三维仿真平台（精选12篇）
三维仿真平台 篇1
0引言
根据精确打击实验的实战要求, 任意视点和角度的二维基准图制备成为关键, 因此需提供一种快速建立生成打击目标区三维场景的仿真平台。该平台针对打击目标区的气候的多样性、背景的复杂性、各种目标运动的不确定性, 提出了界面交互、镶嵌式的场景生成方法。很好地解决了不同背景、不同目标区场景的快速构架, 为不同目标区的场景生成提供了一种便捷的方法。
目前, 计算机场景仿真可以采用Vega、Creator等, 但这些软件可移植性不强。因此, 本文采用了一种开源的三维图像渲染工具包OpenSceneGraph (OSG) , 利用PC机在VS2008环境下开发一个OSG和MFC结合的通用前视三维场景仿真平台。
1三维场景仿真平台的开发
1.1OpenSceneGraph (OSG)
OpenSceneGraph是一款高性能的、开源的、跨平台的3D图形开发工具包, 可以运行在Windows的所有版本操作系统, 包括Linux、HP-UX等操作系统。它包含了一系列的开源图像库, 主要为图形图像应用程序的开发提供场景管理和图形渲染优化的功能, 当OSG运行时文件由一系列动态链接库 (或共享对象) 和可执行文件组成, 这些链接库可分为5大类:
① OSG核心库:提供了基本的场景图形和渲染功能, 以及3D图形程序所需的某些特定功能实现;
② NodeKits:扩展了核心OSG场景图形节点类的功能, 以提供高级节点类型和渲染特效;
③ OSG插件:包括了2D图像和3D模型文件的读写功能库;
④ 互操作库:使得OSG易于与其他开发环境集成, 例如脚本语言Python和Lua;
⑤ 不断扩展中的程序和示例集:提供了实用的功能函数和正确使用OSG的例子。
1.2软件平台功能
作为打击目标区的前视三维场景仿真平台, 除了能够提供快速、高效、逼真的三维场景仿真过程, 还要求具有以下功能特性:
① 可实现镶嵌式场景生成, 通过人性化界面实现各种目标区三维场景的生成;
② 多种模型的镶嵌, 可加载地形、建筑物、车辆模型等实物文件, 也可加载天气效果模型如雾、雪、雨;
③ 对于镶嵌模型格式的通用性。依托OSG数据读写插件, 可加载基本常用的各种软件创建的2D或3D数据文件如 (.flt.3ds.obj) ;
④ 较强的扩展性。充分利用扩展开发的优势, 增强可扩展性, 方便用户进行自定义设计和扩展;
⑤ 场景生成后的快捷输出。在完成目标区目标的生成后, 用户可选择保存为.ive格式的整体场景输出, 下次可直接调用。
1.3面向对象的镶嵌式设计思想
三维场景的仿真过程一般是根据目标区实际需求, 编写代码或通过某种软件工具建立不同的场景。当目标区场景改变时, 必须重新修改代码重新建模, 因而使得三维场景开发周期长, 工作量大, 不适于实战的需要。
本平台采用面向对象的镶嵌式的三维场景生成方法, 在此平台上, 可以不编写代码, 只需通过界面操作就可以实现不同目标区场景的生成。具体思想是, 用户可以在软件平台上加载各种模型, 如地形、场景、建筑物目标、天气模型等, 软件将这些模型均作为物体来处理, 并且将各种模型的属性设置如模型的坐标、模型光照等也当作属性物体来处理, 统称为资源。当资源添加完成后, 用户通过场景生成器将各种资源有机的结合在一起渲染, 从而形成整个目标区的三维场景。如将建筑物目标 (物体) 镶嵌到模型坐标 (属性物体) 上, 那么建筑物目标就会放到场景相应的坐标位置。
用户加载完成后, 整个场景也就搭建完成。整个过程就像是在一个方框内镶嵌, 依次把不同的模型放置方框内对应的位置, 然后组装成一个完整的场景, 如图1所示。
1.4总体结构设计
依据功能, 将软件分为4个部分:界面库、插件管理库、模型管理库和场景生成库。
① 人性化的界面对于软件来说是非常重要的, 界面库在MFC界面类的基础上为程序的界面提供支持且与用户操作交互的部分, 所有与界面相关的支持类、派生类都在这个库里面, 使程序结构清晰明了;
