（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）水下分散自重构系统虚拟样机仿真设计软件初步研究.pdf

摘要 水下分散自重构系统 虚拟样机仿真设计软件初步研究 摘要 水下分散自重构系统是针对当前被广泛关注的复杂环境下海洋 冬源勘探及复杂水下结构物检修问题，提出的一种全新水下探测与作 业系统设计概念。它是一种全新的自重构模块水下机器人，其技术研 究综合了多个学科。为了分析和评估该系统的功能，并且为物理样机 的设计和制造提供参数依据，以节约成本，本课题采用虚拟样机技术 在计算机上建立该系统的虚拟样机模型，并对其进行仿真。 本文初步探索了开发水下分散自重构系统虚拟样机仿真设计软 件的方法，其最终目的是在计算机上建立水f 分散自重构系统的虚拟 样机模型，并对其静力学、运动学和动力学问题进行分析。 在分析水下分散自重构系统的任务需求和特点的基础上，阐述了 系统虚拟样机仿真软件的总体设计思想、软件构架以及各个组件功能 垮块的设计。综合运用面向对象分析和设计的理论、方法和工具，对 t 7 嗔分析软件进行了系统分析、设计和补充，得出了基于虚拟样机技 ，怀的水下分散自重构系统仿真分析软件目标系统解空间的对象( 类) 及其相互关系，确定了解空间的基本框架，并进行了用户界面设计以 及数据文件接口的研究和开发。 仿真软件在w i n d o w s9 8 2 0 0 0 n t 环境下，通过v i s u a lb a s i c 调用 摘要 d i r e c t x 接口来实现三维动画仿真。文中在简单介绍了三维绘图所使 用的主要工具d i r e c t x 的功能、工作结构、绘制原理的基础上，详细 阐述了水下分散自重构系统三维模型的建立方法、模型在三维场景中 的显示以及三维动画的实现方法。 针对水下分散自重构系统的工作特性，初步探讨了系统进行履带 式、蠕动式和蛇行三种运动的构形以及步态，并对其构形转换和步态 转换加以研究，最后通过虚拟样机仿真软件的快速开发原型加以验 证。 关键字：自重构模块机器人，虚拟样机，仿真，面向对象 a b s ir a c t t h epii o ts t u d yo fv ir t u a i p r o t o t y p e s i m u l a t i 0 1 3s o f t w a r ef o r s e p a r a t es eif r e c o n f jg ur a bieu n d e r w a t e rr o b o t a b s t r a c t s e p a r a t es e l f - r e c o n f i g u r a b l e u n d e r w a t e rr o b o t ( s s u r ) i sa c o m p l e t e l yn o v e ls y s t e mf o ru n d e r w a t e rd e t e c t i o na n do p e r a t i o n ，w h i c h c a na d a p ti t s e l ft oe x t e r n a le n v i r o n m e n tb yc h a n g i n gc o n f i g u r a t i o n t h e r ee x i s ta b u n d a n tp o t e n t i a la p p l i c a t i o n sf o rs s u r e s p e c i a l l yi n o c e a nr e s o u r c ee x p l o r a t i o n ，u n d e r w a t e rs t r u c t u r ee x a m i n a t i o na n dr e p a i r i ne x t r e m ee n v i r o n m e n ti n a c c e s s i b l et oh u m a nb e i n g m a n ys u b j e c t s a r ei n v o l v e di ns s u rr e s e a r c h e s v i r t u a lp r o t o t y p e ( v e ) t e c h n o l o g yi s u s e dt oe s t a b l i s ht h ev ps i m u l a t i o ns o f t w a r ef o rs s u ri no r d e rt oa n a l y z e a n de v a l u a t et h ef u n c t i o n so ft h er o b o t ，p r o v i d ep a r a m e t e rg i s t f o rt h e d e s i g na n dm a n u f a c t u r eo ft h ep h y s i c a lp r o t o t y p es oa st or e d u c et h e t e s t c o s t t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ed