失重状态下旋转陀螺交互操作的仿真研究

针对在地面难以使用实物进行空间操作任务训练的问题,提出了一种基于人机交互和物理引擎技术的交互操作虚拟仿真方法,并实现了失重状态下旋转陀螺的虚拟操作训练。实现中首先建立航天员和陀螺的三维图形模型和用于碰撞检测的物理模型,并采用虚拟现实设备数据手套和位置跟踪仪实时跟踪获取受训人体的实时运动数据,用于交互控制虚拟航天员的运动,最终通过物理引擎及仿真算法计算失重状态下旋转陀螺的运动状态。结果显示,该方法较好地解决了旋转陀螺定轴特性仿真问题,能够满足虚拟训练的实时性和有效性要求。     

基于体态识别的航天员虚拟训练仿真技术研究

以未来空间站任务建设虚拟现实训练器为需求,为了最大限度地降低虚拟现实设备穿戴给航天员带来的额外束缚,提出了一种新的基于体态识别的航天员虚拟训练仿真系统:采用平行双目视觉原理和偏振立体电视实现立体图像的生成与显示;采用人体三层模型实现虚拟航天员表达,采用骨骼动画实现人体典型动作自动演示、Kinect实现人机交互过程中人体跟踪和运动控制,适合于空间站任务航天员训练、工效验证、典型流程演示等人机交互应用。     

力封闭虚拟手抓持规则研究

针对航天员虚拟训练虚拟手抓持操作中传统的碰撞检测和几何约束抓持规则判定标准简单、仿真效果不理想的问题,在力封闭判别和稳定静力抓持模型的基础上,提出了力封闭虚拟手抓持规则,实现了通过力与力矩计算判别是否抓持成功。并设计了两组抓持试验,从抓持接触点、被抓持物体材质等角度对抓持规则判定进行验证,结果证明该抓持规则可根据抓持手姿、被抓持物体材质,通过受力模型对抓持是否成功进行判别。通过力封闭计算制定抓持规则的方法,使抓持更符合实际抓持,为基于物理的虚拟手抓持研究提供了一种方法,可以应用到航天员虚拟训练虚拟手抓持中。     

中性浮力和失重环境人体运动仿真比较研究

为了模拟失重状态,航天技术发达的国家都建立了用于航天员出舱活动训练的中性浮力水槽。但与太空失重环境相比,水中存在的水动阻力会导致两种环境下人体运动反馈的差异性。基于ADAMS多体动力学仿真软件,按照“飞天”舱外航天服的质量分布,建立了着舱外服人体动力学模型。利用此模型仿真比较了水下和失重环境中肘关节屈伸、肩内收外展、肩矢状面内运动时人体躯干的动力学反馈,发现水下环境中模型躯干的转动速度峰值和平均值均较大。研究结果已应用于神舟七号载人飞行任务出舱活动航天员训练,建立的航天员人体动力学模型可应用于我国未来空间站任务出舱活动仿真分析。     

虚拟手操作随动仿真算法研究

针对在交互操作过程中虚拟手抓持物体后,虚拟手及被操作物体如何逼真跟随运动的问题,分析了虚拟手交互操作过程。对虚拟手采用两层仿真模型,对绕轴转动类物体提出以转动角度计算其和虚拟手的随动算法,该算法保证了在移动过程中虚拟手与被操作对象的接触位置不变,实现了连续随动。给出了支持无约束自由移动类物体、有约束沿固定方向移动类物体和有约束绕轴转动类物体虚拟手交互操作统一仿真流程。最后通过空间站舱门和灭火器交互操作仿真实例对仿真流程和随动算法进行了综合验证,结果表明,仿真流程能适应不同约束类型的物体操作仿真,随动算法使得操作与视觉反馈一致,交互操作简单自然,实时性好,为后续航天员采用虚拟现实训练提供了有效的基础算法。     

航天员舱内活动的分析及仿真

分析了自由态航天员的运动特性,对航天员在失重状态下的转体技术进行了仿真;根据人体力学的生理学基础,建立了航天员的力量分析模型;使用最优控制方法,对航天员在任务操作时的姿态进行了优化。     

虚拟转台实现

使用CAD软件建立转台台体机械结构的虚拟模型以获得机械台体的物理特性。将转台物理特性引入虚拟转台系统来进行虚拟转台的实时控制,并使用D irectX技术实现转台控制过程中的实时三维模型显示,从而实现虚拟转台的系统调试验证。     