② 插件管理库主要是为用户提供扩展的接口, 如用户对新的文件类型的支持、数据格式的支持等。通过导入相应的插件, 用户可以完成软件功能的扩展;
③ 模型管理库是对OSG类库的封装或扩展, 如视口类、天气特效类、显示光照效果的光照类、基本模型类等, 该库集成了主要的场景模型加载功能;
④ 场景管理库是软件的核心, 负责对场景的生成调度和管理, 包含场景生成器、数据驱动类等。
这4个部分作为独立的动态链接库来支撑整个软件, 对程序进行升级时, 只需更改相关的动态库而其他库可不做变更。软件结构如图2所示。
以场景管理库为核心, 初始化窗口、视口、渲染上下文等对象, 导入地形、目标、光照等模型;以界面交互为场景过程生成手段, 添加删除资源、设置实物资源的属性、对资源进行镶嵌以及和程序进行交互等;以模型管理库为模型储存仓库, 对导入的模型、已生成的天气模型、光照模型等进行存储, 以供场景管理库的加载。这些部分共同完成了目标区三维场景的仿真生成平台。
1.5平台的数据组织结构
场景生成平台依托OSG采用一种自顶向下, 分层的树状数据结构来组织空间数据集, 以提升渲染的效率。场景图形树状结构的顶部是一个根结点。从根节点向下延伸, 各个组节点中均镶嵌了几何信息结点和用于控制其外观的渲染状态信息结点。根节点和各个组节点都可以有零个 (有零个子成员的组节点事实上没有执行任何操作) 或多个子成员。在场景图形的最底部, 各个叶节点包含了构成场景中物体的实体模型数据。如这样一个三维数据库:某个地形中放置了一幢建筑物目标和2辆一模一样的坦克, 则数据为如图3组织方式:根节点之下有4个分支节点, 分别为地形坐标模型、建筑物目标坐标模型以及2个坦克坐标模型。因为2辆坦克的模型是一样的, 因此, 可只加载1个坦克模型, 然后镶嵌到2个坦克坐标模型中, 以产生2辆坦克的外观效果。而地形模型则镶嵌到地形坐标节点下, 建筑物目标模型镶嵌到建筑物目标坐标节点下。最终在场景生成器中渲染构建。
2平台的实现及应用
以OSG2.8.2为开发引擎, 在Windows XP和VS2008环境下基于MFC窗口开发的通用导弹打击目标区场景构建平台。
此平台采用镶嵌式场景生成方法, 对于每一个不同的目标区场景的构建, 不需要编写代码, 只需直接在平台上通过界面操作导入实物资源、设置资源, 并通过对实物资源的镶嵌和实物资源属性数据的镶嵌最终经过场景生成器渲染实现生成整个场景。且生成好的场景可以导出.ive格式的场景文件, 可以反复调用。可以看出场景构建平台可以大大减少工作量, 降低开发难度。
作为示例, 简单实现了某打击目标区的场景生成, 如图4所示。
在该示例中, 添加的资源有地形、坦克、房子、雪以及所对应的属性资源。通过场景生成器, 将实物资源按照对应的属性资源镶嵌到场景中, 将场景镶嵌到窗口上, 最终仿真生成场景, 且可以导出整个场景文件。运行期间, 整个场景仿真过程生成较快、渲染效果逼真, 能够满足打击目标区场景生成并生成基准图的需求。
3结束语
镶嵌式的场景生成过程是场景生成的一种新的方法和尝试, 可以减少用户的软件开发工作量, 满足打击目标区场景快速生成的要求, 避免重复劳动。模型库的完善和多视点的调整将是下一步研究的工作。
摘要：三维场景仿真已成为精确打击实验的关键技术手段, 有着广泛的应用前景。仿真平台以开源三维图像渲染工具包OpenSceneGraph (OSG) 为开发引擎, 依据面向对象的镶嵌式三维场景仿真生成思想, 以各类模型为构成场景的基本资源对象, 采用自顶向下分层的树状数据组织结构实现了软件平台的开发。通过给出示例, 说明了软件平台的应用可以大大降低打击目标区场景仿真过程开发的周期和难度, 满足制导武器实验的要求。
关键词：开放式场景,镶嵌式,场景仿真,开发技术
参考文献
[1]申闫春, 朱幼虹, 曹莉, 等.基于OSG的三维仿真平台的设计与实现[J].计算机仿真, 2007, 24 (6) :207-211.
