（计算机软件与理论专业论文）高温超导磁悬浮车的视景仿真系统设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 视景仿真系统由计算机、网络、仿真软件等组成，由于视景仿真系统采 用了c c + + 语言、v r m l 语言、m a t l a b 的程序语言等多种语言以及m a t l a b 、 v i s u a lc + + 、v r m l 插件、网页浏览器等多个软件共同完成仿真，所以每个 软件之间如何协同配合就是一个重要的问题。 论文分析了视景仿真系统所需的硬件和软件结构。并利用多个软件协同 配合开发了一个可以运行的系统。论文主要工作集中在凡个方面：( 1 ) 用3 d s m a x 软件工具建立高温超导磁悬浮车及周围建筑物的三维场景模型，并利用 一些真实的图片给场景中的物体配上材质纹理，使场景看起来更加逼真：( 2 ) 用m a d a b 软件中的s i m u l i n k 工具箱可视化、快捷地建立系统仿真模型，为 视景仿真系统的运行提供所需的参数。s i m u l i n k 图形化的系统仿真模型也乖j 于快速的调整模型参数、增加其他模块也非常方便；( 3 ) 利用v i s u a lc + + 可 视化编程工具，设计用户界面程序，在用户界面上展示三维的场景。用户通 过界面上的控件控制运行中的场景；( 4 ) 利用m a n a b 提供的e n g i n e 函数， 让v i s u a lc + + 编制的用户界面程序调用m a t l a b 编制的系统仿真模型。用c 语言编制m a t l a b 的s 函数，通过s 函数模块把运行参数从系统仿真模型中 传回用户界面程序：( 5 ) 交互性是虚拟现实技术的主要特征，论文中用多种 方式实现人机之间的交互。 最后的视景仿真系统在运行中可以较好地模拟高温超导磁悬浮车的运 行。用户可以从不同角度观察运行中的高温超导磁悬浮车，控制高温超导磁 悬浮车的运行速度和方向，并将运行速度等参数显示出来。论文中的所有软 件在w i n d o w 2 0 0 0 平台上开发、运行并调试成功。 关键词：高温超导磁悬浮车，虚拟现实。视景仿真，三维场景 西南交通大学硕士研究生学位论文第l l 页 a b s t r a c t t h ev i s u a ls i m u l a t i o n s y s t e m i s c o m p o s e d o f h a r d w a r e ，n e t w o r k ， s i m u l a t i o ns o f t w a r e t h ev i s u a ls i m u l a t i o n s y s t e m u s e sc 妃+ + l a n g u a g e v r m l l a n g u a g ea n dm a t l a bp r o g r a ml a n g u a g e i t sr u n n i n ga l s od e p e n d so nm a n a b v i s u a lc 抖v r m lp l u g - i na n di n t e m e t e x p l o r e r , s o h o wa l ls o f t w a r e c o l l a b o r a t e si sa v e r yi m p o r t a n tp r o b l e m t h i s p a p e ra n a l y z e st h es t r u c t u r eo f t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei nt h ev i s u a l s i m u l a t i o ns y s t e m m u l t i p l es o f t w a r ew o r k s t o g e t h e r t od e v e l o pa na c t u a ls y s t e m t h i sp a p e r sw o r ki sf o c u so n ：( 1 ) t h e3 - ds c e n em o d e lo ft h e m a n l o a d i n g f i t sm a g l e vt e s tv e h i c l ea n do t h e rb u i l d i n g sw e r em a d e b y3 d sm a x s o f t w a r e t 0 0 1 s o m er e a lp i c t u r e sa c ta sm a t e r i a la n dt e x t u r ef o rt h eo b j e c t si ns c e n e m a k i n g t h es c e n el o o k sm o r el i f e l i k e ；( 2 ) t h es i m u l i n kt o o l b o xo fm a t l a bh a sa q u i c ka n dv i s u a lm o d e l i n ga b i l i t i e s u s et h i st o o l b o xt ob u i l ds y s t