驾驶机器人的三维运动仿真.pdf

第 3 期 总第 1 54 期 9 年 6 月 机 械 工 程 与 自 动 化 M E C H A N IC A L E N G IN E E R IN G A U T M A T 10 N N o 3 Ju n 文章 编 号 1672 6413 2O09 O3 007 一 03 驾驶机器人 的三维运动仿真 王 丽丽 牛 志 刚 太原理工大学 山西 太原 O3OO24 摘要 为逼真地模拟驾驶机器人的运动过程 采用 A ut0C A D 强大 的建模工具建立了机器人的逼真模型 通过 格式转换导入到 O penG L 中 利用其优秀的场景和实时处理能力对模 型进行渲染和着色 在 V C 开发平 台上 成功地实现对 驾驶机器人的可视化运 动仿真 关键词 A utoc A D 0 penG l 实时仿 真 驾驶机器 人 中图分类号 T P 2l 2 3 文献标识码 A O 引言 0 penG I 是一个优 秀的专业化三 维应 用程序接 口 具有完全开放的图形开发环境 又具有跨平台 移 植性好等特点 因此被广泛应用在计算机仿真以及虚 拟 现实系统 中 由于 0 penG I 只是通 过基本 的几何 图 元点 线及 多边形来 建立三维立 体模 型 并 没有提 供 三维模型的高级命令 从而使得在 penG I 中建立复 杂模型相对困难 鉴于 O penG I 不要求将三维模型写 成固定的数据格式 并且还可以利用其他格式的数据 源 如借用 A utoC A D 和 3D SM A X 等 因此 本研究 将 A ut0c A D 中建好的驾驶机器人模型以各个构件为 单元拆分成 几个部 件 并将其转 化成 3D s 文件 导人到 penG I 中 利用 V C 与 penG I 相结 合 成功 开发 了驾驶机器 人的运 动学仿真 系统 为解决驾 驶机器 人 机 械结构 的干涉 问题 了解 机器人 工作空 间 的形 态及 大小提供了一种很好的实验手段 l 驾驶机器人几何模型的建立及 o penG l 的导入 1 1 几何 模型 的建 立 利用 A utoC A D 制 作 出 驾驶 机 器 人 的 精确 模 型 然后 以各个运 动构件为单元 将其 分成油 门机 械腿 制 动机械腿 离合器机械腿 换档机械手及汽车方向盘 机器人机身和安装座 6 个部件 并以 D x F 格式保存在 相应的文件夹中 打开 3D s M A x 里的文件 选择导 入 将文件类型选为 人utoC A D D X F 找到保存 好 的 A utoC A D 文件并选 中 此 时 D X F 文件 便转换 成 3D S 文件 名 为 R obot 3ds 同时也 可 以在 3D S M A X 中渲染 和着 色 1 2 3D S 文件 导入 到 0 penG I 3D s 文件导人到 0 penG I 可以参考以下方法 转 入 m ax 文件 写插件导出自己熟悉的格式 还可以 使 用 3D文 件 转 换 工 具 3d expl orati on 或 deep 收稿 日期 2oO8一 儿一 l 4 修回 日期 2008一 l 2 2 0 作者简介 王丽丽 198 l 一 女 l J西大同人 在读硕士研究生 expl oratjon 软件转换成为其他 自己熟悉的格式 本研究中 我们把 3ds 模型作为 penG I 的物理 模型 可以使用适当的软件将 3ds 文件转换成 c语言 或其他语言支持的文件 从而获得物理模型的相关数 据 在 这 里 用 的 是 一 个 叫 V i ew 3D S 的 软 件 利 用 v i ew 3D S exe 进行 模 型格式转换 的方 法是 在命令 行 中输入模 型文件 的名 称 如 v i ew 3D S exc R obot 3ds 或 者直 接将 3ds 文件 拖到 V i ew 3D S 上 在 弹出 的窗 口 中显示出需要转换的 3ds 模型 在对话框中单击鼠标 左键 选择 E E xpo rt 0 penG l c c ode 菜单项 将 在当前 目录中生成 0 penG I 程序 包括与模型名同名 的 h 和 gj两个文 件 即 R 0b0t h 和 R 0bot gi 在 3D S 文件 中 我们最关心的是如何得到模型上 各个 点的坐标 并且 用这些 点连 成三角形 构成 面 进 而绘制成整个模型 3D S 文件结构的定点列表块定义 了定点的数 目和每个定点的三维坐标 采用调用显示 清单的方法显示机器人 定义显示列表的代码如下 g l N w L i st is t m 0d e sw i tc h n L i s t c asel B arl b reak c ase2 B ar2 Ibredk E n d I t 在调用上述定义好的显示列表时 只需 gl al 1I矗t nLi st 即可绘制 nI i st所 有指代模 块 2 模型的渲染及 O penG L 工作场景的设置 2 1 模 型 的渲染 0 penG I 中可设 置光 照 材质 反走样 雾 化 融 合等渲染效果 使显示在二维平面上的图像如三维形 体一样具有 良好的光洁度 一定的纹理和远近层次感 在场景中渲染模型的步骤如下 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 72 机 械 工 程 与自 动 化 20O9 年第 3 期 1 为物体的每个顶点定义法线向量 这些法线 决定 了物体相对光源的朝 向 2 创建和选择一个或多个光源 并设置光源的 位 置 生成 与前面 光源定 义一致 的光源 3 