[2]闫晓东.基于OSG的飞行视景仿真平台开发[J].计算机仿真, 2008, 25 (5) :58-60.
[3]施仁奈 (美) .OpenGL编程指南 (第5版) [M].徐波, 译.北京:机械工业出版社, 2006.
[4]温转萍, 申闫春.基于OSG的虚拟校园漫游系统的设计与实现[J].计算机技术与发展, 2009, 19 (1) :217-220.
[5]HUBBARD P M.Collision Detection for Interactive Graphics Application[J].IEEE Transaction Visualization and Computer Graphics (S1077-2626) , 1995, 1 (3) :218-230.
三维仿真平台 篇2
煤矿安全生产三维仿真培训系统是北京金视和科技股份有限公司集十几年来图形图像和三维领域的尖端科研成果，并结合多年来对矿山领域的调研数据进行定制开发的解决方案。
煤矿安全生产三维仿真培训系统结合煤矿安全生产特点、行业安全培训现状以及国家对安全技术培训的有关要求，成功的实现了煤矿安全技术可视化仿真教学，内容涵盖煤矿各技术工种，是一套适合煤矿进行技能培训的信息化教材。系统遵循了国家关于煤矿安全培训大纲和考核标准的相关要求，具有针对性、实用性、启发性，通过实景再现、设备分解、模拟操作等形式把教学内容展现出来，为煤矿技能培训提供了一种全新的解决方案。
煤矿安全培训工作是煤矿企业的生命线和幸福线，没有安全就没有生产。通过培训提高职工的安全技术素质，自主保安和相互保安意识、做到自觉遵章守纪，最大限度减少伤亡事故发生，改变煤矿安全生产环境，从而激发广大职工献身煤炭事业的积极性。
煤矿安全生产三维仿真培训系统内建的利用内建的三维交互引擎和海量的三维模型资源库，可以在几秒钟内，用点击和拖拽的简单操作方式，将矿山井下现场逼真的还原。根据不同地区的矿山，简单快速搭建出一个逼真的三维数字矿山。
三维模型资源库包括：井下的各种巷道，井下设备，避难硐室，运输系统轨道等，所有资源可以任意调用和修改，以达到三维矿山快速创建的目的。
创建的三维矿山井下环境可以根据用户的不同需求任意调整视角和位置，以及缩放等操作，从而多方位的浏览审视井下环境，对矿山井下环境的整体布局有更加深入和形象的认识，还可以创建全局缩略图，整体平面图，区间三维图等，可以让用户真对不同矿山的宏大井下环境进行快速准确的进行位置确认，以及快速跳转到目标位置，达到对矿山井下环境以及布局快速准确的认识。
三维仿真平台 篇3
关键词：安全防范；入侵报警；三维仿真；OpenGL；虚拟现实
中图分类号：TP311.52 文献标识码：A 文章编号：1007-9599 (2012) 09-0000-02
一、引言
目前，安全防范系统已广泛应用于社会生产、公共安全等领域，对于损失控制和犯罪预防起到了重要的作用，也取得了不少成效。然而，在对安全防范系统的设计、安装及运行等阶段投入了大量财力、物力和人力的同时，我们应该看到其所得的成效并非与这些大量的投入相匹配。很多安全防范系统的设计目的不明确，各个子系统不能达到很好的配合，多数安防设备（如：前端摄像机、入侵探测器等）都未达到最优配置。更多的情况是很多设备的安装位置不正确，甚至存在违规违法的情况。这使得安全防范系统在实际运行中，不能达到应有的防范效果（对违法行为的震慑和遏制），对所防范场景的控制、对重要或可疑事件的监视不理想，所采集的音视频信息不能被法律认可。因而使得大量安全防范系统形同虚设，造成大量资金的浪费。对安全防范系統建立科学的、直观的效能评估体系，建立规范的安全防范系统设计、安装和运行标准，势在必行。
我们以公安部重点实验室为依托，基于已有的研究成果和技术积累，以安全防范系统的设计和评估为突破点，使安全防范的设计与评估更科学、更有效，研究成果可以作为实用工具，为安防工程的设计人员提供设计工具，为方案的评估人员提供客观的评估手段。
