（机械制造及其自动化专业论文）基于虚拟现实的车辆振动测试仿真技术研究.pdf

学号 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝至三盘堂或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签名：疋旱 签字帆2 u t ，f 年3 月矿同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘鲎有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权逝姿盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：- 鬈一翠 签字日期：三口t 7 f 年5 月gr 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 新签名髑口l 孓 签字蹶如字3 月7 r 电话 邮编 一一 塑坚查堂堡主兰些堡塞 a b s t r a c t t h et e s t i n gt e c h n i q u ei si n d i s p e n s a b l ei nm o d e m i n d u s t r yt h ed e v e l o p m e n t o fc o m p u t e rt e c h n i q u e sr e s u l t si nt h e a p p e a r a n c ea n da p p l i c a t i o no fv i r t u a l t e s t i n gt e c h n i q u e m e a n t i m e ，t h e v i r t u a lr e a l i t y ( t h ea b b r e v i a t i o ni sv r l t e c h n i q u e ，w h i c hh a ss h o w ni t su n e x a m p l e da d v a n t a g e si nt h ep r o d u c t i o na n d a s s e m b l ya sw e l la sp r o f e s s i o n a l st r a i n i n g i sa n o t h e ro n er i s i n gi nt h er e c e n t y e a r sa n dh a sb e c o m et h ep o w e ra d v a n c i n gt h et e c h n i q u er e v o l u t i o n t h e c o m b i n a t i o no ft h e s et w ot e c h n i q u e sl c a d st ot l l ev i r t u a lt e s t i n gt e c h n i q u eb a s e d o nv r w h i c hh a sl o w e rc o s ta n dw i d e ra p p l i c a t i o ni nc o n t r a s tw i t ht h e t r a d i t i o n a lo n e m o r e o v e r , t h i sn e wt e c h n i q u ee n a b l e st h ep r e d i c t i v et e s t i n g b e f o r ep r o d u c t i o na n da s s e m b l y n l e r e f o r e i th a sb e e nt a k e ni n t oa c c o u n ti nt h e a r e ao fm a n u f a c t u r ea n da c a d e m e a c c o r d i n gt ot h ep r o j e c to ft h ev i r t u a lt e s t i n gf o rv e h i c l er i d et o m f o r t ，t h e t h e s i sp e r f o r m st h ea n a l y s i si nd e t a i lf o rt h er e q u i r e m e n ti nr e a l i t yo nt h eb a s i so f t h et h e o r ya b o u tv i r t u a lm o d e l i n ga n dv i r t h a li n s t r u m e n t i na d d i t i o n i tt r i e st h e e x p l o r a t i o na n dr e s e a r c hf o rt h ea p p l i c a t i o no f t h ev i r t u a lt e s t i n gt e c h n i