e ms i r n u l a t i o n m o d e lw h i c hp r o v i d e sr u n n i n gp a r a m e t e r st ot h ev i s u a ls i m u l a t i o ns y s t e m s i m u l i n kt o o l b o x s g r a p h i cs y s t e ms i m u l a t i o nm o d e l i s e a s yt oa d j u s t t h e p a r a m e t e r so f t h em o d e l ，a n di ta l s oi se a s ya d d i n go t h e rm o d e l ；( 3 ) u s i n gv i s u a l c + + p r o g r a m m i n g t o o ld e s i g n e dt h eu s e ri n t e r f a c ep r o g r a mo nw h i c h3 - ds c e n e i ss h o w e d u s e r sc a nm a n i p u l a t et h e r u n n i n g s c e n e b yt h e c o n t r o lo fu s e r i n t e r f a c e ；( 4 ) l e tt h eu s e ri n t e r f a c ep r o g r a mc a l l st h es y s t e ms i m u l a t i o nm o d e l v i at h ee n g i n ef i m c t i o n so fm a t l a b u s i n gc c 抖l a n g u a g ew r i t e ssf u n c t i o n p r o g r a mo fm a t l a b ，r u n n i n gp a r a m e t e r sc a ns e n tf r o ms y s t e ms i m u l a t i o nm o d e l t ot h eu s e ri n t e r f a c ep r o g r a mv i asf u n c t i o nb l o c k ；( 5 ) i n t e r a c t i v ei sm a i nf e a t h e r o fv i r t u a lr e a l i t yt e c h n i q u e t h i sp a p e ri m p l e m e n t sm a l l m a c h i n ei n t e r a c d v eb y 西南交通大学硕士研究生学位论文第l li 页 u s i n gm u l t i p l em e t h o d s t h ec o m p l e t e dv i s u a ls i m u l a t i o ns y s t e mc a l ls i m u l a t et h er u n n i n go ft h e h t sm a g l e vv e h i c l ep e r f e c t l y v i e w e rc a l lo b s e r v et h er u n n i n go ft h eh t s m a g l e vv e h i c l ef r o md i f f e r e mv i e w p o i n t s ，a n dc o n t r o lt h ev e l o c i t ya n dd i r e c t i o n o ft h eh t sm a g l e vv e h i c l e ，t h e r u n n i n gp a r a m e t e r s s u c ha s v e l o c i t y a r e d i s p l a y e d t h es o f t w a r ei nt h i sp a p e r w a sd e v e l o p e d ，d e b u g g e d ，r u n n i n go n w i n d o w2 0 0 0 p l a t f o r m k e y w o r d s ：h t s m a g l e v v e h i c l e ，v i r t u a lr e a l i t y ，v i s u a ls i m u l a t i o n ，3 - 1 ) s c e n e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究背景 第1 章绪论 在国家高技术研究计划( 8 6 3 计划) 的支持下，2 0 0 0 年1 2 月3 1 日，西 南交通大学超导技术研究所研制成功了世界上首辆载人高温超导磁悬浮实 验车。该车在载重5 个人时总重5 3 0k g ，悬浮高度大于2 0 m m 。至今己在实 验室内导轨( 也可以称为轨道) 上往返运行近4 0 0 k m ，总计约2 7 0 0 0 人乘坐， 性能如初。该车的研制成功初步证明了高温超导磁悬浮列车实现的可能性。 