二、系统设计与系统功能
三维仿真平台 篇4
变电站是电力系统的重要组成部分。变电站内的故障或误操作,既可能损坏站内设备,也可能给电力系统造成严重后果。为减少因人为因素造成的事故,需要对运行人员进行培训[1,2],提高运行操作和事故处理的技能。
目前国内变电站培训系统大体上可以分为硬件盘台式仿真和软件仿真2类。相比而言,软件模式虽然真实性较差,但是扩充性好,造价比较低,组成灵活,能根据实际需要实现分布式或网络教室配置,可同时接受多人培训,并可对所有培训结果进行记录存档,量化分析培训效果,帮助提高培训效率。
随着三维图形技术的发展,应用三维技术和虚拟现实技术[3,4]可以大大提高软件仿真系统的真实性,使软件仿真能同时兼顾经济性、灵活性、可扩展性和感观的真实性。
本文介绍一种借鉴面向对象技术[5,6]复用思想和数据库技术[7,8]实现变电站一次系统三维仿真平台的方法。
1 三维仿真平台功能
变电站仿真培训系统的主要功能围绕变电站运行人员的日常工作进行设计。其功能有:
1)变电站各种设备的操作培训,如开关的倒闸操作、互感器投切、变压器有载调压开关操作、挡位调节等。
2)仿真误操作的严重后果,减少学员实际操作过程中的误操作率。
3)变电站主要一次设备的巡视。常见设备巡视点包括:变压器的油温、油位、油色、吸湿剂颜色异常,引线接头是否发热,有无漏油,冷却系统异常,中性点放电间隙折弯、瓷质破坏、积污、放电等;开关的机构位置异常、SF6压力偏低、油位偏低(漏油)等;地线是否松脱、接头过热等。
4)变电站典型事故的处理。仿真变电站典型事故的处理流程,培训值班人员正确判断、排除各种事故的应变能力,积累事故处理的经验。
本文实现的变电站仿真培训系统由三维仿真平台和二维仿真平台构成。三维仿真平台满足一次设备巡视和现场操作培训需求,而二维仿真平台主要实现变电站监控“五防”仿真以及事故仿真等。
2 设计方案
2.1 方案的提出
现实中的变电站具有形式多种多样、分散性强、容量大小不一的特点,传统的仿真系统设计一般采用针对某个具体的变电站的设计方案,建立相应的数据结构,通过算法编程实现仿真功能。其缺点是:变电站对象改变以后,例如添加新的电力设备,或者引入具有新功能、新特性的电力设备,或者淘汰原有电力设备,所有相关的设计都要进行修改。由于这种仿真系统结构和功能的相对固定性,导致程序必须根据新的仿真对象结构和功能进行彻底修改,代码移植能力大幅降低,设计工作量大幅提高,系统维护和更新也变得很困难。随着电力系统自动化水平的不断提高和电力系统规模的不断扩大,原有的面向过程的设计方案逐渐不能适应这一变化。
2.2 解决方案
2.2.1 可交互的分布式培训系统
为实现三维仿真平台对象的有效组织,建立三维仿真平台与二维仿真平台之间的交互,有必要在三维仿真平台与培训系统之间建立联系。
图1所示是培训系统交互的原理图。系统采用客户/服务器的模式,通过以太网实现网络连接,三维仿真平台以数据库为桥梁实现与二维仿真平台信息交互。服务器端包括三维仿真平台和二维仿真平台,二维仿真平台具备电力系统仿真功能、监控系统仿真功能和教员功能。电力系统仿真通过专门的仿真软件为仿真培训提供一个“仿真的”电力系统;监控系统仿真模拟变电站综合自动化系统后台的人机界面功能;教员功能用于设置设备异常和闭锁或解锁设备操作。
2.2.2 三维仿真平台对象库的设计
就各种变电站对象而言,可以分为有动作特性或电气特性的对象和一般的对象2类。前者一般指变电站内的各种电力设备,包括变压器、断路器、隔离开关等一次设备以及互感器、机构箱、操作箱等辅助设备等;后者主要指变电站地理环境,如变电站内各种建筑以及杆塔、地面等。
