專利名稱：月球車多規(guī)律仿真測試系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種虛擬現(xiàn)實技術(shù)領(lǐng)域的系統(tǒng)，具體是一種月球車多規(guī)律仿真測試系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著2012年“嫦娥工程”月球車“落地”的臨近，月球車研究和開發(fā)的進(jìn)展快慢，其功能的完善程度與性能的好壞直接關(guān)系到整個月球探測工程的進(jìn)程。由于對月球車工作的可靠性要求較高，以及考慮到月球車工作環(huán)境的特殊性，必須對月球車性能進(jìn)行反復(fù)的實驗與改進(jìn)，使之適應(yīng)月球的惡劣環(huán)境。月球表面環(huán)境結(jié)構(gòu)特殊，在地面環(huán)境中難以找到相類似的運行環(huán)境用以驗證月球車性能，更無法到月表環(huán)境中對月球車進(jìn)行實驗分析，在地面上不可能完全模擬月球真實的環(huán)境條件。隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)(Virtual Reality，簡稱VR) 的發(fā)展，設(shè)計者可以在計算機上模擬任何復(fù)雜環(huán)境，建立各種類型的模型，并能快速、經(jīng)濟、 有效的對模型進(jìn)行運動學(xué)和動力學(xué)仿真分析，對驗證、評價、改進(jìn)模型設(shè)計方案起到巨大的作用。應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)分析月球車在虛擬月球環(huán)境中工作的運動學(xué)和動力學(xué)行為，可以在月球車物理樣機研制之前就能夠?qū)Χ喾N設(shè)計方案進(jìn)行比較和優(yōu)化，縮短研制周期，節(jié)省研究經(jīng)費，提高可行性。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種高級的人機交互技術(shù)，它應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計算機圖形學(xué)、人工智能、人機接口技術(shù)、視聽技術(shù)、傳感器技術(shù)等高新技術(shù)，在特定的環(huán)境中模擬人的視、聽、 動等行為。正是這些技術(shù)高度的集成和滲透，讓用戶對虛擬的環(huán)境產(chǎn)生沉浸感，從而有更逼真的體驗。VR現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于軍事，航空航天，科研，工業(yè)及醫(yī)療等行業(yè)，為人們探索宏觀和微觀事物的運動變化規(guī)律提供了更大便利。目前大多數(shù)的仿真只是針對單一研究對象建模，根據(jù)具體需求對模型進(jìn)行各種實驗分析，很少研究人的感知模型的仿真?，F(xiàn)在大部分的機械系統(tǒng)動力學(xué)分析與仿真的商業(yè)軟件如ADAMS、DADS等在對機械系統(tǒng)進(jìn)行運動學(xué)、動力學(xué)和靜平衡分析時對機械系統(tǒng)進(jìn)行運動學(xué)、動力學(xué)和靜平衡分析時，將機械系統(tǒng)作為一個正向問題進(jìn)行考慮，外部影響通過作用力和驅(qū)動約束等元素施加于系統(tǒng)，其任務(wù)是分析系統(tǒng)內(nèi)部構(gòu)件之間的關(guān)系與作用。利用這類軟件進(jìn)行月球車仿真試驗不能將月球車系統(tǒng)與月面環(huán)境作為一個整體來考慮；無法完成月面環(huán)境的建模，從而為月球車建立虛擬實驗室或試驗場地；從而無法研究月球車虛擬樣機在虛擬實驗室或試驗場的運動和特性。利用Matlab結(jié)合ASSTM(AESCO GbR, Matlab/ Simulink Module ASSTM User’ s Guide, 2005)可以仿真月球車與環(huán)境之間的相互作用關(guān)系，但是它在環(huán)境建模的逼真性存在明顯不足，于是在物理上很難反映出月球車與隨即松軟月面的作用，同時也無法實現(xiàn)視覺上的真實感。