另一方面，由于目前实验车系统的导轨是一段长为1 5 m 的直永磁导轨， 故高温超导磁悬浮车的运行特点有以下三点： 直线运行，无曲线 运行的速度偏低 运行的距离较短 在这样的条件下，高温超导磁悬浮列车实用化设计还有很多问题需要研 究和解决。自2 0 0 0 年以来，超导技术研究所在国家8 6 3 计划的支持下，对 高温超导磁悬浮车系统进行不断地研究和改进。2 0 0 3 年，超导技术研究所引 进的专家牟光灿研究员提出了用计算机对高温超导磁悬浮实验车进行系统 仿真的建议，借助多种软件各自不同的功能，取长补短，集成协同地对高温 超导磁悬浮车这一复杂系统进行数学建模和系统仿真，以期提高研发质量、 缩短研发周期、减少研发费用。牟光灿研究员提出的整个仿真系统的框架结 构如图卜1 所示。 作者对仿真系统框架结构中以m a t a b s i m u l i n k 为仿真平台，应用v r m i 。 语言设计的虚拟现实部分非常感兴趣。在导师邓昌延教授的大力支持下，作 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 者从2 0 0 3 年底就开始从事这方面的研究和设计，目的是开发出一个模拟高 温超导磁悬浮车运行的视景仿真系统。 现实中的高温超导磁悬浮车在运行中要受到导轨和其他客观条件的限 制，特别是永磁导轨的造价昂贵，实验条件下不可能修建太长。造成了上面 所提到的车的运行速度偏低、距离较短、无曲线导轨部分。为此采用虚拟现 实技术开发一个视景仿真系统我们就不用担心开发所缺资金的问题。在虚 拟环 图1 - 1 系统仿真的结构示意图 境中建立足够长的、有曲线部分的导轨及高温超导磁悬浮车系统和其他所需 的建筑物。而这些物体都是虚拟的，不用花1 分钱，同时还避免了现实中高 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 温超导磁悬浮车运行前繁琐的准备工作( 高温超导磁悬浮车的运行需要液 氮，而液氮需要提前购买、储存及加注。杜瓦瓶中的超导块材必须预先在场 冷的条件下进入超导状态) 。另外，视景仿真系统的场景文件是个v r m l 语 言编写的文本文件，它可以通过i n t e r n e t 网发布出去，让更多的爱好者通 过网络观看和了解高温超导磁悬浮车的运行情况，扩大高温超导磁悬浮车的 影响，起到普及高温超导知识的社会效果。 1 2 论文所做的工作 论文主要完成了一下工作： 分柝视景仿真系统所需的硬件和软件结构。 用三维实体建模软件建立三维场景模型。 给场景中物体配上合适的材质纹理图片，使场景更加逼真。 建立满足要求的s i m u l i n k 系统仿真模型 用c 十+ 设计用户界面，方便用户观看运行效果 在c + 十程序中如何实现调用m a t l a b 的e n g i n e 函数 m a t l a b 中s 函数的编程，弥补s i m u li n k 工具箱现有模块的不足 s i m u l i n k 系统仿真模型在运行中，如何把仿真计算出的数据传送到 c + + 程序中。 用户与场景中对象交互性的设计 用户与用户界面程序如何实现人机交互 1 3 论文结构 本论文以后的章节安排如下： 在第2 章首先介绍视景仿真系统的硬件和软件及软件的特点和作用，再 西南交通丈学硕士研究生学位论文第4 页 分析视景仿真系统的体系结构。第3 章着重的是在3 d sm a x 中建立场景中三 维物体模型，并讨论了将三维物体模型文件转换成场景文件后，如何进行纹 理贴图。第4 章涉及到用s i m u l i n k 工具箱建立系统仿真的模型文件，模型 文件可看作是图形化的数学模型。作者对模型的建立是逐步分析，逐步改进 的。第5 章采用v i s u a c + + 可视化编程工具编写用户界面程序，并讨论了直曰 何通过m a t l a b 软件提供的作为a p i 的e n g i n e 函数，实现c c + + 程序对j 1 4 a t l a b 的调用，m a t l a b 在这种情况下作为一个c o m ( 组件对象模式) 服务器。第6 章通过修改场景文件和在用户界面程序中添加c o m 控件的接收器实现了人机 之间的交互功能。第7 章说明了视景仿真系统运行前的准备工作，并通过场 景截图展示了高温超导磁悬浮车在场景中的运行。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章视景仿真系统 虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ) 是一种结合了计算机绘图、多媒体、人 机交互、网络、仿真等多领域技术的一种综合性应用，虚拟现实的应用创建 了一个既酷似客观环境又超越了客观时空，既能身临其境又能驾驭其上的人 机环境m 1 。它具有交互( i n t e r a c t i v e ) 、想象( i m a g i n a t i o n ) 、沉浸 ( i m m e r s i o n ) 等特征。近年来，在很多应用中，并不特别强调沉浸感，出 现了桌面虚拟现实系统，从而使“虚拟”的概念和技术得到了更广泛的应用。 2 1 视景仿真系统的硬件 无疑，视景仿真系统至少需要一台计算机，如果需要通过网络观看视景 仿真系统，那么还需要添加网络设备和其他的计算机。在计算机的硬件中， 影响视景效果的主要有c p u 的计算性能、内存的大小、视频显示卡性能这几 个因素。