基于此,本文提出一种可扩展对象库的设计方法,把三维仿真对象抽象为由三维模型类、动作特性类、电气特性类、数据接口类元素构成的对象。动作特性类元素用于描述设备动作,如开关的开合、小车的推入拉出等;电气特性类元素用于描述设备异常,如变压器漏油、绝缘子瓷瓶破裂、开关冒烟等;数据接口类元素提供仿真对象和系统交互的数据接口。由于变电站的很多电力设备在模型和功能上很相似,可以把模型和功能分别作为元素描述,再由元素复合成新的对象。为了便于叙述,本文把对象库中的动作特性类、电气特性类、数据接口类元素统称为功能类元素。
图2所示是三维仿真平台原理图。三维仿真平台由三维仿真系统对象构成,对象通过复用对象库元素组成各种电力设备和变电站场景。各种设备通过其数据接口与三维平台数据库交互,再通过系统数据库和二维仿真平台实现交互。
3 具体开发
3.1 开发工具介绍
本系统采用虚拟现实软件VIRTOOLS Dev(以下简称VT)开发平台。它提供所见即所得的图形开发界面,内嵌的行为交互模块(BB——building blocks)是一种可视化的程序接口,利用BB可实现对开发环境中的对象(Object)或虚拟角色(Character)交互脚本设计。它拥有超过450个以上的BB,组合使用这些BB可以组成实现某项功能的交互模块,模块可另存为*.nms格式文件。模块的方便复用和编辑后复用是它的优良特性之一。作为优秀的三维虚拟现实开发平台,VT对3DS Max以及Maya建立的三维模型有很好的兼容性。
3.2 三维仿真平台对象元素的建立
三维模型类元素采用3DS Max建模。依据实际的图片资料和尺寸按照一定的比例建立各种仿真对象的模型,文件以*.Max格式保存,可依据实际需要修改、复用已有模型的图元形成各种新模型。动作特性类元素和电气特性类元素通过在VT中编写脚本实现。
图3所示流程图说明了三维仿真平台对象的建模过程,以及怎样建立三维模型库和功能对象库。首先,通过复用基本三维图元库的元素建立仿真对象的三维模型,在3DS Max环境下,用VT插件把文件导出为*.nmo格式文件,把文件导入VT,定义VT内的三维模型为对象的三维模型类元素并添加到三维模型库。拖曳BB编写脚本描述三维模型类元素的动作特性类元素、电气特性类元素和数据接口类元素,建立的功能类元素在VT内以脚本(*.nms格式文件)、VT对象(*.CMO格式文件)和Array(VT环境下二维数据表)等形式存在。由三维模型库元素和功能对象库元素生成各种三维仿真平台对象(*.nmo格式文件)。
图4所示是以隔离开关为例在VT环境下各类元素的描述。
图4(a)是隔离开关三维模型类元素;图4(b)描述电气特性类元素中的冒烟异常特性(采用带脚本的粒子系统实现,以*.cmo格式文件形式放入功能库,可复用);图4(c)是描述隔离开关开合的动作特性类元素(采用脚本描述,以*.nms格式文件形式放入功能库,可复用);图4(d)是隔离开关数据接口类元素,当有相应操作时,对应的值发生变化,通过数据库接口程序上传到系统数据库。
3.3 平台间交互
为了实现三维仿真平台与二维仿真平台的交互控制和信息交换,引入数据库作为各平台间信息交互的桥梁。按照三维仿真的要求,把三维仿真平台仿真所涉及的信息,如设备的电压等级、设备名、设备异常状态、设备状态和设备的操作权限等数值,用关系型数据表格表述,形成三维仿真平台数据库。
本系统采用Microsoft Access描述这些数据,通过数据库接口程序和VT的网络服务器模块(VIRTOOLS Server),监控仿真中的设备状态和教员模块的设备异常状况等数据会动态刷新到三维仿真平台数据库。
以图5所示的部分三维仿真平台的数据库为例说明平台之间的数据交互。通过数据接口程序,三维仿真平台数据库中的字段数据如开合状态、是否带电与监控系统仿真数据库字段数据是实时对应的。数据库中的设备类型字段用于枚举不同类型的电力设备;异常状态字段用于配合教员模块设置设备异常状态,训练运行人员发现设备运行异常和处理故障的能力;操作标志字段用于控制操作权限,防止不同平台间数据写冲突,当操作标志置位时,三维仿真平台有优先权,反之,监控系统仿真有优先权。