e v e l o p m e n to ft h ev ps i m u l a t i o ns o f t w a r e f o rs s u r t h eu l t i m a t ep u r p o s eo ft h es o f t w a r ei st ob u l l dv pm o d e lo f s s u ri n c o m p u t e ra n dc a r r y o u ti t ss t a t i c ，k i n e m a t i ca n dd y n a m i c a n a l y s i s b a s e do nt a s kr e q u i r e m e n t sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fs s u r ，t h eg e n e r a l i l l a b s t r a c t s t r u c t u r e ，f r a m ea n df u n c t i o nm o d u l eo ft h es o f t w a r e i sb u i l t t h e o b j e c t o r i e n t e da n a l y s i sa n dd e s i g nt h e o r y , m e t h o da n dt o o l i su s e dt o a n a l y z e d ，d e s i g na n dc o m p l e m e n tt h e s i m u l a t i o ns o f t w a r eo fs s u r ， a c c o r d i n g l yt h er e l a t i o n sb e t w e e no b j e c t s ( c l a s s e s ) a n dt h eb a s i cf l a m e o f s o l u t i o ns p a c eo ft h ev ps i m u l a t i o ns o f t w a r ea r ee d u c e d u s e ri n t e r f a c e a n dd a t af i l ei n t e r f a c ei sa l s os t u d i e da n dd e v e l o p e d 3 da n i m a t i o ns i m u l a t i o nc a l lb er e a l i z e di nt h eg i v e ns o f t w a r eb y v i s u a lb a s i cc a l l i n gt h eo b j e c t si nd i r e c t xu n d e rt h ee n v i r o n m e n to f w i n d o w s9 8 2 0 0 0 n t a f t e rb r i e f l yi n t r o d u c i n gt h ef u n c t i o n ，w o r k s t r u c t u r ea n dp l o tm e t h o d so fd i r e c t x ，3 dm o d e lb u i l d i n g ，d i s p l a y i n gi n t h es c e n ea n dt h er e a l i z a t i o np r o c e d u r e so f3 da n i m a t i o na r ed e s c r i b e di n d e t a i l s a c c o r d i n gt o w o r kc h a r a c t e r so fs s u r ，t h r e ek i n d so fs y s t e m c o n f i g u r a t i o na n dl o c o m o t i o ni n c l u d i n gt r a c k i n g ，c r a w l i n ga n ds n a k ea r e d e s i g n e d ，a n dt h ec o n f i g u r a t i o na n dm o t i o n t r a n s f o r m a t i o na m o n gt h e mi s a l s os t u d i e d f u r t h e r m o r e ，t h er e l e v a n ts i m u l a t i o n sa r ec a r r i e do u tb y u s i n gt h er a p i dd e v e l o p m e n tp r o t o t y p eo f t h e s i m u l a t i o ns o f t w a r eg i v e ni n t h i sp a p e r k e yw o r d s ：s e l f - c o