q u eb a s e d o nv r t h ef i v ec h a p t e r sj nt h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： i nc h a p t e ro n e ，t h ev i r t u a lr e a l i t yt e c h n i q u ea n dt h ev i r t n a lt e s t i n gt e c h n i q u e a r ei n t r o d u c e d t h e nt h ec o n t e n ta n da d v a n t a g e so ft h ev i r t u a lt e s t i n gt e c h n i q u e b a s e do nv ra r ed i s c u s s e da n dt h es i g n i f i c a n c eo ft h er e s e a r c hi n t h i sa r e ai s p r e s e n t e d t h em a i nd e s c r i p t i o na n dt h ef r a m eo f t h i st h e s i sa r eg i v e n ，t o o i nc h a p t e rt w o t h ei d e ao ft h ea p p l i c a t i o nf o rv i r t u a lm o d e l i n gi si n d i c a t e d a tf i r s t t h ef u n c t i o no ft h ev i r t u a lm o d e l i n gi nv i r t u a lt e s t i n gi se x p l a i n e da n d a d v i s et h a tt h em o d e l i n gi sc o m p o s e do fg e o m e t r ym o d e l i n g ，k i n e m a t i c s m o d e l i n ga n dp h y s i c sm o d e l i n g t h e nt h ep r o c e s so fg e o m e t r ym o d e l i n g ，t h e p l a no f k i n e m a t i c sm o d e l i n ga sw e l la st h eb u i l d i n ga n ds o l u t i o no f t h ed y n a m i c s e q u a t i o n si np h y s i c sm o d e l i n ga r ed e s c r i b e d f i n a l l y , t h eu s eo ft h ev i r t u a l s e n s o rc o n t a i n e db yt h et e s t e dm o d e li ss h o w n i nc h a p t e rt h r e e ，t h ei d e ao ft h ea p p l i c a t i o nf o rv i r t u a li n s t r u m e n ti s p r e s e n t e d ；m e a n w h i l e t h er e a s o nw h yt h ev i r t u a li n s t r u m e n ti sa p p l i e di nt h e v i r t u a lt e s t i n gb a s e do nv ri se x p l a i n e d t h e n i ti sd e s c r i b e di nd e t a i lt h a tt h e i d e ai n c l u d e st h ep a r t sc o m p r i s e db yv i r t u a li n s t r u m e n t ，t h ef u n d a m e n t a lo ft h e e a c hp a r ti nr e a ls y s t e ma n di t sd i g i t a lm e t h o d sf o rr e a l i z a t i o n ， t h ef o u r t hc h a p t e ri st h ee x t e n s i o no fc h a p t e rt w oa n dt h r e e o nt h eb a s i so f t h ei d e ao fa p p l i c a t i o nd i s c u s s e da sa b o v e ，i ta d v i s e st h eu s u a lt e c h n i q u e s ，w h i c h i n d i c a t et h ev a l u a b