容如下：
　　 ⑴提出了拆装过程的时序模型，包括拆装过程的PERT图模型和拆装过程的有色Petri网模型两个模型。对PERT图模型给出了等价的依赖矩阵，并在此基础上提出了基于依赖矩阵的拆装算法。给出了有色Petri网模型的构造方法，并给出了用以控制拆装过程的算法。最后对两种模型进行了对比。
　　 ⑵提出了拆装过程的位移模型，其中包括拆装位移PERT图模型和拆装位移有色Petri网的模型两个模型。在拆装时序PERT图模型的基础上构造了拆装位移PERT图模型，并给出了等价的拆装位移状态表和拆装位移依赖矩阵。在拆装时序有色Petri网模型的基础上给出了拆装位移有色Petri网模型的构造方法。
　　 ⑶提出了使用碰撞检测的拆装位移模型验证方法，包括对拆装位移PERT图模型和拆装位移有色Petri网模型的正确性验证。给出了对单个零件拆装动作进行分析的碰撞检测方法，通过分析比较给出的两种碰撞检测方案，选择在运动方向投影的方法来进行碰撞检测，并在此基础上说明了方向圆柱包围盒，三角形面片投影、精确相交测试三个关键技术细节。
　　 ⑷开发了一个基于Web3D的虚拟维修训练系统，使用Virtools4.0作为三维交互开发平台，VRML作为用于碰撞检测验证的几何模型，通过设备的实例对本文的方法进行了验证。

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1.1 研究背景和意义

1.1.1 虚拟维修

1.1.2 拆装过程模型

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究的内容

1.4 本文的组织结构

2 相关技术介绍

2.1 拆装过程建模技术

2.1.1 线形序列

2.1.2 有向图

2.1.3 树形结构模型

2.1.4 与或图

2.1.5 Petri网

2.1.6 拆装过程建模技术小结

2.2 碰撞检测技术

2.2.1 碰撞检测简介

2.2.2 基本几何元素的相交测试

2.2.3 包围盒技术

2.2.4 空间分解技术

2.2.5 碰撞检测技术小结

3 拆装过程时序模型

3.1 在虚拟拆装训练与拆装过程模型

3.2 基于PERT图的拆装时序模型

3.2.1 PERT图的概念

3.2.2 PERT图的矩阵表示

3.2.3 基于依赖矩阵的拆装算法

3.3 基于有色Petri网的拆装时序模型

3.3.1 有色Petri网的定义

3.3.2 基于有色Petri网的拆装过程建模

3.3.3 Petri网控制的虚拟拆装

3.4 两种模型的比较

3.5 小结

4 拆装过程的位移模型

4.1 拆装位移模型

4.2 基于PERT图的拆装位移模型

4.2.1 拆装位移PERT图模型

4.2.2 拆装位移状态表

4.2.3 拆装位移依赖矩阵

4.3 基于Petri网的位移模型

4.3.1 拆装过程位移有色Petri网的组成

4.3.2 虚拟拆装过程位移有色Petri网的建立

4.4 小结

5 使用碰撞检测的拆装位移模型验证方法

5.1 拆装位移模型的验证方法

5.1.1 基于PERT图的拆装位移模型验证方法

5.1.2 基于Petri网的拆装位移模型验证方法

5.2 拆装动作的碰撞检测验证方法

5.2.1 零件拆装过程的碰撞检测

5.2.2 方向圆柱包围盒

5.2.3 三角形面片的投影

5.2.4 精确相交测试

5.3 小结

6 系统的实现

6.1 软硬件平台及系统结构

6.2 软件框架

6.3 相关技术

6.3.1 Web3D技术

6.3.2 VRML语言

6.3.3 Virtools

6.4 交互过程的实现

6.4.1 鼠标拾取物体

6.4.2 鼠标悬浮文字提示

6.4.3 视点的操纵

6.4.4 鼠标点击进入单个零件的特写模式

6.4.5 手动有序交互

6.4.6 自动拆解

6.5 三维交互场景加工的关键工艺流程

6.5.1 Virtools中整体分离交互的实现步骤

6.5.2 Virtools中拆装序列实现

6.6 使用碰撞检测的模型验证方法的实现

6.7 虚拟维修训练系统界面

6.8 拆装过程实例

6.8.1 PERT图模型指导拆装实例

6.8.2 Petri网模型指导拆装实例

6.8.3Petri网模型指导折装实例

6.9 小结

7 总结与展望

7.1 工作总结

7.2 工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