n f i g u r a b l er o b o t ，v i r t u a lp r o t o t y p e ，s i m u l a t i o n ， o b j e c t o r i e n t e d 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 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 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密团，在抖解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：燕少乙 指导教师签名：剃 日期：多年上月心日日期：撕；年上月f 弘日 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：蓐乡扛 e t 期：沙弓年上月曰 上海交通大学学位论文答辩决议书 申请者 臻步茹零霉盏尹陶尝舶5 鸢泽殇拘物侣钟制造 论文题目 咏一易搬色圣拍糸锯虐批样苷圯竹喜诏针劬牛初罗研缸 答辩日期 2 廿d 3 2 ，o 毕 地 点j 水丁、z 弓元弓孝i 二c 室 答辩委员会成员 姓名 单位 职 称签名 绐磊纵 爿每主、犬杠械5 劲方否f 乞 苏援梳穗效 宠募庆j ：国轰，六西毛辆台5 西f ；2 f 犯f 乞 z 辛自曼僦幺 相f 俗搛j ：f 与童、太弱：貊岛5 f 匆蹲：手主暑f 乞吾b 貂坡帮何蜷 驾期；上防毒、丈面鼍裔6 5 西f ；2 手i 刍九乙 5 0 龃援翊。 连遮瞒；、大面z 舶占匆缉巧i 善f 乞数蝗澎也 评语和决议： 论文针对被广泛关注的复杂环境下海洋资源勘探及复杂结构物检修问题，对水下分 散自重构系统进行虚拟样机仿真设计软件研究，提出一种全新水下探测与作业系统设计 概念。选题有理论意义和实用价值。 论文作者阅读了大量文献资料，在分析自重构模块机器人和虚拟样机技术研究现状 的基础上，采用面向对象的方法，进行水下分散自重构系统虚拟样机软件设计平台的总 体设计及各个组件功能模块设计，借助d i r t 3 d 进行虚拟样机仿真软件原型系统的初步 开发，实现了水下分散自重构系统三种典型步态的运动仿真，检验了软件平台的实用性 和原型快速开发能力。 论文将自重构模块机器人及虚拟样机技术应用于水下分散自重构系统的开发，具有 创新性。论文研舡作全面，叙述清晰，结论合理，说明作者具有扎实的基础理论和系 统的专业知识，有熟练的计算机应用能力和独立进行科研工作的能力。 答辩中作者能正确地回答问题。 表凑结果： 鳞( 礞) 啦j 建议拨；2 孙士豫曦溉铀! = 扛0 三年= 月甘四日 笫一章绪论 第一章绪论 1 1 自重构模块机器人的概念与发展现状 1 11 自重构模块机器人的概念 机器人技术的发展使得机器人的能力不断提高，机器人应用的领域和范围j 下在不 断扩展，人们希望机器人能完成更加复杂的任务。然而每种机器人的构形仅能适应有 限范围内的作业，对于一些复杂的或者不断变化的作业任务，需要应用多种具有不同 运动学和动力学特性的机器人来完成，这种做法往往耗资巨大，甚至于不可行。例如， 空间站上许多工作需要机器人来完成，由于重量的限制，不可能将所有的机器人都发 射到空间站中。因此，需要使用一种能根据任务要求改变自身构形的机器人来完成复 杂的或不可预知的作业任务。可重构机器人的研究正是在此类应用背景下开始的。 可重构模块机器人 1 1 是一种能根掘任务需要，重新组合构形的机器人，它是在模 块化机器人研究基础上发展起来的。它利用些具有不同尺寸和性能并且可互换的连 杆和关节模块( 也可称为单元) ，象搭积木似地组合成特定构形的机器人，这种组合 并不是简单的机械重构，还包括控制系统( 电予硬件、控制算法、软件等) 的重构，因 为模块关节本身就是一种集通讯、控制、驱动、传动一体化的单元。 可重构模块机器人主要有两类：一类是静态可重构模块机器人，一类是动态可重 构模块机器人，即自重构模块机器人。自重构模块机器人 2 】的主要思想是：利用模块 之间的连接性和互换性，以及模块自身传感器感知到的周围环境信息，通过大量模块 之间的相互操作自动地改变整体构形，扩展移动形式，实现不同的运动步态，以完成 相应的操作任务。这种机器人可以完成普通机器人无法完成的复杂操作，适用于工作 环境变化大、操作任务复杂的场合，如空间操作、救灾搜索、战场侦察、核电站维护 等。 1 12 国内外研究现状 2 0 世纪9 0 年代以来，随着研究人员对自重构模块机器人研究兴趣的高涨，自重 构模块机器人开始在日本和美国得到迅速发展，建立了多个实验原型，针对自重构模 块机器人领域内存在的问题，提出了一些解决方案，并进行了自重构过程的计算机仿 真。根据工作空间的不同，可以将自重构模块机器人分为2 维及3 维来进行阐述。 ( 1 ) 2 维自重构模块机器人 2 维自重构模块机器人系统主要有f u k u d a 等提出的c e b o t 系统，由多个不同结 构的机器人单元构成，采用分布式的构形决策方法，根据任务及环境的变化决定各单 笳章绪论 元的连接关系；p a m e c h a 等提出的m e t a n l o r p h i cr o b o t 系统，采用可变形状的六边形 模块结构，通过模拟退火法求解模块的运动顺序，达到目标构形：y o s h i d a 等建立的 f r a c t u r e 系统，设计了一种特殊的驱动及连接模块机构，利用随机方法及特定的评价 函数求解模块的运动概率，最终确定其运动方向。 