l em e t h o d so ft h ea c c e l e r a t i o nf o rt h es o l u t i o no fd y n a m i c s e q u a t i o n s t h ea v o i d a n c eo f t h ec o n f l i c t sf r o mi n n e ro p e r a t i o n sa n dt h ep r o b l e m h o wt or e n e wt h et e s t e dc u r v er e a m i m e ，f o rr e a l i z a t i o no fv i r t u a lm o d e l i n g sa n d i n s t r u m e n t si nt h er e a ls y s t e mc o n s i d e r i n gt h ep r o j e c tp a r t i c i p a t e di n t h el a s tc h a p t e ri n c l u d e st h em a i nr e s u l t sa n dc o n c l u s i o no ft h i st h e s i s f u r t h e r m o r e i ti n d i c a t e st h ep r o s p e c to ft h ef u r t h e rr e s e a r c h 第2 页共2 页 浙江人学硕t 学位论文 k e yw o r d s ：v i r t u a lr e a l i t y ，v i r t u a li n s t r u m e n t ，v i r t u a lt e s t i n g ，v i r t u a lm o d e l i n g ， v e h i c l er i d ec o r n f o r t 第3 页共3 页 浙江人学坝i 学位论文 第一章绪论 i 内容提要】介绍了课题研究背景和要求，阐述了基于v r 的 测试 技术在现代工业中的作用，以及国内外在该研究领域的现状和趋势，并 结合工程项目提出本文的研究内容，最后给出了论丈的总体框架。 1 1 基于v r 的虚拟测试技术的概念 1 1 1 虚拟现实技术 v r 是虚拟现实( v i r t u a lr e a l f r y ) 的英文缩写，该技术是计算机技术发 展到一定水平时诞生的现代模拟技术。它是指综合利用计算机图形系统和 各种显示和控制等接口设备，在由计算机上生成的、可交互的三维环境( 能 提供沉浸感觉) 的技术。v r 系统包含操作者( o p e r a t o r ) 、机器( m a t h i n e ) 及人机接口( h u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ) 三个基本要素，其中机器是指安装 了适当的软件程序，用来生成用户能与之交互的虚拟环境的计算机，人机 接口则是指将虚拟环境与操作者连接起来的传感与控制装置。和其他的计 算机系统相比，v r 系统可提供实时交互性操作、三维视觉空间和多通道( 视、 听、触、味等) 的人机界面。v r 技术克服了传统的人机接口方式的弊端，将 会改变人类获取信息的方式。提高人机之问的和谐程度“。1 。 v r 系统具有沉浸一交互构想( i m m e r s f o n i n t e r a c t i o n i m a g i n a t i o n ) 三个基本特征。以v r 技术创建的虚拟环境，特别强调人参与其中的身临其 境的沉浸感，同时人与虚拟环境之间可以进行多维信息的交互作用，参与 者从定性和定量综合集成的虚拟环境中可以获得对客观世界中客观事物的 感性和理性的认识，从而深化概念，建造新的构想和创意。 伴随着计算机硬软件技术的进步，v r 被越来越多地应用于生产、生活 中，衍生出制造和测试方面的一系列新技术。由于社会的进步和人民生活 水平的r 益提高，传统的批量、大规模的、长周期的生产模式j 下面临着多 样化、个性化需求的挑战，全球制造业之间的竞争越来越激烈。正是在这 样一种需求下诞生了基于v r 的制造技术( 即虚拟制造) 它以企业或产品 的柔性、快速响应性，以及一次制造成功为标志，其研究和发展得到人们 的极大重视，将为制造业带来革命性的影响。基于v r 的制造技术是c a d c a m c a e 技术发展的更高阶段，也是计算机图形技术、虚拟现实技术、仿 真技术发展的产物，对产品开发具有重要的实用意义。它是以计算机仿真 技术为基础，对设计、加工、装配、维护等环节经过统一建模后，形成虚 拟的环境、虚拟的过程、虚拟的产品。通过仿真及时发现产品可能出现的 第6 贾共f i 页 一堑鋈叁兰堡! ：兰堡堡塞 错误和缺陷，进行产品性能和工艺的优化，以保证产品质量。基于v r 制造 技术这种软件技术填补了c a d c a m 和生产过程管理之间的鸿沟。在诸多先 进技术中，它是引人注目的和有重要影响的新技术”。 v r 技术除了在生产领域内应用外，在培训过程中也得到了广泛的应用。 