就不同平台的交互而言,在二维仿真平台上操作时,三维仿真平台的对应设备有相应操作或异常显示,当二维仿真平台给予三维操作权限时,二维仿真平台被锁定,在三维仿真平台对设备操作的相关数据从VT数据库Array上传到Access库,再通过数据库接口程序更新到二维仿真平台数据库,完成以数据库为桥梁的交互过程。
4 三维仿真平台扩展
三维仿真平台扩展分为设备数量扩展和设备功能扩展。数量扩展采用添加或删除Access数据库记录动态扩展的办法实现,设备功能扩展采用在Virtools环境下修改设备库设备的功能,这些设计过程都是以对象为单位的,真正体现了扩展性强的设计优点:①电力设备模型与动作行为或电气特性分离、电力设备与场景分离,模型和操作可复用,大大减小代码和数据的冗余度;②设计过程不再受特定变电站结构和设备功能的束缚,可灵活、方便扩展。
图6是平台扩展的流程。当平台以编辑模式运行时,在三维仿真数据库添加对象记录,以数据库中设备名为关键字到三维对象库中搜索相关三维对象或到功能对象库中搜索功能对象,如果没有,则建立对象并添加到对象库,载入设备和场景生成三维仿真平台,按照电气主接线图,结合变电站布局,根据“分区分块分层”的原则, 分区主要指建筑区和设备区,分块分层指以间隔为单位把设备区分块分层,拖曳设置好对象的位置后,把位置以三维坐标的形式保存到地理信息表,退出编辑模式,完成平台扩展。
以扩展变压器的漏油异常现象和复用功能隔离开关的冒烟异常为例说明扩展过程。首先进入编辑模式,由于不需要在数量上扩展,新建变压器三维模型并添加到模型库,进入功能扩展,由于在功能库中没有描述漏油的对象,在VT环境下,建立描述漏油状态的脚本(*.nms格式文件),把这个脚本添加到功能对象库,完成漏油异常扩展;从功能库中载入图4所示的冒烟的功能对象(*.nms),设置好对象位置,完成冒烟功能对象的复用,退出编辑模式,完成扩展。
5 结语
变电站仿真培训对于提高电力系统安全运行水平、为社会经济发展提供优质的电力有着不可替代的作用。本文介绍的基于可扩展对象库和数据库技术建立三维仿真平台的办法,克服了传统的面向过程的变电站仿真系统设计的缺点,把变电站的对象抽象为由三维模型、动作特性、电气特性、数据接口等元素组成的对象,以数据库为桥梁实现三维仿真平台与二维仿真平台之间的交互。可根据现实需要灵活增减设备和修改设备的功能,使得对已有的仿真平台进行较少的改动就能满足新要求的设计理念成为现实。
摘要：变电站三维仿真目前仍然存在建模周期长、模型难以复用等困难。文中介绍一种基于可扩展对象库建立三维仿真平台的方法。该对象库由三维模型类、动作特性类、电气特性类和数据接口类等不同类型的元素构成,变电站的各种仿真对象都能通过复用对象库中的元素完成建模。以Access数据库为桥梁,实现了三维仿真平台与培训系统的二维仿真平台交互。基于该变电站三维仿真平台,可以在对象层级通过灵活地增减设备或修改设备功能,仅做较小改动就能满足新的需求,从而大大缩短了三维建模周期。
关键词：变电站仿真培训,三维仿真平台,可扩展对象库,分布式系统
参考文献
[1]韩念杭,王苏,张惠刚,等.面向维护人员的变电站自动化技术培训系统.电力系统自动化,2007,31(2):88-90.HAN Nianhang,WANG Su,ZHANG Huigang,et al.Maintainers oriented substation automation technique training system.Automation of Electric Power Systems,2007,31(2):88-90.
