火星车三维视景仿真系统的研究与实现

发布时间：2020-10-21 05:16

　　 火星车是火星探测任务中的重要组成部分,也是人类了解火星不可缺少的媒介。作为一个复杂系统,火星车软硬件的设计、开发和验证都需要大量试验,这是一个高耗时且高成本的研究过程,因此仿真技术成为火星车研究的一个重要组成部分。传统的动力学仿真软件多采用规则结构来构造火星地形,与实际火星车行驶环境不符合,仿真效果不够逼真,且火星车在进行探测任务时难以根据实地环境选取最优路径。为了提高火星探测仿真的真实性,合理规划火星车探测路径,本文在虚拟现实的环境下构造火星地面基本特征模型,通过改进的蚁群算法完成了火星车探测路径规划,并验证了改进后算法的可靠性。本文的工作从以下几个方面展开:首先,本文针对火星地形地貌调研,得出火星环境仿真的基本特征及主要参数,并依据此环境特征在虚幻引擎4的开发环境中构造真实感火星仿真环境。通过灯光模型和纹理映射方法描绘火星地形地貌,采用粒子系统技术模拟火星沙尘效果,利用物理引擎插件实现火星环境的物理特性,最终实现了真实感火星仿真环境。其次,采用专业的三维建模工具3DS MAX搭建火星车模型,通过模型转化的方式将火星车模型与构建好的火星环境模型结合,并在仿真场景中添加多种特效,使得仿真界面更加逼真。采用视点跟踪技术,多视点、全方位的实现了火星场景漫游,最后结合虚幻引擎4和3DS MAX编写程序实现了火星车实时人机交互。随后,为了实现火星车在火星环境下的探测任务,需要对火星车的行驶路径进行路径规划。基于传统的蚁群算法具有容易陷入局部最优、规划速度慢等问题,本文提出了一种基于改进信息素更新方法,提高了三维路径规划的准确度,避免了搜索陷入局部最优。最后在MATLAB中进行了仿真验证,结果证明了该方法的有效性。最后,以虚幻引擎4作为视景仿真平台,将改进后的蚁群算法得到的最佳路径规划路线部署到火星仿真环境中,完成了从任务起点到目标点的火星探测任务视景仿真。
【学位单位】：北京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：V476.4;V411.8;TP391.9
【部分图文】：

?瑞士联邦理工学院基于星球车的力矩控制，研发出了动力学仿真软件??ＯＤＥ（ＯｐｅｎＤｙｎａｍｉｃｓＥｎｇｉｎｅ），用来计算复杂地面与车轮的相互作用力，如图１－２??所示。??：：身；??图１－２基于ＯＤＥ的星球车动力学仿真??随着我国航空航天事业的开展以及视景仿真技术广泛应用，国内己经有众多??研究院所和高校在从事相关研发工作，且在追踪国外先进技术的基础上，逐渐开??展了关键技术攻关、样车研制以及系统仿真的研宄工作，并取得了不错的研究成??果１１３１。２００７年，哈尔滨工业大学应用ＡＤＡＭＳ仿真软件将“六轮摇臂转向架式”??月球车视作一个复杂的多体系统，成功实现了月球车在崎岖路面的动力学建模和??仿真分析，得到了月球车各部件的动力学参数曲线｜｜４］。上海交通大学与上海航天??局根据虚拟现实与虚拟样机等相关技术，对月球车的设计、制造与仿ｊ［．等技术进??行了一系列的研究工作

（４）在火星北部的高地，存在类似火山的地貌，构成火山山脉、火山平原和火??山坑等地形；（５）存在类似地球河道的地貌；（６）火星每年都会发生尘暴，存在??各种各样的沙丘［２６］，２０１０年“机遇号”在火星地表拍摄的火星地形地貌如图２－１所??不。??■?＾??图２－丨“机遇号”在康塞普西翁撞击坑附近拍摄的火星地表??因国内外火星探测器没有带回真实的火星土壤样本，国内外学者根据己成功??登陆火星的火星车的车辙印迹反推出火星土壤的物理特性和力学性能。目前国内??模拟火星土壤力学性能推荐参数如表２－１所示???表２－１模拟火星土壤力学性能推荐参数???．．?推荐值??名称???疏松细粒类?适中块状类?密实硬质类??容重?１．１?ｇ／ｃｍ３?１．６?ｇ／ｃｍ３?２．０?ｇ／ｃｍ３??变形参数?１．０?１．０?０．８??内聚力变形模量?２８０００Ｎ／ｍｌｌ＋１?１?４００?Ｎ／ｍｎ＋１?６８００Ｎ／ｍ，１＋１??摩擦变形模量?７６０００００Ｎ／ｍｎ＋２?８２００００?Ｎ／ｍｎ＋２?２１００００Ｎ／ｍｎ＋２??内聚力?０．２?？１．６ｋＰａ?１＿２?？５ｋＰａ?５?？１５ｋＰａ??９??

［３Ｇ１。观察者的视点坐标即相机坐标，它是一个局部坐标系，其与世界坐标系的关??系如图２－２所示。??／?世界坐标系??／??Ｘ??图２－２相机坐标系和世界坐标系关系示意图??世界坐标系是仿真系统中的绝对坐标系，是在建议车体坐标系之前系统中的??所有坐标都以该坐标系的原点来确定各个模型的位置；车体坐标系是以火星探测??器的重心为原点建立三维直角坐标系，其ｘ、ｙ、ｚ各种正方向分别指向火星车的??前方、上方和下方，设定好车体坐标系即可通过脚本程序对火星车进行运动控制。??１２??
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本文编号：2849688