由于v r 技术可以模拟出一个与真实世界极其相似的虚拟世界，因此，在虚 拟世界中的训练成果可直接应用于现实世界。用v r 技术制作出来的虚拟世 界的真实感越强，沉浸性和交互性越强，训练的效果就越好。采用这种基 于v r 的培调技术就可以在低成本的前提下，使训练质量不出现明显的下降， 而且保证了训练时的安全。 v r 技术的显著优点令其很快就得到了应用。在美国，麻省理工学院、 里海大学、爱荷华大学、标准与技术研究院、通用电气公司等单位自9 0 年 代起先后提出了虚拟企业、虚拟制造环境、虚拟制造技术等先进概念。美 国国防部和自然科学基金会资助多家研究单位共同制定了以敏捷制造和虚 拟企业为核心的“下一代的制造”计划。虚拟制造技术首先在航空、航天、 军事、汽车等领域中获得成功的应用。例如，美国波音公司的b o e i n g7 7 7 飞机的设计就是虚拟制造技术的成功范例。b o e in g7 7 7 的整机丌发都是在 计算机上完成的，开发周期从通常的8 年减少到5 年。该机的设计、装配、 测试均在计算机中完成模拟，初步做到无纸设计，一次试制成功。同时， 在没有样机的情况下，波音公司就接受了来自新加坡的b o e i n 9 7 7 7 的第一 批订单。在欧洲，丌展了以大学为中心的虚拟制造技术研究。在r 本，虚 拟制造技术的研究偏重于应用，主要进行虚拟制造系统( v m s ) 和虚拟企业构 造的研究“”。 1 1 2 虚拟测试技术 生产的现代化程度越高，精度的要求也就越高。传统的测试技术需要 专用仪器，其制作和维护的成本都很高，而可测试的范围又往往很狭窄。 此外，传统的测试仪器必需在产品的生产过程结束之后才能开始测试，如 果发现产品不合格，那么意味着因产品报费而带来的损失己无法挽回。虚 拟测试技术是应现代化生产的需要而生成的技术，其优点就是能弥补传统 测试技术的缺陷。它是当今计算机技术与测试技术相结合、相渗透的产物。 在计算机及相应硬件环境中，引入虚拟仪器的开发平台，可以用最快的速 度设计、调试和开发实际用于传统制造或虚拟制造技术中的测试系统，使 工业制造过程中的测试、控制系统更加灵活，使制造过程更经济、更高效。 虚拟测试的概念从诞生开始，一直随着相关技术的进化而进化。早期 的虚拟测试是指利用虚拟仪器技术来进行测试工作。它将计算机资源与仪 器硬件、数字信号处理技术结合，在系统内共享软硬件资源。在该系统中 将某种仪器的若干功能或将多种测试仪器的功能、技术参数、精度指标以 及面板控件等以软件形式集成于计算机内的一个“测试功能软件库”中，即为 测试系统的软件系统；作为软件载体的计算机，与各种不同类型的模块化 硬件( 传感器、采集卡等) 接口，成为一个完按的测试系统。在测试过程中， 利用探测头或传感器直接或间接地获得待测量的数掘，并将其通过硬件接 口传回到计算机中的软件系统中，再由相关软件对数据进行处理，最后将 第7 页共7 页 浙江人学硕十学位论文 最终的结果展现在仪器面板上，而该面板也是由相关软件生成在计算机屏 幕上。 这种虚拟测试系统既有普通测试系统的功能，又有测试系统所没有的 灵活性。它把由厂家定义仪器功能的方式转变为由用户自己定义仪器功能， 用户可根据测试功能的需要，自己设计所需要的仪器系统，只要将具有一 种或多种功能的通用模块相组合，并且调用不同功能的软件模块，就能组 成不同的仪器功能。当测试要求改变时，只要增加或更换仪器软硬件模块 或修改相关的参数，就可以构成新的测试系统，而不必重新购买。显然， 这种虚拟测试系统完全克服了传统测试系统灵活性差的弱点，但它的测试 对象仍是生产完成后的产品。也就是说，它和传统测试系统一样，不具备 “预先”测试的能力，所以也就无法挽回本可避免的损失。随着v r 技术的 进步和生产理念的更新，虚拟测试的概念也发展到了一个新的阶断，即测 试的对象不一定是生产完成后的现实产品，它可以是只存在于虚拟现实中 的虚拟产品。这就是基于v r 的虚拟测试技术。 1 1 3 基于v r 的测试技术 采用基于v r 的测试时，被测试的往往是利用v r 技术在计算机中 生成的虚拟产品，测试时使用的也是虚拟传感器，即用于采集有关数据的 专用软件模块，而并非现实硬件。位于传感器和后续处理软件间的接口当 然也是软件模块。在这种基于v r 的测试系统中并不是没有真正的硬件，但 这些硬件的作用主要是实现人机交换。 虚拟测试信息是通过数学原型的属性集得到的。在虚拟制造领域建立的 虚拟测试对象具有多样性，对测试对象数据原型的属性进行了定义、分类， 然后，构造数据传感器、数据集成块软件，在激活的三维实体图形上，选 取各种数据传感器和数据集成块软件，进行有关测试信息的参数测量。虚 拟测试系统中的数据传感器、数据处理集成块具有模块化、系列化、通用 化的特征。“ 软件化和集成化使这种虚拟测试系统的科技信息含量很高，并且在现实 产品生产过程结束这之前就具备“预先”测试的能力，所以投入很少的人 力、物力和财力，就可以产出现代化的高科技产品，而且在技术领域中的 制造工艺方面，能够确保实现软加工、软装配和软调试，使整个工艺设计 变为程序编制。同时由于基于v r 的制造技术包括虚拟设计、虚拟加工、 虚拟装配和产品检测等，但这些部分都是围绕自身的完善来发展的，缺乏 相互的渗透和交叉，所以，必须引入虚拟测试技术，将其贯穿于虚拟设计、 制造、装配和性能检查模拟的全过程。