但事實證明，人對于聽覺，視覺信息的感知能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對數(shù)字和文字等抽象信息的理解能力。隨著虛擬仿真可視化的發(fā)展趨勢， 將VR引入系統(tǒng)模擬仿真不失為明智之舉。使人沉浸其中，對所需解決的問題有更清晰的認(rèn)識，而不再僅局限于從屏幕上觀察仿真的結(jié)果，可使模型的設(shè)計和優(yōu)化更為方便。經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)清華大學(xué)的駱訓(xùn)紀(jì)、孫增圻提出了一個用于研究、開發(fā)月球漫游車系統(tǒng)的測試與仿真平臺，該仿真平臺提供的仿真系統(tǒng)可以創(chuàng)建類似月球表面地形的虛擬月面環(huán)境，并對各種結(jié)構(gòu)的漫游車系統(tǒng)進(jìn)行仿真、檢驗，還可以用于調(diào)試控制器、傳感器等各個子系統(tǒng)。該平臺是一個基于組件對象模型(COM)技術(shù)的分布式仿真系統(tǒng)，仿真系統(tǒng)與漫游車系統(tǒng)既可以運行于同一臺計算機中，也可以運行于通過網(wǎng)絡(luò)連接(包括局域網(wǎng)和hternet)[駱訓(xùn)紀(jì)、孫增圻，月球漫游車仿真系統(tǒng)研究，系統(tǒng)仿真學(xué)報，14卷， 9期，1235-1238，2002]。但是該技術(shù)中并沒有建立月球車的動力學(xué)運動學(xué)仿真內(nèi)核，更沒有自主導(dǎo)航系統(tǒng)，月球車的計算內(nèi)核和自主導(dǎo)航是月球車仿真平臺的最核心內(nèi)容。本系統(tǒng)基于虛擬現(xiàn)實環(huán)境，在漫游時的真實感強，仿真環(huán)境具備高度沉浸性，不僅夠很好地模擬月球車的漫游，并且已經(jīng)結(jié)合實驗數(shù)據(jù)，作為月球車和月面的測試平臺，在實際上得到運用。美國NASA 2003 提出了 ROAMS 系統(tǒng)[A. Jain, J. Guineau, C. Lim, W. Lincoln, Μ. Pomerantz, G. Sohl, and R. Steele, “Roams: Planetary surface rover simulation environment, ” in International Symposium on Artificial Intelligence, Robotics and Automation in Space (i-SAIRAS 2003), (Nara, Japan), May 2003]，該仿真平臺主要應(yīng)用于火星車的仿真，具備了本發(fā)明的提出的動力學(xué)、運動學(xué)以及導(dǎo)航模塊。然而該系統(tǒng)的動力學(xué)模塊只考慮到剛體接觸模型的動力學(xué)模塊， 并沒有像本發(fā)明提出的軟質(zhì)地形的接觸動力學(xué)。同時該系統(tǒng)沒有融入虛擬現(xiàn)實技術(shù)，在沉浸性和效果都不具備本系統(tǒng)的功能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種月球車多規(guī)律仿真測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于VR技術(shù)提供真實感強、融入月球車自主導(dǎo)航系統(tǒng)并且反映物理規(guī)律的真實性，充分考慮月球車與月面的交互作用。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括幾何模塊、動力學(xué)模塊、運動控制模塊、數(shù)據(jù)分析與評價模塊、導(dǎo)航與規(guī)劃模塊和可視化模塊，其中
所述幾何模塊建立月球車幾何模型并生成真實感數(shù)字月面模型分別輸出至動力學(xué)模塊、可視化模塊和導(dǎo)航與規(guī)劃模塊；