由于2 维自重构机器人只能在平面内运动，限制了其工作空问，无法真正满足实 际的工作需要，因此，许多研究都集中在3 维自重构机器人的研究上。 ( 2 ) 3 维自重构模块机器人 3 维自重构模块机器人系统主要有m u r a t a 等提出的3 ds e l f _ r e c o n f i g u r a b l e s t r u c t u r e 系统，其模块是一种奇次结构，采用与f r a c t u m 系统类似的随机算法规划模 块的运动路线；r u s 等提出的c r y s t a l i n e 模型，采用可压缩的模块结构，设计了基于 该结构的分布式构形控制算法，并通过仿真验证了其有效性：k o t a y 等提出的m o l e c u l e 模型，通过特别设计的模块结构及分层控制算法束规划模块的运动路径；u n s a l 等设 计的双向自重构模块系统i - c u b e s ，由连杆和立方体组合而成，通过d i v i d e a n d c o n q u e r 方法来求解立方体的目标位置，进一步求解连杆的操作序列；c a s t a n o 等提出的串联 连接结构c o n r o ，将模块设计成为2 自由度操作手，针对串联蛇形运动设计了相应 的控制算法：y i m 提出的p o l y p o d 可变多边形模块结构，通过设计多种不同的运动步 态数据库，采用分层控制算法，实现了多种运动形式的转换；m u r a t a 等和y o s h i d a 等 提出的m t r a n 双半圆柱体结构，利用分层控制法规划机器入的整体运动。 表l 一1 p j 列出了目前已有的较具代表性的1 3 种自重构机器人，并对其特点进行比 较。 表1 11 3 种自重构模块机器人特点比较图 模块维数自动微处理器集中能否 组成连接或分 动态 否散控运动 制 n a g o y au n i v c e b o t异类 2 d 是n a分散是 j h uh e x a g o n a l 同类 2 d 否无集中否 m e lf r u e t u m 同类 2 d 否 z 8 0 分散否 m e lm i c r ou n i t 同类 2 d否b a s i cs t a m p集中否 i i m e l3 d u n i t 同类 3 d否 无集中 否 m e lm t r a n 同类 3 d 是 b a s i cs t a m p集中 是 i i i u k e nv e r t i c a l 同类 2 d 是无集中 否 d a r t m o u t hc r y s t a l l i n e 同类 2 d 3 否 a t 8 9 c 2 0 51 集中否 第一章绪论 d d a r t m o u t hm o l e c u l e同类3 d是 n a 集中是 c m ui c e s c u b e 异类 3 d 是 n a 集中 是 u s cc o n r o 同类 3 d 是 b a s i cs 1 1 a m p集中 是 i i s t a n f o r du n i v p o l y p o d异类3 d 是 m o t o r o l a集中是 x c 6 8 h c l l e 2 x e r o xp a r kp o l y b o t 同类 3 d 是 p o w e r p c5 5 5集中是 自重构模块机器人是一个崭新的研究领域，国内虽然已在可重构机器人方面做了 一些相关的研究和探讨，但在自重构机器人方面的报导还是比较少的。 1 1 3 今后的研究方向 自重构模块机器人系统的研究由于其广阔的应用前景已经引起了国内外许多研 究者的注意，目前仍需进一步研究的内容主要在以下几个方面一j ： ( 1 ) 自重构模块机器人系统模块的功能、设计及实现方法。包括机器人的功能分 析和功能分配，模块的软、硬件功能分析，模块描述方法的研究，软、硬件模块的设 计，软、硬件模块自动或快速连接方法的研究。 f 2 ) 自重构模块机器人的构形设计。包括机器人所需完成任务描述方法的研究， 机器人构形表达方法的研究，机器人最优构形生成方法的研究。 ( 3 ) 自重构模块机器人的运动学和动力学研究，应主要考虑软件的可重构性。包 括模块运动学和动力学的分析方法，分布式模块机器人运动学和动力学分析方法的研 究。 ( 4 ) 研究适用于自重构模块机器人系统的自重构实时控制软件。包括机器人控制 模块的功能分析和划分方法的研究，软件重构方法的研究。 1 2 虚拟样机技术的概念及运用 1 2 1 虚拟样机的概念 随着2 1 世纪世界经济和科学技术的飞速发展，全球性市场竞争日益激烈，用户 需求的个性化和多样化以及多种标准规范的约束，对于现代工程产品的研制提出了更 高的要求。谁能够在最短的时间内开发出高质量、低成本的应市产品，谁就能够在竞 争中获胜。