因而，虚拟测试技术形成后不久就 被应用于虚拟制造领域。而且，由于计算机硬、软件技术的更新速度非常 快，这就使基于v r 的虚拟测试系统的更新速度远远高于传统的测试系统， 因而该技术本身蕴含着极大的能量来地推动虚拟制造技术的发展。 此外，基于v r 的虚拟测试技术具有更大的灵活性，因为它仅需通过修 改软件中视景图像有关参数的设簧，就可模拟现实世界中物理参数的改变， 这样，随着任务的变化，已有的软件再经修改即可满足新任务的要求，所 以十分灵活、便利。在一些特殊的、环境受到限制的场合，通过虚拟的景 第8 页共8i ! ) _ i 一 塑婆查兰堡：! ：堂些堡兰 象和声响就可以模拟或复现测试现场和过程，由此展丌的相应试验研究可 以节省大量研究经费，具有很可观的应用潜力和实际意义。 1 2 基于v r 的虚拟测试技术的国内外发展现状 在基于v r 的虚拟测试技术方面，目前位于世界最f j 列的是美国。 r o c k w e l1 科学中心( r s c ) 将计算机产生的三维物体、动画和文本叠加到真 实的物体上面用于对f 1 常维护和错误检查提供指导。国外还有虚拟环境测 试台的研究，可以对自治潜水器( a u v ) 进行实时测试和评估。汽车虚拟测试 系统( v e h i c l ev i r t u a lt e s ts y s t e m ，v v t s ) 基于v r 技术，利用现代先进的 信号采集处理、自动控制和计算机技术，在实验室中重现汽车的各种实际 工况，从而达到对汽车各种性能进行分析和评价的目的。一些世界知名大 公司已经开始对v v t s 进行研究，并在实际中得到了应用，如美国的m t r 公司， 可在实验室中再现实际外界坏境，以便对汽车的综合性能进行分析和评价， 及时发现设计中的不足，进而缩短汽车整车开发周期。“” 基于v r 虚拟仪器赖以生存的p c 计算机最近几年以极高的速度在中国 发展，每年销售量都在2 5 万台以上。此外p c 计算机价格在不断下降，各 种应用软件层出不穷，为虚拟仪器的发展奠定了基础。随着软、硬件性能 的不断提高，v r 传感设备和技术的日趋实用，基于v r 的虚拟测试技术在 显示出越来越大的吸引力，因而在国内也越来越受重视，并取得了一定的 进展，如2 0 0 1 年该技术已在核辐射领域得到应用，其对应的系统能展现钻 源辐照的全过程，如钴源在井中的升降及位黄显示、辐照物品的运动时实 位置的显示控制、悬挂链的带速及其辐照时间的控制、报警等。该系统具 有事件驱动加回调函数的特点包括钴源井位显示模块、车位，特别是第 一辆载物车位置的显示模块、实时时钟及倒记时模块、通讯模块、车位调 整模块、报警模块和在线帮助模块等部分。在车辆研究上，中国农大已率 先制作了车辆模拟系统。但我国在虚拟制造领域方面的研究基本上处于刚 刚起步阶段。限于经费投入、技术支持等方面的原因，基于v r 的虚拟测试 技术离实用还有一定距离，在其理论基础、支撑技术、设计应用等方面的 研究还有待进一步开展。为适应制造技术今后的发展趋势，有必要对其进 行深入研究，努力取得技术和应用上的突破，并获得相关的知识产权，使 我国的制造技术上一个新蠹阶，达到国际先进水乎，并为我国制造业的发 展提供一条新途径。 1 3 本论文研究的主要内容 本论文是以基于v r 的车辆平顺性测试仿真项目为背景展丌的。在车辆 设计时，平顺性是一个重要的指标，它涉及到乘坐者的舒适性a 过去，总 是要在样车组装完成后爿能进行平顺性测试，周期长，成本高。而基于v r 的车辆平顺性测试仿真项目的研究目标就是要根据设计参数，先在虚拟现 实中对车辆的平顺性进行测试，以弥补传统测试方法的不足。该研究涉及 到车辆理论、振动理论、人体工程学、虚拟现实、信号处理和软件工程。 根据项目分工，本人以车辆的平顺性为研究导向，以测试车辆在虚拟路面 第9 页共9 页 堂里查兰堡! ：兰些堕兰 上行驶时的振动曲线为目标，研究了基于v r 的虚拟测试技术在车辆平顺性 测试中的应用，并在导师的指导下，做了如下研究工作： 1 选择车厢振动的动力学模型，根据路面模型列出其振动方程，并利 用复模态理论和m a t l a b 计算软件将其求解； 2 制作出其几何模型，设计车辆的运动模型并对其进行误差分析： 3 在w i n d o w s 下，采用v i s u mc 十+ 6 0 并结合w t k ，开发了控制车辆运 动和完成振动量采样的软件： 4 选择虚拟测试仪器中处理信号时所采用的数学原理及其数字实现 方法，分析部分方法在本项目的应用中可能会出现的问题和解决方 案，并在w i n d o w s 下，以v i s u a lc 十+ 6 o 为主，利用h i a t l a b 函数库， 开发了虚拟仪器软件； 5 利用w i n d o w s 的多线程技术，解决总体软件在运行时的协调问题。 本论文的章节安排如下 i兰二! 兰兰 i r 1 第五章总结和展望 第一章为绪论，阐述研究的背景，包括v r 的概念与作用，虚拟测试的 内涵和发展，并介绍了基于v r 的虚拟测试技术的构成、现状和现实意义， 并结合项目提出本文的研究内容，最后给出了论文的总体框架。 