所述動力學(xué)模塊進(jìn)行屬性初始化并生成約束定義與碰撞檢測計算得到更新接觸約束關(guān)系并分別輸出至可視化模塊、數(shù)據(jù)分析與評價模塊和導(dǎo)航與規(guī)劃模塊；
所述運動控制模塊接收導(dǎo)航與規(guī)劃模塊生成的路徑信息并轉(zhuǎn)化為運動控制信息輸出至動力學(xué)模塊；
所述數(shù)據(jù)分析與評價模塊負(fù)責(zé)將動力學(xué)模塊的仿真結(jié)果輸出以便進(jìn)行分析； 所述導(dǎo)航與規(guī)劃模塊對從可視化模塊獲得的場景信息進(jìn)行圖像處理，獲得場景中的障礙信息，根據(jù)障礙信息進(jìn)行路徑規(guī)劃并發(fā)出對車體的控制指令，并將控制信息輸出至動力學(xué)模塊和可視化模塊；
所述可視化模塊根據(jù)幾何模型庫單元導(dǎo)入的幾何文件建立場景樹并利用多通道立體渲染技術(shù)輸出虛擬環(huán)境，同時可視化模塊接收動力學(xué)模塊的更新接觸約束關(guān)系，輸出至場景窗口并將反饋結(jié)果分別輸出至動力學(xué)模塊和導(dǎo)航與規(guī)劃模塊。所述幾何模塊包括基礎(chǔ)建模單元、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口單元和幾何模型庫單元，其中 基礎(chǔ)建模單元完成月球車幾何建模和月面的幾何建模并將建立得到的月球車模型和月面模型導(dǎo)入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口單元，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口單元與幾何模型庫單元相連并輸出經(jīng)轉(zhuǎn)換后的幾何模型，幾何模型庫單元分別與動力學(xué)模塊、可視化模塊和導(dǎo)航與規(guī)劃模塊相連實現(xiàn)模型信息調(diào)用。所述動力學(xué)模塊包括參數(shù)初始化單元、約束定義與計算單元、動力學(xué)建模與計算單元、碰撞檢測與響應(yīng)單元、車輪-月面作用模型單元和控制信號處理接口，其中參數(shù)初始化單元根據(jù)月球車的設(shè)計參數(shù)對用于仿真的虛擬月球車模型進(jìn)行幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)的初始化，約束定義計算單元對月球車各構(gòu)件之間的約束關(guān)系初始化，動力學(xué)建模與計算單元結(jié)合月面的集合結(jié)構(gòu)，和月壤的物理屬性和由車輪-月面作用模型單元建立的車輪與月面的作用力模型建立月球車的仿真計算模型，在每一仿真計算步長中，碰撞檢測與響應(yīng)單元都要進(jìn)行碰撞檢測計算，更新動力學(xué)模型中的接觸約束關(guān)系，通過多次的迭代計算求出月球車動力學(xué)方程的近似解，控制信號處理接口可以接受運動控制模塊的控制信息作為動力學(xué)模型的輸入。動力學(xué)模塊輸出各個輪子的運動數(shù)據(jù)，包括速度、轉(zhuǎn)速、角加速度、反作用力、 阻力矩、沉陷量、滑移率。所述可視化模塊包括場景初始化單元、光照渲染單元、場景樹管理單元、仿真特效單元和通訊建立單元，其中場景初始化單元首先對仿真場景進(jìn)行初始化，然后光照渲染單元對場景中的光照條件、渲染方式等進(jìn)行控制，場景樹管理單元則對場景中的幾何物體、 光照模式等進(jìn)行管理，仿真特效單元利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)向場景中加入真實感特效，最后通訊建立單元負(fù)責(zé)場景和用戶的交互，使得用戶可以與場景之間實時交換信息。所述運動控制模塊接收導(dǎo)航與規(guī)劃模塊生成的路徑信息，轉(zhuǎn)化為運動控制信息， 傳遞給月球車動力學(xué)模塊。