显然，传统的物理原型方法已经不能够满足现代工程产品开发的需要，虚 拟样机技术( v i r t u a lp r o t o t y p i n g ) 就是在这种迫切需要的驱动下产生的。 虚拟样机技术的研究正处于探索中，目前对于虚拟样机的概念还处在发展阶段， 没有一种精确的定义，针对不同的研究领域，有着不同的定义方法p 1 。 第一章绪论 从计算机图形学研究的角度出发，f a nd a i 等人将虚拟样机定义为一种快速评价不 同的物理产品设计的方法。通过将虚拟现实技术和计算机仿真技术以及c a d 技术相结 合，建立起一个物理造型的数字原型，产品设计人员可以通过具有高度沉浸感的虚拟 现实用户接口灵活地操纵、控制和修改该原型，并支持设计数据的重用和仿真分析。 m i k k o k e r t t u l a 等人提出的虚拟现实样机技术中，将虚拟样机定义为一个产品的数字 模型，即建立与真实系统有一定功能和结构逼真度的仿真模型，并将该模型放入一个 虚拟现实环境中，对还没有物理模型的产品进行测试。他们将这种虚拟样机成功地应 用在消费类电子产品的设计过程中( 如蜂窝电话) 。 从机械工程研究领域的角度出发，e dra n d e g 等人认为虚拟样机是一一种针对测 试的对象和物理原型进行的一个虚拟制造和仿真过程，基于虚拟样机技术开发e m d 的模型可以使设计人员访问一个实际物理模型的所有关于机械、物理、外观和功能特 性的信息。m i t c h e l lm t s e n g 等人将虚拟样机定义为取代实际产品模型的一种数字模 型，通过它可以对实际的物理产品进行几何、功能和可制造性方面的建模和分析。 b l o o r 等人则认为虚拟样机是将目前j c a d 、c a e 等c a x 技术结合在一起的一种集成技 术，虚拟样机技术贯穿于产品生命周期的全过程。他们认为虚拟样机模型包含了分柿 式的产品数据信息，由于虚拟样机模型强调集成性，因此必须提供一个标准的信息建 模和数据交换方法。在对产品数据交换标准s t e p 进行研究的基础上，b l o o r 提出了一 个支持虚拟样机的集成化产品数据模型。 建模和仿真领域比较通用的关于虚拟样机的概念是美国国防部建模和仿真办公 室( d m s o ) 的定义。d m s 0 将虚拟样机( v i r t u a lp r o t o t y p e ) 定义为对一个与物理原型具有 功能相似性的系统或子系统模型进行的基于计算机的仿真，它被用来代替物理样机， 对候选设计方案的某一方面特性进行仿真测试和评估。美国国防部采办委员会下属的 基于仿真的采办联合专业组将虚拟样机定义为一个系统，该系统在仿真执行过程中可 以与其它系统和虚拟环境之间进行交互。这个概念可以应用于战场战役构成模型、 使命构成模型、交战构成模型、工程构成模型的范围。标准射束着陆系统( s b a ) 关 于虚拟样机的定义中，将虚拟样机模型的概念从工程设计领域扩展到了描述整个战场 系统级仿真的全过程，也使得虚拟样机不仅仅局限于一个特定的产品设计过程。在 s b a 研究计划中大量使用了虚拟样机的技术，如灵巧产品模型s p m 、数字系统模型 d s m 和一体化产品数据环境等。同时虚拟样机也是s b a 协同环境底层支撑结构的重 要组成部份之一。 在对以上不同领域虚拟样机定义研究和总结的基础上，从水下分散自重构系统的 建模和仿真需求出发，本文对于虚拟样机的定义如下：虚拟样机是利用计算机仿真技 术建立的，用以取代物理样机来进行设计方案评估和测试的数字模型，是存于计算机 中的参数化模型。虚拟样机技术是一门综合多学科的技术，该技术以机械系统运动学、 动力学和控制理论为核心，加上成熟的三维计算机图形技术和基于图形的用户界面技 第一章绪论 术，利用虚拟产品模型，在物理样机或产品实际加工之前对其性能、行为、功能以及 可制造性进行预测，从而对设计方案进行评估和优化，以达到产品生产的最优目标。 同传统的基于物理样机的设计研发方法相比，虚拟样机设计方法具有以f 特点 6 1 ： ( 1 ) 全新的研发模式。传统的研发方法从设计到生产是一个串行过程，这种方法 存在很多的弊端。而虚拟样机技术真证地实现了系统角度的产品优化，它基于并行工 程( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ) ，使产品在概念设计阶段就可以迅速地分析、比较多种设 计方案，确定影响性能的敏感参数，并通过可视化技术设计产品、预测产品在真实工 况下的特征以及所具有的响应，直至获得最优工作性能。 ( 2 ) 更低的研发成本、更短的研发周期、更高的产品质量。采用虚拟样机设计方 法有助于摆脱对物理样机的依赖。通过计算机技术建立产品的数字化模型( 即虚拟样 机) ，可以完成无数次物理样机无法进行的虚拟试验( 成本和时间条件不允许) ，甚至无 需制造及试验物理样机就可获得最优方案，因此不但减少了物理样机的数量，而且缩 短了研发周期、提高了产品质量。 f 3 ) 实现动态联盟的重要手段。目前世界范围内广泛地接受了动态联盟( v i r t u a l c o m p a n y ) 的概念，即为了适应快速变化的全球市场，克服单个企业资源的局限性， 出现了在一定时间内，通过i n t e r n e t ( 或i n t e r n e t ) l l n 时缔结成的一种虚拟企业。