[2]芳舒燕.变电站培训仿真系统的应用与发展.高电压技术,2005,31(4):79-81.FANG Shuyan.Application and development of substation training simulation system.High Voltage Engineering,2005,31(4):79-81.
[3]龚庆武,姜芳芳,陈义飞.基于虚拟现实技术的变电站仿真培训系统.电网技术,2005,29(24):74-77.GONG Qingwu,JI ANG Fangfang,CHEN Yifei.Virtual reality technique based substation training simulator.Power System Technology,2005,29(24):74-77.
[4]MATSUBARA Y,YAMASAKI T.VR-based interactive learning environment for power plant operator//Proceedings of the International Conference on Computersin Education:Vol2,December3-6,2002,Auckland,New Zealand.Los Alamitos,CA,USA:IEEE Computer Society,2002:922-923.
[5]曾祥辉.面向对象的电力系统图形软件的研究与开发[D].保定:华北电力大学,2004.
[6]项丽.面向对象的图形建模技术及其在DTS中的应用研究[D].保定:华北电力大学,2006.
[7]杨春,李昌国,张晓林,等.基于3D和Virtools技术的虚拟实验的实验数据分析研究.计算机工程与设计,2007,28(11):2589-2591.YANG Chun,LI Changguo,ZHANG Xiaolin,et al.Research on experimentation data analysis of virtual experiment based on3D and Virtools technologies.Computer Engineering and Design,2007,28(11):2589-2591.
三维仿真平台 篇5
河道堤防工程管理三维仿真系统的设计与开发
以湖北省长江河道堤防工程管理三维仿真系统开发为背景,介绍基于ArcEngine的.大数据量河道三维仿真系统的设计与实现.采用地理信息系统技术、遥感技术、虚拟现实技术、数据库技术、多媒体技术、互联网技术、面向对象系统设计与分析技术,使系统具有体系结构清晰合理、技术先进、扩展性好、查询方便、三维场景数据量大、功能强大等特点, 能有效地为长江堤防管理单位的高效管理、研究和规划服务,提升湖北省河道堤防管理的现代化管理水平, 加快以“数字长江”为目标的信息化建设步伐,对其他大数据量三维地理信息系统的实现具有较高的参考价值.
作 者：何保国 邱儒琼 作者单位：湖北省基础地理信息中心,武汉,430071刊 名：测绘科学 ISTIC PKU英文刊名：SCIENCE OF SURVEYING AND MAPPING年，卷(期)：200934(4)分类号：P208关键词：三维地理信息系统 堤防 长江 ArcEngine
三维仿真平台 篇6
一、引言
行星轮系卷扬机传动机构安装在卷筒内，具有传动比范围大、结构非常简单、自重及外形尺寸小等优点，在很多领域得到广泛应用。在设计轮系过程中，如果结合 NX中GC工具箱、运动仿真模块对轮系进行运动仿真分析，能有效验证设计过程，还可以直接利用工程图模块进行齿轮工程图制作，提供工作效率和研发进度。
二、差动轮系卷扬机传动机构分析
差动轮系卷扬机减速机构在卷筒内存和卷筒一起组成传动机构，较以往常见的卷扬机机构复杂，如图 1所示。齿轮1与气动马达相连，齿轮5与主电机相连，当主电机断电时，齿轮 5抱死，为保护传动装置，气动马达开启，齿轮 1变成主动轴开始工作。