所述數(shù)據(jù)分析與評價模塊接受動力學(xué)模塊生成的各個輪子的運動數(shù)據(jù)，通過車體運動學(xué)模型和動力學(xué)模型，計算整車的運動特性，輸出車體速度、6個自由度的姿態(tài)數(shù)據(jù)、車體整體滑移率，通過月球車評測模塊，給出月球車在特定工況下，運動特性以及運動能力評分。所述導(dǎo)航與規(guī)劃模塊包括視覺圖像獲取單元、圖像分析單元、路徑規(guī)劃和控制單元，其中視覺圖像獲取單元獲取可視化模塊的場景圖像，圖像分析單元對獲取的圖像進(jìn)行分析，得出障礙物的大小、距離車體的距離等避障參數(shù)，路徑規(guī)劃和控制單元則利用避障參數(shù)作為輸入進(jìn)行路徑規(guī)劃，控制單元最后根據(jù)路徑規(guī)劃的結(jié)果發(fā)出相應(yīng)的控制指令，引導(dǎo)月球車安全到達(dá)目的地。本發(fā)明上述的系統(tǒng)通過以下方式進(jìn)行工作首先，幾何模塊構(gòu)建等同或者接近于實際的虛擬月面環(huán)境，基于對分形布朗運動數(shù)學(xué)模型的研究，將其擴展到二維用以生成月面基礎(chǔ)地形，擴展到三維用以生成隨機石塊，根據(jù)前人對月面隕石坑的統(tǒng)計和計算的經(jīng)驗， 得出了隕石坑近似建模的原理和方法，提出了兩點假設(shè)將隕石坑模型與基礎(chǔ)地形合理疊加到一起，并根據(jù)統(tǒng)計信息決定隕石坑與月面石塊的分布情況，經(jīng)過紋理映射、光照渲染生成用于月球車運動仿真的真實感數(shù)字月面；然后，動力學(xué)模塊、運動控制模塊建立基于多體動力學(xué)以及車輪一地面作用模型，對月球車在隨機不平月面上的運動進(jìn)行動力學(xué)建模并求解；然后，導(dǎo)航與規(guī)劃模塊對月球車的運動路徑進(jìn)行決策；最后，數(shù)據(jù)分析與評價模塊接受仿真結(jié)果，傳遞給可視化模塊，通過多通道立體渲染生成沉浸感月球車虛擬仿真環(huán)境。為了增強顯示效果的真實感，在仿真過程中增加了塵土飛揚效果、車輪軌跡生成等特效；為了增加設(shè)計者與仿真環(huán)境的交互性，實現(xiàn)了外設(shè)的交互功能，比如以鼠標(biāo)控制仿真視點，以鍵盤控制月球車各種輸入，用以控制機械臂的展開和收起、翻板的展開和收起以及月球車的驅(qū)動速率和車輪的驅(qū)動方向等。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)建立了一個基于物理的高度逼真仿真環(huán)境。本發(fā)明是基于VR技術(shù)提供真實感強、融入月球車自主導(dǎo)航系統(tǒng)并且反映物理規(guī)律的真實性的仿真平臺，充分考慮月球車與月面的交互作用，建立一個月球車多規(guī)律仿真試驗評估系統(tǒng)，為月球車各項物理特性的仿真試驗評估提供一個可靠的環(huán)境，并為月球車在系統(tǒng)層面上的驗證評估提供一個可靠的環(huán)境，基于視覺導(dǎo)航技術(shù)，實現(xiàn)高度自主的路徑規(guī)劃和導(dǎo)航，為未來實際月球車的自主導(dǎo)航提供技術(shù)基礎(chǔ)。


圖1為本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明系統(tǒng)的程序流程圖。圖3為本發(fā)明實施例的邏輯示意圖。
具體實施例方式下面對本發(fā)明的實施例作詳細(xì)說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實施例。如圖1所示，本實施例提供一種月球車多規(guī)律仿真測試系統(tǒng)，包括幾何模塊、動力學(xué)模塊、運動控制模塊、數(shù)據(jù)分析與評價模塊、導(dǎo)航與規(guī)劃模塊和可視化模塊，其中
幾何模塊建立月球車幾何模型并生成真實感數(shù)字月面模型分別輸出至動力學(xué)模塊、可視化模塊和導(dǎo)航與規(guī)劃模塊；
動力學(xué)模塊進(jìn)行屬性初始化并生成約束定義與碰撞檢測計算得到更新接觸約束關(guān)系并分別輸出至可視化模塊和導(dǎo)航與規(guī)劃模塊；