因为运行中的动态三维场景对硬件的要求极高，需要较大的计算量 和占用较多的内存，所以推荐使用专用的图形工作站。作者仿真时所用的计 算机c p u 的主频率是3 g h z ，物理内存大小是i o b ，视频显示卡是带1 2 8 m b 显 示内存的n v i d i ag e f o r c ef x5 2 0 0 ，这样的配置在仿真中已基本够用。如果 用普通配置的计算机显示三维场景，要注意视频显示卡是否具有a n t i - a l i a s ( 反失真，修正显示中的线性失真) 功能，是否具有d i t h e r ( 抖动) 和s m o o t h t e x t u r e ( 平滑纹理) 功能。上述功能可以使显示质量得到明显的提升。 2 2 视景仿真系统的软件 视景仿真系统中用到的软件有两类：一类是编程或建立模型的软件，如 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 v i s u a lc + + 6 0 和3 d sm a x ；另类是参与到仿真运行中去的软件，如m a t l a b ( 准确地说m a t l a b 是一个仿真平台，它既可以运行各种程序，也可以编写 和编译m 文件，s 函数编写的文件，甚至是c c + + 程序和f o r t r a n 程序) 。 2 2 13 d sm a x 3 d sm a x 是一款优秀的三维图形软件，是美国a u t o d e s k 旗下d i s c r e el 公司的产品，大名鼎鼎的游戏古墓丽影就是3 d sm a x 的杰作“，用它来 创作三维物体是比较容易的事。作者用它创建了有复杂外形的高温超导磁悬 浮车和周围建筑物等场景中的三维物体。3 d s 。m a x 仅是一个三维物体建模工 具，在仿真中它并不直接参与运行。目前作者所用3 d sm a x 的版本是5 0 。 2 2 2m a t ia b s i m u i n k 在系统仿真技术的多个环节中，算法和所采用的计算机程序是很重要的 一个环节，它直接决定了问题能否正确地求解。而m a t h w o r k s 公司的m a t l a b 软件是国际上仿真领域最权威、最实用的计算机工具。从作者的观点来看， m a t l a b 是一个包罗万象的仿真平台。程序的编制、编译和运行以及模型文件 的建立和运行都可在m a t l a b 中完成。m a t l a b 包含了众多的、易用的内部函 数和专用领域的工具箱( 工具箱也是由许多函数组成的) 。涉及到仿真最重 要的就是s i m u l i n k 工具箱。 s i m u l i n k 工具箱的主要功能是快速建立系统仿真的模型。s i m u l i n k 的 最大特点和优点是建立系统仿真模型过程中的可视化和图形化，它拥有丰富 的模块( 比如在输入输出模块库、数学模块库、菲线性模块库、信号与系统 模块库中的模块) ，使建模工作再也不像以前那样需要手工编写程序，你需 要做的就是在模块库的窗口中找到满足需要的模块，用鼠标把它拖曳到系统 仿真的模型中，并设置好模型参数就行了。这样做的好处是极大地加速了建 模工作，同时又避免了手工编程时的容易出错。3 。系统仿真模型建好后，+ 不 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 需编译马上就可以执行。s i m u l i n k 工具箱建模还具有灵活性，当在模块库中 找不到有特殊需求的相应模块时，还可以根据标准的格式，先用c c h 语言， f o r t r a n 语言或m a t l a b 的程序设计语言编写一段满足功能要求的程序，经编 译后( m a t l a b 的程序设计语言编写的程序不需要编译) ，再通过s 函数模块 的包装，就可以弓l 入到系统仿真模型中。 2 2 3v is u a lc + + 6 0 m i c r o s o f t 公司的m i c r o s o f tv i s u a ls t u d i o6 0 是最方便，应用也最 广泛的可视化编程平台。v i s u a lc + 十6 0 是该平台中的c c + + 编程工具， 它是c 和c + + 的混合编译器，开发出的程序具备了c 和c + + 的高效和简洁的 特点。作为一个面向对象的语言，使得软件可以在源代码级、类级、控件级 等多个级别上重用。“，软件的开发效率大为加快。作者借助于v i s u a lc 十+ 6 0 出色的f l f c ( 微软的v i s u a lc + + 类库) 的应用程序框架，快速开发出具有 w i n d o w s 标准界面的应用程序。 2 3 视景仿真系统的体系结构分析 视景仿真系统的设计使它既可以在单机上面运行，又能在局域网中增加 客户端实现多机运行。考虑到仿真运行中涉及到多个软件的集成和协同，最 初设计的体系结构如图2 一l 所示： 图2 1 采取以服务器端用户界面程序为中心的体系结构。m a t l a b 这时不 是单独运行，而是作为一个c o m 服务器，由服务器端用户界面程序控制。服 务器端用户界面程序首先m a t l a b 的e f i g i n e 库函数发送命令启动m a t l a bc o m 服务器，再发出运行s i m u l i n k 模型文件的命令，视景仿真就正式开始了。 