创建和选择光照模型 它定义了全局环境光 的等级和观察点的实际位置 用于光照的计算 代码 如下 V 0id R obotV i ew reat0 rnm I G L fl oat l i ghtA m b O 3f O 3f O 3f 1 of 设 置光照 参数 根据需要还可以设置漫反射和镜面反射等 G Lf at m atA m b 0 6f 0 6f o 6f 1 0f 设置材料 对环境 光 的反射率及光度 gl L i gh tfv G L 一 u G H T O G L A M B IE N T 1i gl1tA m b 生成与 前 面定 义一致的光源 g l L i gh tfv G I一一 L I H T 0 G L P O SIT IO N ghtP os 在前 面定 义的位置生成 光源 g l L i ghtM odel fv G L l l H T M O D E L A M B1E N T Ii ghtA m b 定义光照模 型为环境光 4 设置材 质 属性 物质材 质属性 决定 了它如何 发射光线 也决定了物体看起来是由什么材质构成的 代码 如下 g l M a teri a fv G L F R N T G I 一A MB IE N T m a tA m b gl M aterial f G L s H IN IN E s s 1oo 设 置光度值 5 对 机 器人 模 型进 行 多重 采样 的反 走样 处 理 其 步 骤 为 打 开 一 个 支 持 多 重 采 样 的 窗 口 如 有 G I U T 库 可调用函数 gl utl ni tD i sp1ayM ode G I U T D 0 U BI E I G I U T R G B I G I U T 一 一 M U 1 T 1SA M P I E 打开 窗 口后 需 要 确 定 它 是否 支 持多重 采样 支持的话就打开 多重采样 调用 函数 gl E nab l c G I M U I T IS A M P I E 6 使用 雾化参 数 G I Fo G 调 用 函数gl E nabl e 以启用雾效 并使用函数 g1Fog 指定雾颜 色和控 制雾 密度 的方程 7 模型顶点颜色和融合的处理 可用如下代码 gl E nabl e G I BL E N D 启动融合处理 gIBl endFunc G I enm um s Lenum d 融合操作方法的函数 gl D i Sabl e G L B L E N D 屏 蔽融合处理 2 2 0 penG I 工作场景 的设 置 2 2 1 v i sua1 C 6 O 环 境下 0 penG I 的配置 尽 管微 软公 司已经在其 内核 中嵌入 了 0 penG I 函数库 但要 使 V c 的编译器识 别 0 penG I 函数 必 须在所有使用 了 penG I 函数和变量 的文件 的头部 加入 penG I 的头文件 在 V c 中做如下设置 单 击 Projec t菜单下的 Setti ngs 选项 选择 I i nk 选项卡 在 bjec t l i brary m odul c s 文本 框 中加入 penG I 库 叩 engI32 1i b gIu32 1i b gl aux 1i b 注 意 中间是 空格 不 是逗号 做了如此的设置后 V C 就可以识别和调用 penG I 的实用库和基本库中的函数 打开工程文 件的 R obot V i ew h 头文件 在程序前面加以下语句 Il 1c l ude i nc 1ude Il 1c l ude i nc l ude 这样 工程 文件就可 以在 penG L 要求的环境下得 以 顺 利 编译运 行 了 2 2 2 penG I 像素 格式 的设置 在创建渲染描述表之前必须创造像素格式 这样 渲染描述表才知道怎样选择像素属性 0 penG I 的像 素格式 与 w i ndow s 下 的格式即 V C t 默认的格式不 同 因此必须先设定特别的像素格式 使 V C 支持 0 penG I 的格 式 对 Pi xel F orm at D esc ri ptor 进 行 了 初始化 以后 就可以设置像素格式 了 代码如下 In t pi xe l f0 rm a t i f pi xel form at C hooseP i xel Form at m pD C 一 G etSafeH dc pfd 一 O M ess geB0 x C h00 seP i xel F orm at faIl ed re tu rn F A L S E i f S etP i xe1F0rm at m pD C 一 etSafeH dc pi xel form at 8巾fd F A I S E M essage Box Set P ixel F orm at fal l ed re tu rn F A L S E 2 2 3渲 染描述 表 的建立 渲 染绘 制 R C 之于 penG I 就犹 如设 备描 述表 D C 之于 w i ndow s 在 渲 染描 述 表 存入 信 息后 0 penG I 就可以在 w i ndow s 系统 中更新一个窗 口的 图形状态 创建渲染描述表 由函数 m ynrst 完成 具 体代 码如 下 h rc w gl C reateC 0ntext m y pD C G etsafeH dc 创建 w gl M akec urrent m y pr 一 G etsafeH d c h rc 当前化渲 染描述表 2 2 4 视点 视景体及透视模式的定义 