運動控制模塊接收導(dǎo)航與規(guī)劃模塊生成的路徑信息并轉(zhuǎn)化為運動控制信息輸出至動力學(xué)模塊；
數(shù)據(jù)分析與評價模塊負(fù)責(zé)將動力學(xué)模塊的仿真結(jié)果輸出以便進(jìn)行分析； 導(dǎo)航與規(guī)劃模塊對自主導(dǎo)航的技術(shù)進(jìn)行仿真并輸出仿真結(jié)果至動力學(xué)模塊和可視化模塊；
可視化模塊根據(jù)幾何模型庫單元導(dǎo)入的幾何文件建立場景樹并利用多通道立體渲染技術(shù)輸出虛擬環(huán)境，同時可視化模塊接收動力學(xué)模塊的更新接觸約束關(guān)系，輸出至場景窗口并將反饋結(jié)果分別輸出至動力學(xué)模塊和導(dǎo)航與規(guī)劃模塊。本實施例中，所述幾何模塊的核心是基礎(chǔ)建模單元，其建成的模型通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口單元的轉(zhuǎn)換后導(dǎo)入幾何模型庫單元，包含以下步驟
第一步月球車幾何模型由通用CAD系統(tǒng)生成，通過系統(tǒng)接口導(dǎo)入； 第二步利用分形技術(shù)生成月面的基礎(chǔ)地形和月面特征并將兩者融合，生成復(fù)雜月面地形；
第三步讀取生成的復(fù)雜月面地形文件，格式為FLT和0BJ，進(jìn)行紋理映射、光照渲染、材質(zhì)處理，生成真實感月面地形。第四步建立場景樹根節(jié)點，加載地形數(shù)據(jù)到根節(jié)點中，作為孩子節(jié)點。加載月球車三維模型數(shù)據(jù)，添加到場景樹根節(jié)點下，作為孩子節(jié)點。添加光源節(jié)點，到兩個孩子節(jié)點下，最終生成完整月球車仿真平臺場景樹，利用場景樹管理的模式可以加載大數(shù)據(jù)量的仿真模型，比已有技術(shù)采用的場景管理方法先進(jìn)，同時在不同孩子節(jié)點下添加光源節(jié)點，可以分別進(jìn)行渲染控制，獲得比現(xiàn)有技術(shù)先進(jìn)的渲染效果。本實施例中，所述動力學(xué)模塊包括所述動力學(xué)模塊包括幾何、物理參數(shù)初始化，約束定義與求解，動力學(xué)模型的建立與求解，碰撞檢測與響應(yīng)，車輪-月面作用模型建立與求解，控制信號處理接口，其實施包含以下步驟
第一步根據(jù)月球車的設(shè)計參數(shù)對從幾何模型庫單元中導(dǎo)入的用于仿真的虛擬月球車模型進(jìn)行初始化，這包括月球車幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)初始化，以及月球車各構(gòu)件之間的約束關(guān)系初始化；
第二步建立月球車和月面的碰撞模型，根據(jù)Belter承壓模型建立軟質(zhì)月面-車輪作用力模型，在承壓模型中引入土壤屬性，考慮到軟質(zhì)月面的動力學(xué)，比現(xiàn)有技術(shù)采用的剛體接觸模型更為接近真實；
第三步結(jié)合環(huán)境屬性即月面的幾何結(jié)構(gòu)和月壤的物理屬性參數(shù)、考慮車輪與月面的非完全約束關(guān)系建立月球車仿真計算模型；
第四步接受運動控制模塊傳來的控制參數(shù)，作為動力學(xué)的模型的輸入，計算月球車的各項參數(shù)，每一個仿真計算步長內(nèi)都要完成多次迭代計算來尋求月球車動力學(xué)方程組的近似解，得出月球車各部件新的速度以及受力情況，調(diào)用積分器算出月球車各部件新的位姿信息，并將計算結(jié)果傳給可視化模塊更新顯現(xiàn)模型的狀態(tài)。本實施例中，所述運動控制模塊接收導(dǎo)航與規(guī)劃模塊生成的路徑信息，轉(zhuǎn)化為運動控制信息，此外，該模塊還可以接收由可視化模塊的人機交互中的外設(shè)操作發(fā)出的指令， 并將其轉(zhuǎn)化為控制信息，最后將控制信息傳遞給月球車動力學(xué)模塊，控制月球車完成相應(yīng)的動作。本實施例中，所述數(shù)據(jù)分析與評價模塊將動力學(xué)模塊的仿真結(jié)果輸出以便進(jìn)行進(jìn)一步的分析。其實施步驟如下
