基于虚拟人技术的协同虚拟装配系统设计

发布时间：2017-09-06 18:21

  本文关键词：基于虚拟人技术的协同虚拟装配系统设计

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【摘要】：模拟训练是军事与航天工业中的重要课题,随着虚拟现实技术的快速发展,相关技术越来越多地应用到航天领域,运用虚拟现实技术进行仿真,借助虚拟现实设备,操作手可以在虚拟系统中,按既定的装配流程完成装配任务,获得接近真实的装配感受。从而降低测试发射的风险,减少资金的投入。针对我国航天任务越来越重,而平时工作中又缺少实装设备进行相关训练的情况,有必要建立协同虚拟装配系统,以提高人员实际操作技能和人才队伍的整体建设。论文在研究虚拟人技术的基础上,结合虚拟环境技术,通过物理引擎和交互区设计,完成了协同虚拟装配系统设计。主要内容有:①提出了协同虚拟装配系统的整体设计方案和系统应该具备的功能,从系统整体逻辑框架出发,特别说明了系统具有的独特的功能模块,从虚拟人和虚拟环境两个方面进行了需求分析,提出了设计子系统需要的技术和需要解决的难题。②对系统涉及的虚拟人技术进行研究:通过对人体运动捕获系统的分析和比较,优化了Vicon系统的硬件设计,减少了数据采集过程中的丢点数量,提高了系统数据采集的稳定性和可靠性。利用采集的实例数据创建了符合H-Anim标准的虚拟人模型和虚拟人姿态库。分析了现有虚拟人驱动技术,设计了基于分级几何统计模型的运动间插值算法,提高了系统合成的虚拟人运动的逼真度。设计了基于实例数据的逆运动学求解技术,将人体生理限制作为约束条件对逆运动学算法进行规划,提高了对虚拟人运动的实时控制效果。设计了判断运动数据对其时间的二阶导数的方法,有效减少了系统“误判”异常点的情况,并通过仿真实验,验证了在虚拟人运动过程中,该方法能够有效地减少模型发生扭曲等突变现象。③建立了虚拟环境和装配设备三维模型,采用多细节层次和碰撞检测等技术,完善了虚拟场景显示设计,建立了流畅、逼真、立体感突出的三维虚拟场景,实现了人员活动的立体场景逼真展示。并通过物理引擎和交互区设计,实现了虚拟人与虚拟环境、设备的交互,对集成的虚拟装配系统进行了测试,通过实际应用模式的演练,验证了本系统的有效性和可行性。在以某型号火箭为基础的教学训练中,该系统取得了良好的应用效果:既能给操作手身临其境的装配体验,又能达到对其他人员教学的目的,为提高航天测试发射能力发挥了重要作用。
【关键词】：虚拟人 运动合成 运动控制 虚拟装配 协同
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V465
【目录】：

• 中文摘要3-4
• 英文摘要4-9
• 1 绪论9-12
• 1.1 课题背景及研究意义9-10
• 1.2 国内外研究现状10-11
• 1.3 论文的主要工作及内容安排11-12
• 2 协同虚拟装配系统整体设计方案12-18
• 2.1 系统功能12-13
• 2.2 系统结构13-14
• 2.3 虚拟人子系统14-16
• 2.4 虚拟环境子系统16
• 2.5 小结16-18
• 3 虚拟人技术研究及应用18-41
• 3.1 虚拟人技术概述18-19
• 3.2 运动数据采集19-21
• 3.2.1 人体运动捕获系统19-20
• 3.2.2 VICON MX系统的优化20-21
• 3.3 虚拟人建模21-25
• 3.3.1 虚拟人的类型22
• 3.3.2 虚拟人建模标准22
• 3.3.3 虚拟人的几何表示方法22-23
• 3.3.4 建立虚拟人模型与姿态库23-25
• 3.4 虚拟人运动合成25-30
• 3.4.1 虚拟人驱动技术26
• 3.4.2 基于实例数据的运动间插值实现运动合成26-29
• 3.4.3 实验结果29-30
• 3.5 虚拟人运动控制30-36
• 3.5.1 运动控制技术30-33
• 3.5.2 基于实例数据的逆运动学技术实现运动控制33-35
• 3.5.3 实验仿真35
• 3.5.4 运动数据库管理35-36
• 3.6 丢点检测与补偿技术36-40
• 3.6.1 异常标志点检测37
• 3.6.2 异常点的补偿37-39
• 3.6.3 实验仿真39-40
• 3.7 小结40-41
• 4 虚拟环境子系统设计41-48
• 4.1 虚拟环境建模41-43
• 4.1.1 厂房建模41-42
• 4.1.2 结构建模42-43
• 4.1.3 仪器建模43
• 4.2 虚拟环境仿真43-46
• 4.2.1 多细节层次43-45
• 4.2.2 复杂场景中的三维模型驱动45-46
• 4.2.3 三维模型碰撞检测46
• 4.3 物理引擎设计46-47
• 4.4 小结47-48
• 5 协同虚拟装配系统实现及应用48-60
• 5.1 人机交互接口48-50
• 5.2 虚拟装配系统50-52
• 5.2.1 虚拟装配系统集成50-51
• 5.2.2 虚拟装配系统功能51-52
• 5.3 多人协同虚拟装配系统52-54
• 5.3.1 系统特点52-53
• 5.3.2 系统组成53-54
• 5.4 系统测试54-57
• 5.4.1 硬件准备54-55
• 5.4.2 软件准备55
• 5.4.3 测试记录55-57
• 5.5 系统应用57-59
• 5.5.1 系统应用模式57-58
• 5.5.2 系统应用效果58-59
• 5.6 小结59-60
• 6 结论60-62
• 6.1 全文总结60-61
• 6.2 未来展望61-62
• 致谢62-63
• 参考文献63-66
• 附录66
• A. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录66
• B. 作者在攻读学位期间参加的科研项目目录66

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本文编号：804709