在 o penG I 虚拟现 实 中 必须 先定 义视点 视 景 体及透 视模 式才 能实现 这一 功能 通 常在 0 nSi ze 函 数 中来 定 义 一 旦需 要重 绘窗 口时 程 序 自动调 用 o nSi ze 函数 使 重绘 前后显 示方 式保 持一致 从 而保 证 了图形 的真实 性 连续性 3 驾驶机 器 人动 画效果 的实现 和仿 真实例 示意 3 1 机 器人 动 画效果 的 实现 机器人动画效果的实现采用的是双缓存技术 调用 Sw apBuffers 函数使其成为可见视频缓冲 同时还需要 设置定时器 周期性地向程序发送 w M T IM E 函数来 刷新实现机器人的动态显示 其 步骤如下 设 置 0 penG I 窗口显示属性为双缓存机制 利用 O penG I 绘制命令绘图 绘图结束后切换缓存 使用计时器控 制动画的刷新频率 离合器机械腿动画显示代码如下 V o d C R o b o tV i e w o n T i m e r U N l N T n 1I E ve n t 添加定时 器响应 函数和场景更新函数 i n val i date F A L SE 显示更 新 jf m l sS ta n M o v i e m Al 1gl e 一m Joi nt1 m A ngl e十 一 m joi n诬 R e n d erS c e n e m C ou n t i f m C ou nt言 M V IE C N T M C o u m O M 1sS ta rtM o v i e F A I S E V ie w 0 n T i m er n ID E v e n t 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 2OO9 年 第 3 期 王 丽 丽 等 驾 驶 机 器人 的 三 维运 动 仿 真 73 j v oi d c startC A ndM D Ig setC l utc h i nt i i nt j i l自动 档 汽 车 j l踩离合器 j 2 松离合器 j 3 前半松离合器 j一3 后半松离合 器 i f i 一 1 i f j 1 set base 0 x 310 pm ove 3 o o o o o o o 1 c P0i nt 7 y c P0i nt 7 x 0 d o w hi l e c hkb usy 4 i f j 2 set base 0 x310 pm ove 3 o o 0 o o O 1 1 c P0int 7 y c Poi nt 7 x d 0 w h i l e c h kb u sy 4 i f j 一 3 s et b a se O x 3 l 0 pm ove 3 0 O 0 L 0 O 1 1 c Po 7 y c Poi nt 7j x 2 1o w h i l e c h k b u sy 4 i f j 4 set base Ox3l 0 pm 0ve 3 0 0 o o 0 0 1 o c Point 7 y c Poi nt 7 x 2 该函数用于对离合器的操作 4 个不同的动作为 踩离合器 完全放离合器 从踩下位置半放离 合器 从半放位置完全放开离合器 3 2 仿 真 实例 示意 利用上述方法可以实现 驾驶机器人的运 动学仿 真 通过输 入参 数与机器 人仿 真模型进行 交互 计算 机根据输 入的数据 进行实 时计算 并将计 算 的数 据或 结果传递给仿真模型 再由计算结果驱动仿真图像 实 时显示输入数据对机器人运行的影响 同时也将与当 前仿真相关的数据实时显示出来 以达到参数化实时 动态仿真的目的 这种仿真环境为研究机器人提供了 有效 的手段 如 图 1 为驾驶 机器 人离合器 机械腿 的运 动仿 真示意 图 4 结束语 开发针对 驾驶机 器人三 维运动仿 真系统 弥 补了 o penG I 自身的辅助库函数只能画简单图形这 一缺 憾 引入了机械专业建模软件 A utoc 人D 将二者的优 点有效地结合起来 从而使仿真效果更逼真 场景更 震撼 仿真结果为研究机器人机械结构的干涉问题 了 解驾驶机器人的空间工作的形态及大小提供 了一种很 好的实验手段 并具有形象而直观的图像 使仿真从 单纯的抽象的数字化仿真中走出来 利用本驾驶机器 人及控制 环境模 型可 与远程机 器人进 行通信 指挥 远 程机器人作业 为远程机器人的控制提供了新的方式 a 完全放开离合器的运动仿真 b 踩离合器的运动仿真 图 1 驾驶机器人离合器机械腿的运动仿真示意图 参 考 文 献 1 郭兆荣 李 菁 王彦 V i sual C O penG L 应用程序 开发 M 北京 人 民邮电出版社 2oo6 r2 D ave Sl 1rei ner M a on w oo jac ki e N ei der et a1 0 penG L 编译指南 M 徐 波 译 北京 机械工业出版社 20O6 3 崔冬 M 一6i B 型 F A N U C 机器人的三维运动 仿真及有限 元 分析 D 西安 西安理工大学 2 0 7 26 29 4 徐运 武 基 于 0 penG I 及 3D s M A x 的机 器 人三 维仿真 实现 D 广州 华南理工大学 2 f 6 29 34 3 D M0 ti 0n S i m u l a ti 0 n 0 f R 0b 0t D ri ver WA G L i l i N IU Z h 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