s i m u l i n k 模型启动后计算的运行参数送到服务器端用户界面程序，再由服务 器端用户界面程序分发给一个或多个客户端用户界面程序。三维动态场景就 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 这样呈现在用户面前。 c h 程序c + + 程序h d a t l a b 平台 图2 一i 视景仿真系统的体系结构一 在后期调试阶段，作者发现该结构有一个难以逾越的障碍，那就是当成 功启动s i m u l i n k 模型后，m a t l a b c o m 服务器在s i m u l i n k 模型运行期间不能 与服务器端用户界面程序通信。超过一定时间，就会出现图2 - 2 所示的警告 对 图2 2 弹出的警告对话框 话框。在多次尝试不能解决问题的情况下，作者把图2 一l 的体系结构做了变 通，构成了图2 3 和图2 - 4 两个不同的体系结构，分析如下： 图2 - 3 与图2 1 最明显的差异在图2 - 3 是以l a t l a b 平台为中心的结构， m a t l a b 不再作为c o m 服务器。这种情况下，可以把m a t l a b 作为一个w e b 服 务器，通过网页浏览器柬观看视景仿真的场景。左边的客户端用户界面程序 必须与m a t 】a b 平台运行在同一台计算机上，而网页浏览器则没有这种限制， 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 即可以与m a t l a b 平台在同一台计算机上，又可以通过局域网，甚至i n t e r n e t 与m a t l a b 平台连接。 图2 4 是在图2 1 的基础上去掉了m a t l a bc o m 服务器的简化版本，作 者之所以提出这个简化版本是因为它和图2 - 3 的结构各有所长。图2 - 3 的体 系结构利用了s i m u l i n k 建立数学模型的便捷性。待提出成熟的高温超导磁 悬浮车的数学模型后，就可以完善现有的s i m u l i n k 模型，与视景仿真系统 联合起来进行总体的系统仿真。而图2 4 的体系结构充分利用了v i s u a lc + + 开发用户界面程序的快捷经，在界面中添加更多的交互控件。 为了减少编程的工作量，图2 - 3 和图2 - 4 体系结构中部分源程序是重用 的，例如客户端用户界面程序是完全相同的。 场景臣 辐簧图 满览器 塥景图 运行参数 运行参数 客户潴 s i r “m b 出 用户界面 模型 c + + 程序l 临f l a b 平台 网络上的浏览器 图2 3 视景仿真系统的体系结构二 “+ 程j 葶 “+ 程j 事 图2 - 4 视景仿真系统的体系结构三 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 第3 章三维场景的建立 3 1 场景的设计 实际的高温超导磁悬浮车的导轨，由于受客观条件的限制，不能展示高 温超导磁悬浮车在高速或弯道上的运行状态。在视景仿真系统的虚拟场景 中，可以忽略客观条件的限制，设计出任意长度瓤形状的导轨，但是导轨长 度太长也会使场景文件增大，影响仿真的计算速度。在导师的启发下依据 田径场4 0 0 米跑道的形状设计轨道，既有直线也有曲线部分，轨道是闭合的， 高温超导磁悬浮车在上面可以连续不断地运行，根据所运行的圈数就可以方 便知道高温超导磁悬浮车所运行的里程。 3 2 用3 d sm a x 建立三维物体的模型 场景中的所有物体的三雅模型都是在3 d sm a x 中建立的。 3 2 ，1 高温超导磁悬浮车模型 超导技术研究所研发成功的世界上首辆高温超导磁悬浮车“世纪号”就 是场景中两温超导磁悬浮车的原型，如图3 - i 所示，它是场景中造型最复杂 的物体。作者首先采用的方法是在3 d sm a x 中建几个b o x ，c y l i n d e r 磐实体 模型，然后通过布尔运算，以挖和补的方式使三维模型的形状逐渐接近“世 纪号”的外形，但在建模中发现经过多次布尔运算后，实体的表面不可避 免的出现了一些空洞的部分，无法再进行下去。其次采用的方法是用m e s h 、 p a t c h 等由多个小的三角面组成的网格面片去围成一个类似“世纪号”外形 的面，不过面片之间的点和边缘不易控制，以至于调整了很久，面片之间都 无法无缝她连接至4 超，没有达到想要的效果。后来采用几个n u f i 3 s 面( 菲 西南交通大学硕士研究生学位论文第 页 均匀有理b 样条曲面) 才达到了目的。n u r b s 面非常适合于建立复杂的曲面， 它用控制点来调整曲面的外形，对n u r b s 面的点、线、面加工和调整的工具 也很多。其中有一个工具是创建面与面的交线，用交线去裁减n u r b s 面多余 的部分，就可以使面与面之间不留缝隙。几个n u r b s 面就合成了一个较为满 意的“世纪号”的三维模型，如图3 2 所示。 图3 - 1 “世纪号”高温超导磁悬浮车的照片 图3 - 2 “世纪号”的三维模型 西南交通大学预士研究生学位论文第12 页 3 2 2 车实验室模型 除了“世纪号”高温超导磁悬浮车，场景中其他物体都是根据视景仿真 系统的需要而虚构的三维物体，可以充分发挥想象力去建模。 设计的车实验室是停放高温超导磁悬浮车的两层建筑物，前面有两扇可 以打开的玻璃门，轨道从该建筑物的左边穿入，右边穿出，故建筑物的两边 都去掉了半面墙，让轨道和高温超导磁悬浮车从中穿过。