为实现 并行设计和制造，参盟企业之间产品信息的快速交流尤显重要，而虚拟样机是一种数 字化模型，通过网络输送产品信息，具有传递快速、反馈及时的特点，进而使动态联 盟的活动具有高度的并行性。 1 2 2 虚拟样机的应用 虚拟样机技术应当属于计算机辅助工程( c a e ) 的一个分支，隶属于c a e 的其 他分支有c a d 和有限元( f e ) 等技术。虚拟样机技术是从系统的层面来分析系统， 而有限元技术所进行的是部件分析。f 由于此，机械系统虚拟样机技术对设计方法和 过程的影响要比有限元技术所带来的影响要大。 国外虚拟样机相关技术的软件化过程已经完成，较有影响的有美国机械动力公司 ( m e c h a n i c a ld y n a m i c si n c ) 的a d a m s ，c a d s i 的d a d s ，德国航天局的s i m p a c k ， 其它的还有w o r k i n gm o d e l 、f o l w 3 d 、i d e a s 、p h o e n i c s 、a n s y s 、p a m c r a s h 等等。 同时，虚拟样机枝术的商品化过程也已经完成并得到广泛的应用，应用领域从汽车制 造业、工程机械、航空航天业、造船业、机械电子工业、国防工业、通用机械到人机 工程学、生物力学、医学以及工程咨询等很多方面。虚拟样机技术在工业上成功的应 用实例有很多1 7 “o j 。如： 1 9 9 7 年7 月4 日，美国航空航天局( n a s a ) 的喷气推进实验室( j p l ) 成功地 实现了火星探测器探路者号在火星上的软着陆，成为轰动一时的新闻。在探测器发射 第一章绪论 以前，j p l 的工程师们利用虚拟样机技术仿真研究字宙飞船在不同阶段( 进入大气层、 减速和着陆) 的工作过程。他们运用虚拟样机技术预测到由于制动火箭与火星胍的相 互作用，探测器很可能在着陆时滚翻，于是针对这个问题修改了技术方案，将灵敏的 科学仪器安全送抵火星表面，保证了火星登陆计划的成功。 美国波音7 7 7 飞机采用了虚拟样机技术获得了无图纸设计和生产的成功，是近年 来引起科技界、企业界瞩目的一次重大突破。s g i 计算机系统使波音公司成功地建立 了波音7 7 7 飞机的虚拟样机，设计师、工程师们能穿行于这个虚拟飞机中，审视飞机 的各项设计。波音7 7 7 飞机由3 0 0 万个零件组成，计算机系统能够调出其中任何一个 零件，进行修改设计。这不但使研发周期大人缩短、研发成本大大降低，而且确保了 最终产品次接装成功。 c a t e r p i l l a r 公司是世界上最大的拖拉机、装载机和工程机械制造商之一，由于制 造一台大型设备的物理样机需要数月时间，并耗资数百万美元，因此，为了提高竞争 力，必须大幅度削减产品的设计、制造成本。c a t e r p i l l a r 公司采用了虚拟样机技术， 从根本上改进了设计和试验步骤，对多种设计方案进行快速虚拟试验，从而使产品成 本更低、性能却更加优越。 同样，作为生产工程机械的著名厂商j o h n d e e r e 公司，为了解决工程机械在高速 行驶时的蛇行现象及在重载下的自激振动问题，该公司的工程师利用虚拟样机技术， 不仅找到了原因，而且提出了改进方案，并且在虚拟样机上得到了验证，从而大大提 高了产品的高速行驶性能与重载作业性能。 在工程咨询方面，可以利用虚拟样机技术再现事故过程，以提供诉讼证据，或帮 助制造商分析售后赔偿问题，或为用户的产品设计预试验。例如，一家公司利用虚拟 样机技术进行车辆事故仿真，在法庭上用其仿真结果进行辩护。法庭根据虚拟样机技 术所提供的证据，作出了客观的判决。 其它如在克莱斯勒公司，己常常采用虚拟产品建模。在福特汽车公司，虚拟分析 样机己很普遍。m o t o r o l a 也正在研究和利用虚拟样机技术进行2 1 世纪商业和d o d 的军用移动分布式无线全球通讯系统和网络技术的研制，以减低开发设计的风险和成 本。 国内对于虚拟样机技术的应用研究才刚网0 开始，尽管一些大学和研究所已经开始 进行这一方面的研究工作，但是无论在基础上、软件工具上或是应用情况上，相对于 国际先进水平还有相当大的差距。 中国农业大学周一鸣教授领导的机械系统虚拟样机仿真分析研究课题组，经过多 年的共同努力，采用多体系统动力学的最新理论成果和面向对象的分析与设计方法， 开发了中文w i n d o w sn t 2 0 0 0 环境下的机械系统虚拟样机运动仿真分析软件原型 1 0 1 。该软件原型无论从理论、数据结构和数值算法上，还是从软件开发的思想和开发 平台上，都取得了较大的成功。尽管该软件还停留在实验室阶段，难以在工程实践中 第一章绪论 应用，但列于缩小我国与国际上先进的虚拟样机技术的差距，起了重要的作用。 1 9 9 6 年3 月，航天部上海航天局第八零五研究所，利用虚拟样机分析软件 a d a m s ，完成了国防科工委项目“空间站外翻式对接机构”的动力学仿真研究。国 防科工委项目“空间站外翻式对接机构”动力学仿真研究的主要目的是在空间站开发 之前，预测空间站外翻式对接机构的性能，论证外翻式对接机构的结构设计是否合理， 通过三维动画形象地演示对接过程。