第二章以参与的项目为背景，先说明了把车辆模型作为虚拟测试系统 的组成部分的理由，然后简介了几何模型的制作方法，并详细的叙述了运 动模型的工作原理和误差以及动力学模型的构建、求解的方案，最后介绍 了与模型结合为一体的虚拟传感器的使用方法。 第三章的内容是虚拟仪器软件，它把虚拟仪器分为应用层、处理层和 数据层，先介绍了应用层的作用和应用方法，接着叙述了处理层中常用的 数学原理和数字实现方法，然后结合项目详细地说明了数据层中的存储组 件和传递组件的应用方案。 第四章是第二、三章内容的延续，它将上两章中介绍的应用思想与实 第1 0 页共1 0 页 浙江人学烦i 。学位论史 际项目相结合，详细叙述了它们的实现技术，包括动力学模型求解步骤， 振动曲线的更新技术，在v i s u a lc + t6 0 中调用m a t l a b v q 部运算函数的技 术，协调程序中各部分运行的多线程技术等在基于v r 的虚拟测试系统中常 用的技术。 第五章进行总结和展望，首先对本文的工作进行了回顾和总结，分析 了该系统的优点和不足，然后对下一步的工作提出了一些初步的设想。 第1 i 页共1 i 负 浙江大学硕t 学位论文 第二章车辆测试系统中的模型 【内容提要】介绍了虚拟模型在测试系统中的重要性，阐述了模型的结构 及每一部分的作用，简述了几何模型的制作，运动模型的工作方案和物理 模型的求解方法，分析了可能由此产生的误差，并在最后说明了该系统中 虚拟传感器的工作步骤 2 1 引言 本章中的模鍪 指的是在测试系统中被测量的对象的模型。由于本系统 是基于v r 的，所以被测的对象不会天然存在，需要在建立测试系统的同时 建立被测对象，并安装上传感器。虽然从传统的测试系统的角度看，被测 的对象不属于测试系统。但在基于v r 的虚拟测试系统中，传感器往往与被 测量的对象合为一体，例如在本人所参与的项目中，车辆模型就可以看成 是杂交了车辆属性的虚拟传感器。因而，被测对象的模型是基于v r 的虚拟 测试系统中( 除虚拟仪器外) 的一个至关重要的组成部分。在不同的虚拟 测试系统中虚拟模型千差万别，由于它的内容直接影响到该测试系统的性 能，所以，本章将结合所参与的项目对其作出较详细的说明。 模型按照其在整个测试系统中的功能可分为几何模型、运动模型和物 理模型。几何模型指示被控对象的位姿，运动模型决定着对象的运动规律， 物理模型则反应出该被控对象的固有的物理特性，在本项目中，虚拟传感 器是和车辆的物理模型结合在一起的。 2 2 测试系统中的几何建模技术 2 2 1 几何模型的构成 在本项目中虚拟传感器是和车辆的模型一体化的。如果说在基于v r 的 测试系统中，运动模型是这传感器的工作原理，物理模型是这传感器的工 作电路，那么凡俺模型就是这传感器的外壳。尽管外壳的好坏不会严重影 响传感器的性能，但是没有外壳的传感器显然是不能正常工作的。因此， 几何模型在制作上也不可马虎，它反映的悬物理设备的形状位置特征，这 些特征方面为设备各组成部分的三维几何信息，如车顶为四棱台体，车 轮为圆柱体等；另一方面为各部分之间的几何位置关系，即拓扑信息。如 车身与车轴的位置关系，车轴和车轮之间的位置关系等，利用拓扑信息可 以将设备各个部分的模型正确地装配。 通常复杂的物理设备是由许多功能模块组成的一个复杂系统，而各模块 又是由一些蒸础霖传所构成。在建立几何模型时，必须权衡模型的逼真程 第1 2 页共7 5 页 浙江人学颂 l j 学位论立 度和计算机资源能力两个方面的因素，虽然增强模型的逼真度可以提高用 户的沉浸感，使虚拟环境更加真实，但是这必然会消耗大量的计算机资源 降低模型的动画效果，影响用户与环境之间的交互速度。因此在建立设备 几何模型时应从实用的角度出发，在不影响视觉效果的前提下，只要模型 能够表达出设备的形状和功能特征，模型可以尽量地进行简化。根据设备 自身所具备的层次关系，从结构上将设备划分为一系列的基本模型，在一 定空间关系的约束下装配成设备模型。分析几何模型的特点，可以发现具 有如下几何属性：几何形状、包容盒、中一d 点、包容半径。 如图2 1 所示，几何形状是指具体描述模型的几何外形轮廓，通常由一 些三角片或多边形所组成的封闭几何体；包容盒是能容纳几何体的最小长 方体，他只是为了便于描述几何体的空间位罱和方向，并非具体存在；中 心点是包容盒的中心，利用该点可以具体控制几何体在虚拟场景中的位置； 包容半径是包容盒的中，d 到包容盒顶点的距离，用于大致描述几何体的大 小。 2 2 2 几何模型的制作 为了制作出立体部件，必然选择具有三维功能的软件，目前常见的软件 中可供选择： 1 ) p m e 或u g 该类软件犹其擅长制作三维机械零件，便于处理三维细节和精度问 题，但在动画控制和逼真程度上颇显不足。 2 ) 3 d s m a x 该软件犹其擅长制作三维动画，由于其模型本身就具有层次性，因而 便于动画控制，但在机械零件细节的制作上不如p r o e 。 在本项目中汽车是必需要制作的几何模型。出于该几何模型的作用只 是为了增加整个过程的真实感和沉浸性，所以只需提高其逼真程度，在外 形的精度和细节方面要求不高，因此选用3 d sm a x 比较合适。 