第一步讀取動力學(xué)模塊生成的各個輪子的切向速度，通過車體運動學(xué)模型和動力學(xué)模型，計算整車的速度；
第二步讀取動力學(xué)模塊生成的各個輪子的姿態(tài)數(shù)據(jù)和沉陷量，通過整體運動學(xué)模型， 生成車體6個自由度的姿態(tài)數(shù)據(jù)、車體整體滑移率；
第三步，通過月球車評測模塊，參照出月球車特定工況下通過性數(shù)據(jù)庫，人工判斷月球車運動特性以及通過能力，并給出評分，評測模塊是完全創(chuàng)新的模塊，現(xiàn)有其他系統(tǒng)，都不具備該模塊。本實施例中，所述導(dǎo)航與規(guī)劃模塊包括視覺圖像獲取、圖像分析、路徑規(guī)劃和控制，使用復(fù)合視覺導(dǎo)航方法利用一個單目攝像機進(jìn)行宏觀路徑規(guī)劃，即完成大范圍場景的識別并對大的月坑進(jìn)行判斷并作路徑預(yù)規(guī)劃；運用雙目立體視覺對外形難以辨知的石塊進(jìn)行識別，通過雙目視覺所獲得的三維信息實現(xiàn)避障功能。其實施步驟如下
第一步建立視景仿真場景樹，月球車桅桿上分別設(shè)置相應(yīng)的單目和雙目相機來拍攝月球車前方的月面圖像，并且不斷地保存到相應(yīng)的存儲空間；
第二步將拍攝到圖像進(jìn)行相應(yīng)的處理，為路徑規(guī)劃和障礙規(guī)避提供依據(jù)，主要實施步驟如下
1)圖像預(yù)處理，采用一維灰度直方圖選取閾值，將圖像二值化，通過標(biāo)記算法記錄每個坑和石塊在圖像上的位置，再對每個坑用投影法進(jìn)行定位，投影法利用水平投影和垂直投影完成對坑的y方向和χ方向的定位；
2)基于雙目視覺修正的幾何關(guān)系推導(dǎo)出空間中點和圖像上對應(yīng)點的關(guān)系，從而計算出月坑相對于月球車的實際距離；
3)采取局部 SIFT (Scale-invariant feature transform，尺度不變特性轉(zhuǎn)化) 特征匹配，即對于可疑障礙物區(qū)域的特征點進(jìn)行提取與匹配，得到障礙物的位置和大小。第三步根據(jù)圖像分析得到的石塊的大小及其相對于月球車的距離、方位，提供避讓決策信息，月球車距離石塊的計算可確定小車安全行駛的范圍以及避障的安全轉(zhuǎn)彎半徑，石塊方位的計算可以輔助判斷小車行走的方向，從而進(jìn)行最優(yōu)轉(zhuǎn)向選擇，通過對石塊縱向橫向的最大值計算可確定其真實大小，進(jìn)而獲得越障避障信息，根據(jù)這些避障信息即可規(guī)劃月球車的行動路線，最后將規(guī)劃的路線傳遞給運動控制模塊。本實施例中，所述可視化模塊基于SGI OpenGL Performer (SGI視景仿真開發(fā)包) 進(jìn)行開發(fā)，包括初始化，光照、立體渲染，場景樹管理，通訊建立，其實現(xiàn)包含以下步驟
第一步初始化場景設(shè)置，根據(jù)導(dǎo)入的幾何文件建立場景樹，負(fù)責(zé)場景的光照、渲染； 第二步實時管理已創(chuàng)建的場景樹，并處理用戶與場景之間的所有交互，傳遞用戶操作信息的同時也能接受動力學(xué)模塊計算結(jié)果，一方面根據(jù)仿真計算結(jié)果更新場景樹中幾何模型的位置和姿態(tài)，另一方面可以直接在場景窗口輸出重要的仿真結(jié)果數(shù)據(jù)；
第三步實時添加仿真特效，比如車輪轉(zhuǎn)動時帶起塵土的效果，車輪走過之后留下軌跡特效，車輪沉陷特效，最后進(jìn)行立體渲染，增加系統(tǒng)的視覺特效，仿真特效采用的粒子系統(tǒng)， 比現(xiàn)有其他系統(tǒng)更為真實。本實施例中，系統(tǒng)構(gòu)架可擴展，提供的虛擬現(xiàn)實沉浸感好，月球車運動采用了輪壤軟質(zhì)月面作用模型反應(yīng)了物理規(guī)律，在本質(zhì)上超越了現(xiàn)有的其他類似系統(tǒng)。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍不僅局限于上述實施例，凡屬于本發(fā)明思路下的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明的保護(hù)范疇。