初三机器人科学论文2000字(2)
初三机器人科学论文2000字
初三机器人科学论文2000字篇二
浅谈水下机器人三维视景仿真
【摘 要】水下机器人的三维视景仿真是仿真技术在水下机器人发展与研发过程中具有重要作用。提出利用3Dmax软件构建水下机器人的三维仿真模型，利用OGRE引擎和VS2008编程环境进行实时驱动和人机交互的控制，实现水下机器人的运动控制。
【关键词】水下机器人;视景仿真;运动模型;OGRE0.引言
发展海洋是新时代的必然趋势，水下机器人对海洋开发、海洋调查测绘及相当多水下作业都有举足轻重的作用。水下机器人系统的研究和开发中，仿真技术可以缩短其研制周期、提高研发质量和减少经费，避免因系统故障时导致其丢失的严重后果。三维视景仿真技术广泛应用于军事、航海、航空航天、游戏及医疗等领域，是集图形学、图像处理、模式识别、网络等计算机技术高度发展的一门综合性技术。
3Dmax与OGRE(Open-source Graphics Rendering Engine)是近年来得到迅速发展的嵌入Windows三维模型仿真技术。它性能卓越，API具有良好的可移植性。本文通过3Dmax建模和OGRE 3D引擎作为仿真平台，及Qt设计窗口，在Visual Studio2008环境下完成仿真。
首先配置好VS2008和OGRE开发环境，主要是一些插件和动态链接库，定义OGRE将要使用的资源，选择并设置渲染系统。通过初始化使用一些资源，并用这些建立一个场景，启动渲染循环。
1.仿真的一般流程
通常我们先用软件Creator、3Dmax、Photoshop和Auto CAD等画出一维、二维及三维的仿真图形库。一些特殊的如仿生鱼水下机器人建立时图形仿真时用到了自由变形计轴变形及其他样条曲线理论的支持完成。到最后显示的视景仿真一般都是通过Vega或者OpenGL再通过Visual studio编译执行写好的虚拟现实代码等来实现仿真，而且3D仿真大都需要进行碰撞检测。为了设计窗口的方便可能运用MFC或其它工具来设计人机交互窗口，最终形成一个完整的仿真系统。
2.模型的建立
通过3Dmax所得到的水下机器人三维模型。
根据国际水池会议推荐，建立固定坐标系(惯性坐标系)和运动坐标系(附体坐标系)上图的水下机器人也将按此坐标系[1]。
由于完整的六自由度运动方程具有极强的非线性和耦合性，所以需要我们进行解耦进而进行求解。对于方程的简化与求解大多数专家并没有给出，不过我们通常根据不同的水下机器人的形状等特点来适当减少式中的未知量及个数，一般将各方向的运动都简化为平面运动。简化得到的方程式不但有的时候能让我们更容易的得到未知量来实现仿真，而且对于水动力系数等得求解也简单的多。三自由度、五自由度及六自由度的操纵性方程是最常见的，有的为了方便甚至直接简化为一维的线性方程，再通过一些其他的算法来趋紧真实的结果。
水动力模型相对复杂，最简单就是力、力矩对速度、加速度、舵角等的一阶偏导数即线性流体水动力导数。这里就不诸一列举各项研究所用的水动力方程，水动力系数的选取与获得现在一般是通过经验公式、拖曳实验及CFD技术。其中拖曳实验应该是最准确的，但是它也受到实验环境及未知因素的影响。CFD技术已经被张赫等人验证了其具有一定的准确性[2]。
其中附加质量及附加质量所形成的力及力矩经常被放到质量矩阵里面。张赫也提过用面缘法来对惯性水动力系数进行估算。张晓频采用现有的比较成熟的商业流体力学软件FLUENT模拟潜水器的粘性绕流流场，模拟阻力试验、斜航试验和平面运动机构(PMM)试验，求解操纵性水动力系数。建立多功能潜水器六自由度运动的数学模型，编写仿真程序，预报其操纵性能[3]。
带有均衡潜伏系统的数学模型的建立，推进器的推力模型，舵的水动力系数模型及升降系数模型，海流模型、海浪模型及带缆的数学模型等。这些模型有的时候对仿真系统的仿真结果影响不大，有的时候却是起到主要影响作用，因此我们要视情况而定以达到仿真的最佳效果。梁宵构建了舵、翼、桨联合操纵的微小型水下机器人运动仿真系统，讨论PDCE运动控制系统结构及主要组成部分并通过外场试验来验证其可行性及可靠性[4]。
3.视景仿真的应用
不论我们研究什么理论到最后都要进行试验的验证，仿真就是为了使得试验更简单，更直观，风方便，甚至可以做到一些现实中无法做到的假设试验。
张赫过定常流动和非定常流动这两种情况进行不同试验形式的模拟计算，在得到模拟结果的同时，给出相应循环水槽试验结果，最后做出对比结果的分析。其中定常运动包括模拟直航试验和模拟斜航试验，非定常试验包括模拟平面运动机构进行的五种操纵性试验。最后在结论分析中对上述三种数值计算方法进行了总体的比较和分析，并由试验结果给出了用于建立潜水器空间运动方程的各个系数。为了我们的研究需要，可以发挥我们自己的想象合理的去做仿真试验，会得到意想不到的好处与突破创新。
4.结论
建立了动力学模型，研究了对象的水动力性能，得到运动方程所需的水动力、重力、浮力、推进器作用力等，并在此基础上建立了以推进器为主要操纵方式的运动仿真系统，对水下机器人的运动完成视景仿真，得到视景仿真的效果图。我们不但可以做不同的试验来获得水下机器人的操纵性能、适航性及受力变化情况，还可以此来对其进行结构上分析与设计。之后我们还可以将水下机器人的高度智能化进行视景仿真来验证与设计。还可以对某些重要的系数进行参数识别的仿真实验，还要继续加强视景仿真的真实性，来适应需求更高的仿真。 [科]
【参考文献】
[1]贾欣乐，杨延生.船舶运动数学模型.大连海事大学出版社，1999.
[2]张晓频.多功能潜水其操纵性能与运动仿真研究.哈尔滨工程大学硕士学位论文，2008.
[3]长航程潜水器操纵性能与运动仿真研究.哈尔滨工程大学硕士学位论文，2009.
[4]梁宵.微小型水下机器人运动控制及可靠性研究.哈尔滨工程大学博士学位论文，2008.
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