近地空间航天员训练视景真实感渲染技术研究

载人航天任务中,地面模拟训练是培养提升航天员操作技能的重要手段。视景系统是航天飞行训练模拟的重要组成部分,高逼真度的仿真场景对提升航天员训练效果有重要的意义。针对空间视景仿真场景调度和渲染的特殊性,提出并设计实现视景仿真软件的总体架构。对影响空间场景真实感的地球纹理数据库的生成和调度技术、大气散射仿真技术、场景光照实时渲染等关键技术进行研究,融合各种方法,在视景仿真系统中基于GPU实现。试验验证表明,实现算法准确,模型设计合理,已经应用于航天员的训练中。     

模型实时驱动的航空发动机沉浸式虚拟运行系统

为实现多学科信息的融合与沉浸式表达,针对当前虚拟现实技术在航空发动机领域的应用存在多学科信息综合表达不 足、仿真实时性低等问题,开发了一种跨学科异构模型集成仿真的航空发动机沉浸式虚拟运行系统。在信息融合与实时交互方 面,研究航空发动机气动热力性能实时仿真、实时控制、参数化结构建模与仿真、数据实时共享与多学科联合仿真集成等技术,实 现了模型实时驱动的航空发动机虚拟运行功能;在数据可视化及3维渲染方面,研究结构数据轻量化处理技术、实时渲染优化技 术,对温度、压力等流场数据进行实时映射,实现了逼真、流畅的沉浸式实时渲染效果。基于上述研究工作,在中国首次开发了1 套由模型实时驱动、跨学科数据集成的航空发动机沉浸式虚拟运行系统,结果表明：该系统实现了发动机结构、系统和性能模型数 据的关联与交互。相关技术和成果可用于协同设计、沉浸式评审、虚拟培训等场景,为未来实现数字孪生、虚实融合的数字发动机 研发提供关键技术支撑和参考。     

多自由度大型装配工艺装备虚拟建模与仿真

多自由度大型装配工艺装备的结构和驱动形式复杂.通过分解大型工装的自由度,引入运动构件层次结构对工装进行多自由度抽象建模,提出一种节点单元结构构建虚拟环境下的工装模型,并建立了适用于多自由度工装建模的模板;基于多自由度工装模型,通过实时交互指定虚拟环境中工装与装配对象的关系,实现工装和装配对象的组合运动仿真;开发了用于多...     

基于DEVS的柔性制造系统逻辑建模与PLC程序设计

针对柔性制造系统控制方案设计过程中逻辑复杂、调试周期长、调试成本高等问题,提出一种基于可试验数字孪生体的虚拟调试方法.该方法以分层的方式建立物理系统的孪生模型,基于离散事件系统规范的扩展形式构建设备层、单元层、系统层3层的逻辑模型,通过仿真对逻辑模型进行重复验证与修改.建立了逻辑模型到PLC程序的映射规则,实现了PLC...     

航天员低重力运动模拟训练方法与研究综述

针对主要应用于航天员模拟失重训练与低重力环境下的人体科学研究的低重力环境模拟方法,介绍了包括抛物线飞行、中性浮力水池、虚拟现实技术、悬吊式重力补偿系统以及新近出现的被动式外骨骼系统等在内的国内外模拟低重力环境主流方法的工作原理与利用这些方法开展的科学研究与工程应用,对这些方法的优缺点与适用条件进行了比较与分析。发现抛物线飞行的低重力模拟效果较好,但持续时间有限;中性浮力水池为低重力模拟训练提供了充足的空间,但液体阻力会影响训练的效果;虚拟现实技术无法提供对低重力的体感;气浮台与悬吊式重力补偿系统虽然能对航天员受到的重力进行补偿,但其结构对航天员的运动构成了一定的限制。提出研发低重力模拟功能完善、低重力模拟范围可调、多运动自由度、人机工效良好以及支持多人与人机协同训练的新一代低重力模拟系统,作为开展航天员低重力环境模拟训练和低重力人体运动生物力学实验研究的平台,以满足未来载人航天任务的需求。     

XNA环境下数据手套交互模块的研究与实现

数据手套作为虚拟现实系统中自然的人机交互设备,能够将人手的姿势实时地传递到虚拟环境中,使用户能够更加有效而自然地与虚拟世界交互。在VC＋＋．NET中封装5DTSDK中的系统函数,解决了XNA与指针接口交互困难的问题,实现了数据手套供XNA使用的COM交互接口;通过在XNA中使用骨骼蒙皮技术,消除了传统虚拟手皮肤出现裂纹等问题;根据人手的运动学特点,在XNA中实现了虚拟手与数据手套的实时交互。实验表明,虚拟手模块能够实时、逼真地实现人手的运动。     

