动感赛车运动模拟器的仿真分析与控制实现

摘要

动感游戏是当今游戏产业发展的一个重要方向，它需要有实现运动仿真功能的动感模拟装备--运动模拟器的支持，高仿真性和强互动性是动感游戏最显著的特点。与传统游戏相比，动感游戏在娱乐感受方面提升了一个档次，充满了乐趣和刺激；在技术层面上，动感模拟装备相比传统娱乐装备有着显著的技术进步。本文以三自由度动感赛车运动模拟器为研究对象，对运动模拟器的虚拟样机模型的运动学和动力学仿真分析、控制系统软硬件设计、赛车游戏软件与运动模拟器运动之间的集成技术等关键技术问题进行了较为深入系统的研究。
　　（1）在ADAMS环境下建立了赛车运动模拟器的动力学仿真模型，对运动模拟器的虚拟样机进行了运动学和动力学仿真分析，比较了理论与仿真的结果，得到了模拟器的一般运动规律和各自由度对模拟器运动平顺性影响的比对结果。采用参数化建模的方法对赛车虚拟样机的结构进行了优化设计，得到了丝杠行程与滑块驱动力大小之间的关系，综合考虑结构尺寸和驱动能力，选取了各自由度丝杠行程的最优解。
　　（2）基于STM32控制器，设计了赛车运动模拟器的俯仰、滚转和侧摆自由度的控制硬件，选定了相应的硬件参数，分配了控制系统的硬件资源。基于经典PID控制算法，建立了动感赛车运动模拟器控制系统的总体框架，给出了控制系统的一般整定规律和方法；基于Unit3D开发的赛车游戏软件对赛车运动模拟器进行了负载控制实验，实验结果表明该控制系统具有良好的动态性能；研究了USB数据传输通信技术，提出了上位机与下位机设备之间的识别方法，建立了相关的数据传输协议。
　　（3）基于rFactor赛车游戏软件和上述控制系统框架，建立了与rFactor赛车游戏软件配套的运动模拟器控制系统，进行了rFactor赛车游戏软件与运动模拟器的俯仰、滚转自由度的联动控制实验，实现了rFactor赛车游戏软件与运动模拟器运动的同步与协同，开发出了一款完整的动感赛车游戏产品。

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第一章 绪 论

1.1 课题背景

1.2 动感游戏运动模拟器的主要技术研究现状

1.3 智能控制系统研究现状

1.4 本文研究内容介绍

第二章 动感赛车运动模拟器的ADAMS仿真分析与优化设计

2.1 运动模拟器虚拟样机的运动学仿真

2.2 运动模拟器虚拟样机的动态特性分析

2.3 运动模拟器样机的参数化建模与优化分析

2.4 本章小结

第三章 动感赛车运动模拟器控制系统中的硬件设计

3.1 控制系统的总体开发流程

3.2 控制系统的硬件选型

3.3 控制系统的硬件设计

3.4 本章小结

第四章 动感赛车运动模拟器控制系统中的软件设计

4.1 控制系统的软件功能概述

4.2 确定系统的控制方案

4.3 控制系统的软件设计

4.4 本章小结

第五章 rFactor游戏软件与赛车运动模拟器的联动控制

5.1 rFactor游戏软件介绍

5.2 游戏数据的提取及收发协议的建立

5.3 空载与负载条件下的联动控制实验

5.4 本章小结

第六章 结论

6.1 论文总结

6.2 后期工作展望

致谢

参考文献

附录

攻读硕士学位期间取得的成果