應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理前提下的若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也都應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種月球車多規(guī)律仿真測試系統(tǒng)，其特征在于包括幾何模塊、動力學(xué)模塊、運動控制模塊、數(shù)據(jù)分析與評價模塊、導(dǎo)航與規(guī)劃模塊和可視化模塊，其中所述幾何模塊建立月球車幾何模型并生成真實感數(shù)字月面模型分別輸出至動力學(xué)模塊、可視化模塊和導(dǎo)航與規(guī)劃模塊；所述動力學(xué)模塊進(jìn)行屬性初始化并生成約束定義與碰撞檢測計算得到更新接觸約束關(guān)系并分別輸出至可視化模塊、數(shù)據(jù)分析與評價模塊和導(dǎo)航與規(guī)劃模塊；所述運動控制模塊接收導(dǎo)航與規(guī)劃模塊生成的路徑信息并轉(zhuǎn)化為運動控制信息輸出至動力學(xué)模塊；所述數(shù)據(jù)分析與評價模塊負(fù)責(zé)將動力學(xué)模塊的仿真結(jié)果輸出以便進(jìn)行分析；所述導(dǎo)航與規(guī)劃模塊對從可視化模塊獲得的場景信息進(jìn)行圖像處理，獲得場景中的障礙信息，根據(jù)障礙信息進(jìn)行路徑規(guī)劃并發(fā)出對車體的控制指令，并將控制信息輸出至動力學(xué)模塊和可視化模塊；所述可視化模塊根據(jù)幾何模型庫單元導(dǎo)入的幾何文件建立場景樹并利用多通道立體渲染技術(shù)輸出虛擬環(huán)境，同時可視化模塊接收動力學(xué)模塊的更新接觸約束關(guān)系，輸出至場景窗口并將反饋結(jié)果分別輸出至動力學(xué)模塊和導(dǎo)航與規(guī)劃模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述月球車多規(guī)律仿真測試系統(tǒng)，其特征在于所述幾何模塊包括 基礎(chǔ)建模單元、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口單元和幾何模型庫單元，其中基礎(chǔ)建模單元完成月球車幾何建模和月面的幾何建模并將建立得到的月球車模型和月面模型導(dǎo)入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口單元；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口單元與幾何模型庫單元相連并輸出經(jīng)轉(zhuǎn)換后的幾何模型，幾何模型庫單元分別與動力學(xué)模塊、可視化模塊和導(dǎo)航與規(guī)劃模塊相連實現(xiàn)模型信息調(diào)用。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述月球車多規(guī)律仿真測試系統(tǒng)，其特征在于所述動力學(xué)模塊包括參數(shù)初始化單元、約束定義與計算單元、動力學(xué)建模與計算單元、碰撞檢測與響應(yīng)單元、 車輪-月面作用模型單元和控制信號處理接口，其中參數(shù)初始化單元根據(jù)月球車的設(shè)計參數(shù)對用于仿真的虛擬月球車模型進(jìn)行幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)的初始化，約束定義計算單元對月球車各構(gòu)件之間的約束關(guān)系初始化；動力學(xué)建模與計算單元結(jié)合月面的集合結(jié)構(gòu)，月壤的物理屬性，以及由車輪-月面作用模型單元建立的車輪與月面的作用力模型建立月球車的仿真計算模型，在每一仿真計算步長中，碰撞檢測與響應(yīng)單元都要進(jìn)行碰撞檢測計算，更新動力學(xué)模型中的接觸約束關(guān)系，通過多次的迭