经过8 个月的努力，完成了外翻式对接机构虚拟 样机的开发工作，取得了圆满成功。 1 3 本论文的课题背景与研究内容 13 1 课题背景 2 i 世纪是海洋的世纪，开发及利用海洋资源具有重要的战略和经济意义。海洋 资源的开发离不丌水下无人探测和作业系统，海洋潜水器正是这一系统的主要工具和 设备载体。水下无人探测和作业通常要面对恶劣和不可预见的环境、复杂的地形和不 同的作业方式等难点，且采用水下远距离遥控方式，人员难以直接干预，这些都严蘑 阻碍了海底探查与作业系统的发展，是海洋利用相对落后的重要原因。例如，浅海油 气开发是相对成功的领域，但油气集输系统的维护、清洁和监控都非常困难。常规潜 水员与r o v ( 遥控潜水器) 配合作业的方法效率低、风险大，专用维修机器人( 如 爬壁机器人) 对于复杂的水下结构物，其能力也相当有限。深海作业则难度更大，成 本极为昂贵，只在一些特定资源( 如多金属结核) 探测领域进行了应用，经济的采矿 技术则是未来数十年需着重解决的问题。为了克服这些难点，必须突破常规技术框架， 寻找新型的系统设计概念和方法，发展新型多功能潜水器。 水下分散自重构系统是国家“8 6 3 ”计划海洋资源开发技术主题资助项目之一， 它针对当前被广泛关注的复杂环境下海洋资源勘探及复杂水下结构物检修问题，提出 的一种全新水下探测与作业系统设计概念。它在常规水下探测与作业系统的集中式功 能化结构基础上，将其运动、作业和环境感知子系统的全部或部分分散至大量软件和 硬件相似的一套独立的机电模块，每个模块都有连接、脱开及越过相邻模块的功能， 尽管没有动力源，模块允许动力和信息输入且可通过它输到相邻模块。这些模块互联 成网络共同实现总体功能，并可按不同的任务要求，根据系统对自身状态和环境感知 的结果，动态重构网络拓扑和系统构形，以不同的方式实现系统运动、作业和环境感 知。因此，它实际上是一种自重构的模块机器人。当今世界对于自重构机器人的研究 尚处于初步阶段，国际上尚未见到将该技术用于水下机器人的有关报导，对于水下分 散自重构系统的研究将是一个全新的探索，具有重大的意义。 与常规系统相比，水下分散自重构系统明显具备以下优势： ( 1 )强耐故障能力，适于恶劣和不可预见环境。由于功能分散至大量智能单 第一章绪论 ( 2 ) ( 3 ) 元，即使相当比例的单元损坏也不会对系统整体生存性和功能产生严重影 响。 良好的维修性。分散自重构系统是典型的模块化系统，可以方便地进行 现场维修，甚至无人情况下的自装配。 支持多种运动方式，适于复杂多变环境和多种探测任务。例如，通过运 动系统的自重构可以方便地实现水中海底陆上3 栖运动。水中运动时，采 用不同的划水或喷水方式可以高效率地实现各种机动；海底运动时，可以采 用行走方式穿越山地，也可以蠕动方式爬壁和穿越软地质，甚至以蛇行运动 穿越隧道。 ( 4 )支持多种作业方式，适于复杂作业和高难度作业。如水下打捞和采样， 其作业对象的形状和重量多变，且可能是电缆甚至水下生物等柔性物质。分 散自重构水下系统允许动态重构出合适的作业装置适应不同任务。 ( 5 )在环境感知和自身状态感知方面，分散的和可变构形的感知系统更接近 于生物系统，可以利用大量简单传感器实现复杂感知功能( 地形、地质、流 场等) ，并可以通过改变构形以最有利的方式完成主动信息采集。 ( 6 )分散自重构水下探测与作业系统在系统防护、升级等方面也有着常规系 统无法比拟的优势。 因此，水下分散自重构系统技术将提供人们具有强环境适应性、复杂任务执行能 力和损伤生存性的经济的水下探测与作业工具，在海洋作业和探测以及很多陆上任 务中有非常广阔的应用酊景。 13 2 研究内容 水下分散自重构系统是一种全新的设计概念，需要用物理样机来评价其未来的整 机综合性能，然而物理样机只能在开发的后期制造装配，不能参加早期的开发评价功 能，而且其生成周期长、成本高、修改困难，人力物力的耗费与系统的复杂程度成正 比。将数字化虚拟样机技术应用于水下分散自重构系统领域能够有效地避免物理样机 存在的上述缺陷。 本课题的最终目标是利用潜水器与海底环境的3 d 建模与实时驱动技术，开发一 套综合仿真、设计与控制的水下自重构系统虚拟样机仿真软件平台，用于支持水下分 散自重构系统虚拟样机的开发，并最终提升为综合设计与控制系统。由于该目标难度 和工作量都比较大，本论文只是进行初步研究，其目标是在充分考虑水下分散自重构 系统功能及需求的情况下，完成虚拟样机仿真分析软件的总体设计，并进行软件的快 速原型开发，实现基本的软件构架以及一些局部软件功能，具体内容如下： ( 1 ) 充分分析和理解水下分散自重构系统的性能和要求，进行水下分散自重构 系统虚拟样机仿真软件的总体结构设计； 8 第一章绪论 ( 2 ) 采用面向对象方法进行仿真软件的面向对象分析与设计 ( 3 ) 结合3 d sm a x 和d i r e c t 3 d ，编程实现3 d 建模与驱动： ( 4 ) 采用v is u a lb a s i c6 0 进行软件的快速原型开发； ( j ) 典型水下行为方式研究与仿真。 9 第二章开发 ：具发方法 第二章开发工具及方法 2 1 开发平台以及编程语言的选择 2 11 中文w i n d o w s9 8 2 0 0 0 n t 与微机平台 本软件将在中文w i n d o w s 9 8 2 0 0 0 小t 平台上进行开发。