如图3 - 3 所示。 图3 - 3 车实验室三维模型 3 2 3 轨道模型 轨道是依据半圆式标准4 0 0 米田径场跑道的参数建立的。轨道的直线部 分长为8 0 米，半圆的半径为3 8 1 9 7 米。轨道下面是横截面为梯形的路基部 分，轨道的中间装有直线电机。如图3 - 4 所示。从图中可以看出，弯道部分 的轨道比直道部分要宽一些。这样设计是因为高温超导磁悬浮车的杜瓦瓶是 沿直线排列，悬浮在轨道的上方，通过弯道时为了让杜瓦瓶仍然在轨道的上 方，必须加宽轨道。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 图3 4 轨道三维模型 图3 - 5l u 与大地的三维模型 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 3 2 4 山与大地的模型 为了让场景更加逼真，大地和周围的山是不可缺少的。大地是平的，很 方便地用3 d sm a x 中的p l a n e 对象生成模型，而四周的山有随机的不规则的 外观，手工生成比较麻烦，采用的办法是先建立一个长为1 2 0 0 0 ( 单位是3 d s m a x 中的缺省单位，转换到场景文件中对应的单位是米) ，宽为8 0 0 0 的m e s h 网格面片。然后在面片上应用3 d sm a x 中n o i s e 修改器的功能，n o i s e 修改 器能随机地使面片的表面出现凹凸不平的外形，设置n o i s e 修改器的s c a l e 参数为3 0 0 ( 这个参数可以调节山外形的和缓程度) ，n o i s e 修改器的z 方向 的s t r e n g t h 参数为4 0 0 ( 这个参数代表山的最高高度为4 0 0 米) 。其他的参 数根据需要调整。最后的效果如图3 5 所示。图中左边是连接直线电机的配 电房。 3 3 三维物体模型转换成场景文件 在3 d sm a x 中完成三维物体模型的建立后，要把它转换成以“w r l ”为 后缀的场景文件。具体步骤如下：把所有需转换的三维物体模型都设为 u n h i d e 状态，删掉其他不需要的三维物体模型；点击f i l e 菜单，选择e x p o r t 子菜单；这时出现s e l e c tf i l et oe x p o r t 对话框，在对话框的保存类型中 选择“v i 珊l 9 7 ( w r l ) ”，给输出的场景文件取个名字，点击保存；这时出 现v r m l 9 7e x p o r t e r 对话框，使用缺省设置，点击0 k 就行了。 转换后的文件也有不如人意。需重新修改的地方。因轨道是对称的。在 用3 d sm a x 建立模型时，轨道只建了一半，然后采用m i r r o r ( 对称) 方法生 成了轨道另一半。在3 d sm a x 中显示和渲染一切都正常，但在观看场景文件 时，就看到轨道两部分的连接有错位，犬牙交错，很不平整。经分析后认为， 在转换的过程中。点、线和面的位置数值经过四舍五入。精度降低了，对于 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 特别长和大的物体，这种误差就比较明显。最后解决的办法是把轨道作为一 个整体重新建立三维模型。下面的路基和中间的直线电机也采用整体建模方 法，就再没有出现这种问题。 3 4 场景文件的纹理贴图 虚拟现实中三维物体与现实中的物体的外形相似是必需的，但是，要想 得到更逼真的效果，还要给场景中的三维物体纹理贴图。 必须指出的是：以“w r l ”为后缀的场景文件，是用v r m l ( v i r t u a l r e a l i t ym o d e l i n gl a n g u a g e ) 语言编写的文本文件，可以用任何文本编辑 器打开它进行编辑。“w r l ”文件是由一个或一个以上根节点和它们包含 的子节点组成的，整个文件的结构就是用节点串连起来的树状或森林状拓扑 结构，不同类型节点包含不同类型的域，域是节点的属性。 只有g e o m e t r y 类型的节点才能纹理贴图，g e o m e t r y 类型的节点有8 个， 常见的如b o x 、c y l i n d e r 、i n d e x e d f a c e s e t 等。下面是一段对b o x ( 立方体) 节点设置材质和纹理的典型程序： t r a n s f o r m1 c h i t d t e n s h a p e a p p e a r a n c ea p p e a r a n c e o # 用m a t e r i a l 节点设置物体的材质。 m a t e r i a lm a t e r i a l ( a m b i e n t i n t e n s i t y 0 2 d i f f u s e c n o r 0 0 20 ，70 8 e m i s s i v e c n o r00 0 论艾中豹程序语句部采用t i m e sn e wr o m a n 字体。 2 。，c ，c 十+ 语言不同，“，w r l ”殳件的lr 驿是以“# ”开叉她。