某电源管理仿真测试环境软件的设计与实现

介绍了某电源管理的仿真测试环境软件的设计与实现,仿真测试环境硬件采用工业控制计算机,软件采用图形化语言LABVIEW来实现。仿真测试环境为电源管理提供完整的虚拟的运行环境。在仿真测试环境中用运行图实时地显示电源管理的运行状态,且能动态的设置仿真测试环境的状态,改变电源管理的运行环境。本仿真测试环境具有良好的人机交互界面,能够实时地与电源管理进行交互。     

自动攻击引导可视化仿真系统软件设计

对可视化仿真相关的MultiGen Creator建模技术以及Vega Prime的实时渲染技术进行了深入研究。通过实时网络接收飞行仿真得到的数据,驱动飞机模型,实时更新位置、姿态以及虚拟仪表显示,实现了自动攻击引导可视化仿真系统。     

交会对接航天员训练电视图像仿真

以航天员对接过程电视图像仿真为应用背景,研究了近地空间复杂光环境下电视摄像机曝光成像特性和人的视觉成像感知特性,提出了一种基于GPU延迟着色模式下的空间图像浮点纹理着色、光饱和特效、调光和高动态映射显示的电视图像实时渲染方法。采用浮点纹理、高斯模糊等方法实现了逼真源成像和特效渲染;基于降采样的图像平均亮度统计,采用光源亮度和像素亮度两种调节模式实现了实时调光仿真,应用色调映射实现了目标图像的视觉感知高动态渲染显示。经工程验证,仿真图像与实飞图像一致,可以满足航天员训练,具有很好的工程应用价值。     

一种无源被动式人体低重力模拟系统的力学性能仿真分析

针对未来登陆月球或火星的航天员在地面进行低重力模拟训练的需要,设计了一种采用被动重力平衡技术的人体低重力模拟外骨骼系统,利用弹簧平行四边形机构实现对人体重力的补偿。首先,基于势能守恒原理设计了躯干重力平衡外骨骼和下肢重力平衡外骨骼;然后,通过人体生物力学仿真软件对外骨骼系统进行了仿真分析,分别在月球环境和地面穿戴外骨骼环境下进行了搬运重物和步行运动,并对比了运动时的地面反作用力、肌肉力等数据。仿真结果表明：该人体低重力模拟系统可以使受训者的关节和肌肉感受到失去部分重力载荷,能够较为准确地模拟低重力环境下的运动效果,具有可行性。     

基于Virtools的舰载机着舰拦阻仿真研究

针对舰载机拦阻着舰问题,建立了舰载机着舰拦阻的动力学模型,综合考虑航母运动、甲板风、着舰姿态等问题,然后利用建模软件CATIA及视景驱动软件Virtools建立虚拟的海洋环境和舰船载机的几何模型,并实现了对舰载机和舰船的6自由度运动的实时控制。仿真结果说明该仿真系统较好地模拟了舰载机着舰拦阻的真实情况。     

模拟失重条件下航天员旋转运动方法实验验证

航天员太空飞行中,需要改变自身位置与朝向以完成不同的作业任务,当其无法触碰到手脚限制器等借助物时,会涉及通过自身动作的转换产生人体旋转的问题。为此,首先基于Roberson-Wittenburg方法建立了人体动力学方程,据此提出能够使得人体转动的肢体操作方法,然后采用悬吊法模拟太空失重环境,对比不同控制方法产生的旋转作用效果,发现肢体旋转时与身体的夹角和肢体旋转速度是影响人体旋转完成时间和关节力矩的主要因素,最后结合推荐动作与实验结果提出空间姿态变换运动的操作建议。结果表明本文推荐动作有一定的优越性,对航天员处于太空中的自旋转运动具有实用意义。     

数字化车间虚拟监控系统研究

传统的虚拟监控系统管理层与执行层信息交互能力不足,不能满足当前车间监控需求,基于虚拟现实技术与信息集成技术,建立车间状态监控系统,实现整个车间内人员、物料、设备等位置及状况的实时监控.系统以三维制造资源模型为基础构建数据逻辑模型;采用XML规范建立系统模块间的数据接口;利用实时状态数据驱动三维虚拟模型;利用Unity3D技术实现虚拟场景的渲染与实时人机交互,最后通过实例验证了系统的有效性.