w i n d o w s 操作系统拥有优 良的图形用户界面，性能稳定可靠，具有广泛的通用性和标准性。目前国内大约有 9 0 微机采用w i n d o w s 操作系统，故在w i n d o w s 平台上开发，将使软件具有广阔的 应用范围。 由于p e n t i u m 的性能已经使得个人微型计算机具备了与中档u n i x 工作站的竞争 实力，再加上其性能价格比能够被大多数的单位或者个人所接受，因此，国内外的软 件商纷纷转向微机+ w i n d o w s 开发平台。如s o l i d w o r k s 公司的s o l i d e d g e 、m d i 公司 的a d a m s 以及p r o e n g i n e e r 等都已经实现了由工作站向微机+ w i n d o w s 版的移植， 并取得了巨大的成功。因此，分散自重构系统虚拟样机仿真软件采用w i n d o w s 9 8 2 0 0 0 n t + 微机作为丌发平台。 212 以v is u a ib a s i c 作为开发工具 由于本软件开发将采用面向对象( o b j e c to r i e m e d ) 的编程技术，故考虑选用 m i c r o s o f t 的v i s u a lb a s i c6 0 语言j 。v i s u a lb a s i c 具有以下特点： ( 1 ) 支持面向对象技术： ( 2 ) 具有强大的可视化编程环境，丰富的界面设计能力； ( 3 ) 支持多线程应用程序的开发； ( 4 ) 具有最快的集成数据库访问； ( 5 ) 编程简单，方便调试 v i s u a lb a s i c 功能强大，灵活而且编程简单，而且自从d i r e c t x 7 发布以来，微软 同时也发布了d i r e c t x 的v i s u a l b a s i c 丌发库，用来开发d i r e c t x 程序。用v i s u a l b a s i c 作为d i r e c t x 的编译器，可以加速图形模拟中的运行速度，得到平滑而流畅的动画图 形，并且可以更加方便地控制图形演示过程。再加上v b 可以解释执行，调试十分方 便，为了加快开发速度，本文拟采用基于v i s u a lb a s i c 开发水下分散自重构虚拟样机 的仿真平台，并通过d i r e c t x 与3 d m a x 结合实现3 维图形输出。 第一。章开发t 具及方法 2 2 面向对象与原型法相结合的软件开发方法 2 2 1 软件原型法 原型( 样机) 本是大生产的一种工程规范。在大量生产一项新产品之前，先做出 该产品的原型。这种原型必须具备最终产品的全部特性，然后对其试验与评估，以指 导最终产品的开发与大量生产。可以晚，任何一种大量生产的硬件产品的研制都必须 经历样机试制这个阶段，否则，不可能进行大批量生产。当然，如前所述，先进虚拟 样机技术可以最大限度的减少物理样机的试制次数。 软件工程【l2 】中没有大量重复生产同一种软件的概念，因此。原型法在软件工程中 的意义与在硬件生产中的意义是完全不同的。但是，到目前为止，软件原型的含义在 软件工程领域还没有统一。笔者认为：软件原型法是一种优秀的软件设计机制，它是 开发人员在需求分析的基础上，快速设计的一个模型系统，是一个软件系统的最初版 本。这个版本不一定反映最终版本的全部特性，而只局限于某些有兴趣的部分。特别 是一般还要求开发时间短，代价低，因此，它是快速原型。其目的是便于开发人员和 用户采用所见即所得的方式对软件原型进行分析评价和修改，并指导进一步开发。从 而把软件的原型系统演变成最终的实用的软件系统。 22 2 面向对象技术 六七十年代的“软件危机”使人们逐渐认识到软件丌发不仅仅是一个程序设计技 巧问题，更重要的是要有一套完整的思想、方法和工具，这就是说应该把软件开发作 为一个工程问题来考虑。面向对象技术f 13 ，“j 为软件丌发带来了一种全新的思维。面向 对象( o b j e c t - - o r i e n t e d ，简称0 0 ) 的程序设计是一种全新的软件设计方法，基本原 理就是按照人的自然思维对问题域进行划分并求解，将一个复杂的问题领域抽象为一 些具有一定信息和交互能力的对象，各个对象按照特定的方式组合在一起，具有封装、 继承性和多态性等特点。 面向对象的程序设计模仿人类对现实世界自然结构的认知过程进行系统的分析 与设计，使分析、设计和实现系统的方法同人们认识客观世界的过程尽可能地一一致， 以便用更自然的方法反映客观世界，从而更符合人类的思维模式。它以数据为中心组 织系统，把数据和操作有机地结合起来，通过建立和具体实际相对应的软件对象，并 通过对这些对象的组合来创建具体的应用。使人们的认识系统与计算系统一致，问题 空间与求解空间在结构上一致，特别适合开发大型、复杂的软件系统。 实践证明，0 0 方法和技术可以开发出结构清晰、易于维护的软件系统。0 0 方 法为大量复杂的大型软件工程提供比传统方法更为优越的新方法，并已逐步形成从面 向对象分析 面向对象设计一 面向对象编程语言一 面向对象系统这样一套完 整的软件开发方法