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 s h i n i n e s s0 ，2 s p e c u l a r c o l o r l11 t r a n s p a r e n c y 0 ) # 用i m a g e t e x t u r e 节点设置物体的纹理 t e x t u r e i m a g e t e x t u r e u r l ”t e x t u r e b r i c k j p g ” ) ) 撑物体为立方体，长、宽、高都为1 米 g e o m e t r yb o x s i z el l1 ) ) t r a n s f o r m 是一个组节点( 节点名第一个字母大写，域的名字第一个字母小 写) ，用于组合其它节点，使文件结构更加清晰。s h a p e 节点是t r a n s f o r m 节点的子节点，s h a p e 节点有两个域a p p e a r a n c e 和g e o m e t r y ，g e o m e t r y 域 包含一个g e o m e t r y 类的节点，上例中是b o x 。a p p e a r a n c e 节点有m a t e r i a l 和t e x t u r e 两个域，物体的材质跟m a t e r i a l 域有关，纹理贴图跟t e x t u r e 域有关，例子中t e x t u r e 域有一个i m a g e t e x t u r e 节点，它的u r l 域就表明 了贴图的图片文件是t e x t u r e 目录下的“b r i c k j p g ”图片文件。 贴图的工作就是把图片裁剪下来，适当地加工，然后在对应的u r l 域中 确定图片所存放的目录。大部分情况下还要增加一个t e x t u r e t r a n s f o r m 节 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 点，用来调整图片贴图在三维物体l _ = 的位置。如图3 - 6 所示，左边是“世纪 号”三维车模型在贴图前的情况，右边足“世纪号”照片上剪辑下来的图片， 经过p h o t o s h o p 软件的加工，用于贴图到“世纪号”的左边车身的位置。最 终的贴图效果见第l l 页的图3 2 。 图3 - 6 未贴图的“世纪号” 场景中其他的物体贴图的方法和步骤与上面所述的类似。 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 第4 章s i m u li n k 系统仿真模型的建立 4 1 系统仿真模型的设计 系统仿真模型的设计是为了模拟高温超导磁悬浮车在各种条件下的运 行情况。它的运行速度和方向，在弯道上的离心偏移等，都能够计算出来。 系统仿真模型的设计涉及到数学建模的问题，高温超导磁悬浮车在运行 中受到永磁轨道对它的作用表现为在竖直方向的悬浮力和与轨道垂直的水 平方向的导向力。此外，还有直线电机在沿轨道方向给它的驱动力。高溢超 导磁悬浮车所受的悬浮力和导向力目前还没有一个精确的数学模型来描述 它，论文的主要目标集中在视景仿真系统上，故对车系统的数学模型做了简 化处理，待将来有了更好的数学模型后，再进一步完善系统仿真模型。 首先要考虑的是高温超导磁悬浮车不同时间在场景中所处的位置。高温 超导磁悬浮车运行时的位置跟速度对时间的积分有关，速度是加速度对时间 的积分的结果。加速度受直线电机的驱动力和空气阻力的影响( 在s i m u l i n k 模型中做了简化，除了空气阻力，不考虑其他阻力的影响) 。当直线电机的 驱动力调大时，相应的高温超导磁悬浮车的速度也会提高。 4 1 1 系统仿真的最初模型 图4 1 是作者根据上面的分析最初建立的s i m u l i n k 系统仿真模型。各 模块的功能和作用如下： 左上角的f w 模块是一个s u b s y s t e m ( 子系统) 模块，这是一个计算空气 阻力的子系统。高温超导磁悬浮车的外形跟轿车有些类似，所以就采用轿车 空气阻力的近似公式来计算高温超导磁悬浮车所受的空气阻力。该公式如 下： 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 f w ：1 1 6 a c w v 2 ( k g ) 其中f w 为空气阻力，a 为高温超导磁悬浮车的横截面面积，c w 为风阻 系数，v 为高温超导磁悬浮车的运行速度。在s i m u l i n k 中双击该f w 模块图 标，就打开了该子系统，如图4 - 2 所示。可以看出，横截面面积定为l 平方 米，风阻系数为0 4 ，i n l 模块输入速度值，o u t l 模块输出计算出的f w 值。 图4 - ls i m u l i n k 模型 图4 - 2f w 予系统模型 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 图4 - i 中，m o t o rf o r c e 是一个c o n s t a n t ( 常量) 模块，用于设定直线 电机的驱动力，图中设定为2 0 ( k ) 。减去空气阻力就是高温超导磁悬浮车 所受的运行方向的合力。加速度的值是根据牛顿第二定律f = m a 来计算的，m 设为l o o k g 。需要说明的是：以上大部分设定值并不是准确值，如高温超导 磁悬浮车的质量、风阻系数c w ( 精确的c w 值要通过风洞实验来获得 等。 