代計算求出月球車動力學(xué)方程的近似解；控制信號處理接口接受運動控制模塊的控制信息作為動力學(xué)模型的輸入；動力學(xué)模塊輸出各個輪子的運動數(shù)據(jù)，包括速度、轉(zhuǎn)速、角加速度、反作用力、阻力矩、沉陷量、滑移率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述月球車多規(guī)律仿真測試系統(tǒng)，其特征在于所述可視化模塊包括場景初始化單元、光照渲染單元、場景樹管理單元、仿真特效單元和通訊建立單元，其中場景初始化單元首先對仿真場景進(jìn)行初始化，然后光照渲染單元對場景中的光照條件、 渲染方式等進(jìn)行控制；場景樹管理單元則對場景中的幾何物體、光照模式進(jìn)行管理；仿真特效單元利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)向場景中加入真實感特效，最后通訊建立單元負(fù)責(zé)場景和用戶的交互，使得用戶可以與場景之間實時交換信息。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述月球車多規(guī)律仿真測試系統(tǒng)，其特征在于所述運動控制模塊接收導(dǎo)航與規(guī)劃模塊生成的路徑信息，轉(zhuǎn)化為運動控制信息，傳遞給月球車動力學(xué)模塊。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述月球車多規(guī)律仿真測試系統(tǒng)，其特征在于所述數(shù)據(jù)分析與評價模塊接受動力學(xué)模塊生成的各個輪子的運動數(shù)據(jù)，通過車體運動學(xué)模型和動力學(xué)模型，計算整車的運動特性，輸出車體速度、6個自由度的姿態(tài)數(shù)據(jù)、車體整體滑移率，通過月球車評測模塊，給出月球車在特定工況下，運動特性以及運動能力評分。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述月球車多規(guī)律仿真測試系統(tǒng)，其特征在于所述導(dǎo)航與規(guī)劃模塊包括視覺圖像獲取單元、圖像分析單元、路徑規(guī)劃和控制單元，其中視覺圖像獲取單元獲取可視化模塊的場景圖像，圖像分析單元對獲取的圖像進(jìn)行分析，得出障礙物的大小、距離車體的距離等避障參數(shù)，路徑規(guī)劃和控制單元則利用避障參數(shù)作為輸入進(jìn)行路徑規(guī)劃， 控制單元最后根據(jù)路徑規(guī)劃的結(jié)果發(fā)出相應(yīng)的控制指令，引導(dǎo)月球車安全到達(dá)目的地。
全文摘要
本發(fā)明公開一種月球車多規(guī)律仿真測試系統(tǒng)，其中幾何模塊建立月球車幾何模型并生成真實感數(shù)字月面模型；動力學(xué)模塊得到更新接觸約束關(guān)系；運動控制模塊生成的路徑信息并轉(zhuǎn)化為運動控制信息輸出至動力學(xué)模塊；數(shù)據(jù)分析與評價模塊負(fù)責(zé)將動力學(xué)模塊的仿真結(jié)果輸出以便進(jìn)行分析；導(dǎo)航與規(guī)劃模塊對從可視化模塊獲得的場景信息進(jìn)行圖像處理，獲得場景中的障礙信息，根據(jù)障礙信息進(jìn)行路徑規(guī)劃并發(fā)出對車體的控制指令；可視化模塊建立場景樹并利用多通道立體渲染技術(shù)輸出虛擬環(huán)境，同時可視化模塊接收動力學(xué)模塊的更新接觸約束關(guān)系。本發(fā)明真實感強、融入月球車自主導(dǎo)航系統(tǒng)并且反映物理規(guī)律的真實性，充分考慮月球車與月面的交互作用。
文檔編號G06F17/50GK102306216SQ201110227848
公開日2012年1月4日 申請日期2011年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月10日
發(fā)明者唐平, 杜三虎, 程云龍, 胡震宇, 金燁, 鮑勁松 申請人:上海交通大學(xué), 上海宇航系統(tǒng)工程研究所