制作简要步骤如下： 1 ) 寻找某一车型的三视图片( 本项目中选用的是东风千里马2 0 0 4 ) ， 并将其作为3 d s m a x 中三视图的背景，在透视窗口中绘制一立方 体，其大小大至与背景中汽车的车身相同，如图2 2 ； 第1 3 负共1 3 页 浙江人学颁1 二学位论义 图2 2 图2 4 2 ) 将立方体转化为e d i t a b l ep o l y ，在主视图中令其变形，直至与背景图 上的相似为止，再在俯视图和左视图中各加一个f f d ，同样令其变形，直 至与背景图上的相似为止，如图2 3 ； 3 ) l t 于汽车是左右对称的，所以可先完成其中一半的制作，再复制出另 一半，因此先删去左半车身，在右半车身中切割出车井，再用镜像的方式 复制到左半车身处，添加m e s h s m o o t h 变形器使车身光滑，如图2 4 ； 图2 4 图2 5 4 ) 在右半车身上采用挤压的方式制作出车顶，并使其适度变形直到 与背景图相同，再如图2 5 ； 5 ) 在透视图中用e x t r u d e 方式制作出按装车灯的凹坑，如图2 6 ； 图2 6 图2 7 6 ) 采用a t t a c h 方式将汽车左、右两部分合并，删除接缝处的所有节点 第1 4 页共1 4 页 一塑望查堂堡! ! 堂些堡塞 然后在透视图中用e x t r u d e 方式制作出车门和车窗，如图2 7 ； 7 ) 用d e t a c h 方式制作出车窗玻璃按装在车窗上，再绘制出小立方体( 其 尺寸略大于车灯) ，利用m e s h s m o o t h 变形器令其外观光滑与车灯相同，并 将其按装在车灯凹坑内，如图2 8 ： 图2 8图2 9 8 ) 绘制小立方体( 其尺寸扁于后视镜) ，利用e x t r u d e 方法令其外观与 后视镜相同，采用m e s h s m o o t h 变形器使其外表光滑，并将其按装在车身上， 再通过设置与色彩、光线有关的参数对车身、车灯、车窗玻璃进行渲染， 使其外观更接近于现实，如图2 9 ： 9 ) 将事先制作好的车轮按装在车井中，并适当调整各几何体中心的位 置，从而使得将该汽车的几何模型载入w t k 环境时能方便地定位，如图 2 1 0 。 图2 1 0 2 3 测试系统中的运动建模技术 2 3 1 运动模型的实质 为了能增加虚拟测试系统带给人的真实感。必须要让与测试有关的模 型像现实中的物体一样遵照自然界的规律运动，即要先将客观对象抽象为 力学、运动学模型，再将其转化为数学模型，并利用计算机把数学模型计 算的结果显示为几何模型的运动，这就是运动建模。 由于在建立设备几何模型的过程中已经考虑到了模型之间的运动位置 第1 5 页共1 5 页 浙江人学颇上学位论殳 关系，所以设备运动模型将根据具体结构的运动特征( 如车辆的速度) 和 几何约束( 如道路的方向) ，通过对相关计算公式或变换矩阵便可实现几何 模型的各种运动。运动模型和设备几何模型是紧密关联的，运动模型接受 控制信号来驱动几何模型运动状态变化，同时也向物理模型反馈状态信息 ( 如位置或所在点的坐标) 。所以，在建立运动模型的同时也在为测试系统 作外围的铺垫。这是由于在基于v r 的虚拟测试系统中，数据的采样往往和 驱动几何体运动同时进行。采用这种方式的优点在于： 1 ) 充分保证了采样与几何体运动的同步性，减少测试过程中出现 的滞后现象，保证了实时性； 2 ) 3 ) 由于该采样数据被直接用于后续的测试程序，所以只要改变运 动控制中的一些参数就可以改变测试系统的分辨率，而无需另 外控制： 采样与运动的同步也提高了整个v r 环境的真实性，增强了沉 浸性。 2 3 2 运动模型的详细内容 本项目中由于要对正在公路上行驶的汽车的平顺性进行测试，所以被驱 动的几何模型自然是汽车本身。现实中汽车的行驶过程是连续的，在v r 环 境中为了便于计算机控制，将连续的行驶过程离散化，即每隔一个采样周 期t 令汽车的几何模型沿路径由起点向终点运动一段距离。 在驱动汽车之前，先要规划好路径，即确定汽车行驶时，车轮压过的每 一点的( x ，h z ) 坐标。根据汽车原理，汽车坐标系中各坐标轴的方向如图 2 1 1 所示： 图2 1 1 但如果对路径上的每一点都要标出坐标，那就会使路径的数据文件十分 庞大，而且其中有相当多的一部分数据在运动控制和测试时是用不到的。 所以可采用拐点表示法。即将路面看成是空阳j 曲面，并设其每点的切平面 都平行于x y 平面( 现实中的等级公路基本如此) ，拐点就是曲面上曲率半 第1 6 页共1 6 页 一一堑垩叁堂堡! ：堂堡堡苎 ，矗_ 径的大小或矢量方向发生变化的点， 各拐点和拐点削都至少间隔一定距 离；拐点和拐点间的连线就组成了路 径，如图2 1 2 所示。各拐点的坐标需 先在路径文件中设定，拐点和拐点间 的点坐标可由插值的方法获得。例如 拐点1 的坐标是( x l ，y l ，z 1 ) ，拐点2 的 坐标是( x 2 ，y 2 ，z 2 ) ，则如果点a 位于拐 点1 和拐点2 之间，并与拐点1 相距 d ，拐点1 和2 削的在x y 平面上距 离是 f _ 托i 而而 那么，a 点的坐标是 x = 五+ 了d ( x 2 一x 1 ) ，y = m + d ( y 2 - y 1 ) z = 三通( _ y y 、) + z 。 