v e l o c i t y 是一个i n t e g r a l ( 积分) 模块，它对输入的加速度积分，输 出的是当前高温超导磁悬浮车的速度值。v e l o c i t y 输出的速度值分成两路： 一路经g a i n 2 送往v e l o c i t yg a u g e ( 一个外观像速度表的c o m 组件，运行时 可以把输入的速度数值显示在表盘上) ；另一路送往d i s l a n t 。d i s t a n t 也是 一个i n t e g r a l 模块，速度对时间的积分就是高温超导磁悬浮车的位移，不 过这个位移还要转换成在高温超导磁悬浮车在轨道上的位置。高温超导磁悬 浮车在轨道上鲍初始位置定为g 米。遂时针方向沿着轨遭一禺o 米居又回 到了0 米处，故轨道上各个位置都在0 到4 0 0 米之间。而位移数值送往 p o s i t i o n 是为了得到高温超导磁悬浮车在轨道上的位置。p o s i t i o n 是一个 e m b e d d e dm a t l a bf u n c t i o n ( 嵌入m a t l a b 函数) 模块。在这个模块的内部， 可以调用m a t l a b 的内部函数，这里调用了m a t l a b 的s o d 函数，m o d 函数的 格式如下：y = m o d ( u ，4 0 0 ) ，u 代表输入值，y 代表输出值，y 是u 除以4 0 0 的余数，如果y 小于0 ，还有加上4 0 0 ，最后p o s i t i o n 的输出值，高温超导 磁悬浮车所处的位置就在o 到4 0 0 之间了。算出了位置，就可以根据位置去 查找高温超导磁悬浮车此时的坐标数值和旋转弧度值( 因为有曲线部分高 温超导磁悬浮车要沿着轨道方向旋转) 。这些数值都是预先计算好，存放在 l o o k u p t a b l e ( 查找表) 模块中。图4 - 1 中的c ，r ，x ，z 都是l o o k u p t a b l e 模块。x 、h e i g h t 、z 输出的是高温超导磁悬浮车的三维坐标( x ，y ，z ) 数 值。h e i g h t 是c o n s t a n t 模块输出值不变，即高温超导磁悬浮车的悬浮高 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 度不变。r ，x ，z ，h e i g h t 的数值最后都送到v rs i n k ( 虚拟现实接收器) 模块，这个模块代表场景对象。它实际上是一个s 函数模块，有非常多的功 能。用户要通过网页浏览器观看运行中的场景，就必须加入这个模块。v r s i g n a le x p a n d e r ( 虚拟现实信号占位) 模块是一个有占位功能的模块，因r 输出的数值只代表了车的旋转弧度，丽没有说明旋转轴的变化， v rs i g n a l e x p a n d e r 的功能就是通知场景，旋转轴不随时间的变化而改变。 c e n t r i f u g a lg a u g e 也是一个c o m 组件，它的外观类似一个滑动条，用 于显示高温超导磁悬浮车在曲线轨道上运行时的离心偏移值。 4 1 2 查找表数据的设计 r ，x ，z 中的数值是预先计算好的。为了方便计算车的位置，轨道位置 的设计如图4 3 所示。括号里的坐标为x 和z 坐标。高度坐标y 没有变化， 所以没有标出( 在v 跚l 标准中，y 轴的正向是竖宜向上) 。 图4 - 3 轨道位置的设计 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 高温超导磁悬浮车的初始位置设在a 点。在a - b 、c - d 这两段直线上， 车运动时只有x 坐标数值在变化，而b c 、d a 两段半圆弧上，不仅x 坐标 在变化，z 坐标和旋转弧度数值r 都在变化。因此，在直线段上，只设置2 个关键点就可咀，在半圆弧上，为了更精确，各设置了1 0 0 个关键点，总共 是2 0 3 个关键点( 有些关键点是重合的) 。其他菲关键点豹位置坐标可通过 l o o k u pt a b l e 模块的线性插值计算而得到。利用m a t l a b 的计算功能，各个 关键点的数值是用下列语句算出的。 算出的u ，r ，x 和z 都是矩阵形式： u = o ，8 0 ：1 2 ：2 0 0 ，2 8 0 ：1 2 ：4 0 0 ； f 【o ，o ：p i l o o ：p i ，p i ：p i 1 0 0 ：2 4 p l j ； x = - 4 0 ，4 0 + 3 8 1 9 7 + e o s ( - p i 2 ：p i 1 0 0 ：p i 2 ) ，一4 0 + 3 8 1 9 7 + c o s ( p i 2 ：p i 1 0 0 ：3 + p i 2 ) ； z = 3 8 1 9 7 2 ，一3 8 1 9 7 + s i n ( - p i 2 ：p i 1 0 0 ：p 2 ) ，一3 8 1 9 7 + s i n ( p i 2 ：p i 1 0 0 ：3 + p 2 ) , u 是计算出的关键点。r ，x 和z 分别是旋转弧度，x 坐标和z 坐标。然 后把这些数值逐一添加到l o o k u pt a b l e 模块中去。 4 2 系统仿真模型改进一 “世纪号”高