2 一一1 在控制汽车的运动时，可将连续运动离散化。即每隔一个采样周期t ( t 约为几十毫秒) 使汽车的前、后轮中心沿路径方向向前移动v t ，其中v 是汽车行驶的速度。 2 ) 3 ) 然后可采用以下方法计算汽车的 空间位姿：先确定酶轮中心的大至位 ej 一，a 置，以图2 1 3 为例，a 、b 、c 是三个 。，。 拐点，行驶方向是由a 向b ，再向c ， 乡一廿前轮中心的初始位置是d ： 1 ) 如果v t b d ，说明经过一个采样周期后，前轮中一t l , 位于f 点， 则以b 为拐点1 ，c 为拐点2 ，d _ v t + d o a b ，( d o 是前轮轴中 心位于d 点时到拐点】，即a 点的距离) ，进行插值运算得到 前轮所在点的坐标； 同理获得后轮所在点的坐标。再根据这两点的坐标确定车厢质 点的坐标及汽车底盘相对于y 轴( 系统轴) 的转角o ，相对于 z 轴( 系统轴) 的转角0 。 第1 7 页共1 7 页 一旦坚苎兰丝：! 兰垒堡塞 2 3 3 利用采样周期进行运动控制的误差分析 出于运动建模的实际过程是将连续运动转化为离散方式进行控制，每隔 一采样周期令前、后车轮向前移动一段距离，并对此时的前、后轮所在点 的坐标进行采样，所以不可避免地带来了误差。例如图2 1 4 ： 2 1 4 b a 右图的道路是平坦的，左图的道路中有一条窄沟，设在t = n t 时刻，车 轮位于a 点，过了一个采样周期，即在t = ( n + 1 ) t 时刻，车轮已滚动到了b 点。显然在这个滚动过程中，如果道路如右图所示，则车轮在竖直方向上不 受冲击；但如果道路如左图所示，则当车轮滚过窄沟时在竖直方向上受到冲 击。这冲击显示会影响到平顺性。但由于采样过程是不连续时，从图2 1 4 中可以看出t = n t 时刻采入的是a 点的坐标，t = ( 叶l 时刻采入的是b 点 的坐标。也就是说，单凭采样的结果无法判断车轮在运动过程中是否受到这 种瞬时的机械冲击，从而必然影响最后对平顺性评价的精度。那么，这种误 差对最后的结果的影响至0 底有多大呢? 我们可以把窄沟引起的车轮的振动幅值看成是一个矩形脉冲函数： j a t t 2 。 m 【jt r n 图2 1 5 该函数的数学表达式为： 巾，苫 该矩形的时域宽度为t ，幅值的绝对 值是h 。车轮的这一振动通悬架引起车 厢振动，从而对平顺性产生影响。由于 车厢是受迫振动，所以其振动的频率与 车轮相同。在竖直方向上，人体最敏感 的频率范围是4 - 8 h z 。因此，只需研究 一下车轮振动中频率为4 - 8 h z 的成分的 振幅就可估算出其对平顺性的影响。 ( 吨一u ( 三一) 对其作傅旱叶变换： ) = e 饨矽鲥衍= 麟( 卅衍= 一i 2 hs i n 竺2 则其幅频特性是f ( 厂) ：之s i n 矿，这里t 是车轮行驶过窄沟所需的 刃 时间，、小于采样周期t ，由于t 一般取2 0 m s 左右，所以t 也处于这个数 第1 8 页共i8 页 浙江人学颤，l 学位论文 量级。当频率f 处于4 - 8 h z 之间时，幅频特性的导数是： f 7 ( ，) = 一 笔s i n 形一+ fc o s 倒，取f ，( ，) ：o ，得辔巧f ：巧：r ， 托1 1。 由于t 的值很小，所以培刀a f ，则可2 f 一咖= 0 ，解得f = 0 或l h z 。 可见，f 的取值范围在4 - 8 h z 时，f ( ，) 处于递增区域。 因此， f = 8 h z 时，振幅最大瓦。= 面h s i n 8 厅r 。 车轮压过窄沟时的示意图如图21 6 ： ，一、 图2 1 6 车轮下陷的距离 扣c d = o a j 甜一( 等2 划一j 一譬v 是汽车的车速，r 是车轮半径。 所以，在频率敏感区内，车轮的最大振幅是： 矾= 旦二生譬掣8 s l n 舸，按以下数据估算最大振幅的值， ，。、= = 一 舸，拔以卜裂姑佰，舁最灭孤犏明值， 取r = 2 0 c m ，v = 6 0 k m h = 1 6 7 m s ，t5 t = 2 0 m s ，则。= 0 0 31 4 m m 。可 见这个瞬时的振幅很小，经悬架缓冲后在车厢上引起的振动更小，所以这个 采样误差不会对最后的平顺性评价产生明显影响。 当然，这个结论成立的村提条件是沟的宽度应明显小于车轮直径，即要 保证vt 7 0 k m h ) ，有必要适当减少采样周期( 可取t = 1 0 m s ) ，以减少误差。 第1 9 页共1 9r 贝 浙 工人学坝j ：学位论文 2 4 虚拟测试系统中的物理建模 2 4 1 物理建模的意义 物理建模在基于v r 的虚拟测试系统中是必不可少的，即：在建模时要 考虑对象的物理属性，如密度、电磁场强度、振型、稳定性等。虽然，在 物理建模中建立的往往是肉眼看不到的属性，但这些属性恰恰就是虚拟测 试的目标。现实中的物体包含着无数的物理性质，如力学的、电磁学的、 燕学的、光学的性质等。要在虚拟现实中将它们全都展现现出来是不可能 的，也是不必要的。要在虚拟现实中展现的只是需要虚拟测试系统测量的 那部分物理性质，因此要构筑的也只是