1.轮系组成分析
1、2-2’、3和 H1（系杆）组成周转轮系 1，传动比记为 i1；3’、4、5和 6（系杆）组成周转轮系 2，传动比记为 i2；6、7、H1和 H2（系杆）组成周转轮系 3，传动比记为 i3。
2.传动计算
周转轮系 1，转化为定轴轮系后，传动比 i1公式为：
（1）周转轮系 2，转化为定轴轮系后，传动比 i2公式为：
（2）3-3’行星轮 W3 =W3'，公式为：
（3）周转轮系 3，转化为定轴轮系后，传动比 i3公式为：
（4）通过联立 i1、 i2和i3可知，在已知 W1、W6速度条件下，整个传动计算才能正常解算，即差动轮系才能有确定运动，所以该差动轮系的原动件为 1和 6，在运动仿真过程
中，需要设定 1和 6的转速，才能实现整个差动轮系的运动仿真。
三、差动轮系三维建模
1.齿轮工具箱
NX软件的GC工具箱提供了渐开线圆柱齿轮建模模块，用户只需要根据相应的齿轮参数如模数、齿数及压力角等信息即可迅速完成齿轮建模，还可利用齿轮啮合功能完成每对齿轮的啮合建模，方便快捷，再结合相关建模方法即可完成轮系建模。
2.直齿圆柱齿轮
利用创建齿轮功能，根据齿轮类型，勾选外啮合或者内啮合齿轮，确定后，设定相应的齿轮参数。根据图 1中机构的各齿轮齿数完成相应齿轮建模，本文中轮系中齿轮模数均为 2.5，齿宽 20，压力角为 20°。
设置参数后，系统要求设定矢量和点，前者指圆柱齿轮轴线方向，后者指圆柱齿轮圆柱中心，这两个参数的设置，主要依靠机构简图来确定，一般直接在绘图区域进行点选即可，如图 2所示。
设置完毕后，系统随即开始该齿轮的建模过程直至完成，如图 3所示。
3.齿轮啮合
按照图 1差动轮系机构简图，按照每对齿轮啮合关系和顺序进行建模，建立出两个需要进行啮合的圆柱齿轮，如图 4所示。
啮合齿轮时，需要设置主动齿轮和从动齿轮，注意区分概念，这里的主动和从动是指在软件中，齿轮啮合过程里，不动齿轮和动齿轮，即主动齿轮为固定不动齿轮，从动齿轮为动齿轮向主动齿轮移动，完成二者啮合过程，如图5所示。中心向量控制啮合位置，规定主动齿轮中心指向从动齿轮中心，根据实际啮合位置，选择相应的矢量方向，完成啮合，如图 6所示。
4.移动齿轮
在差动轮系齿轮建模过程中，有时需要对现有齿轮进行移动，按照指定坐标方向输入相应数值或者点到点等功能来完成，可以移动单一齿轮也可移动啮合后齿轮，该功能亦可设置是否保留啮合关系。
5.差动轮系建模
根据图 1机构简图，在 NX软件中，利用齿轮工具箱和相应阵列操作，完成差动轮系建模过程，具体操作流程，如图 7所示。
四、运动仿真分析
在 NX运动仿真环境中，差动轮系运动仿真顺序为：新建仿真→连杆→旋转副→齿轮副→解算方案→解算。连杆为运动仿真的组件；旋转副为仿真组件运动形式，同时可以设置相对运动杆件；齿轮副为两个旋转副之间的速度关系，即一对啮合齿轮，设置一个齿轮速度后，另一个齿轮的速度可以通过设置齿轮副来完成，而不必单独设置速度。齿轮副的建立，必须满足两个旋转副中均相对于同一个组件运动。
1.连杆
连杆建立时，直接点选相应的组件即可完成连杆建立。差动轮系共建立 17个连杆，它们分别是：1个 1齿轮、5个双联齿轮 2-2’、1个 H1系杆、1个双联齿圈 3-3’、3个4齿轮、1个5齿轮、1个6齿轮、3个7齿轮、1个H2系杆。
2.旋转副
差动轮系的齿轮旋转副中，“操作”指发生旋转的齿轮，“选择连杆”里直接选择连杆的圆弧边缘，可以一次完成连杆、原点和矢量等三个操作指定。注意所有齿轮旋转副方向要相同；“基座”指相对组件，对于已经完成装配关系的组件，不需要勾选啮合连杆，直接选择相对组件。
周转轮系中的齿轮均相对于系杆做相对运动，轮系1中，建立 7个旋转副，1个太阳轮 R1，5个双联行星轮 R2，1个双联太阳轮 R3，系杆 H1作为相对组件；轮系 2中，建立 3个旋转副，3个行星轮 R4，齿轮 6作为相对组件，5齿轮固定，不设置连杆或者设置固定副即可，本文选择前者；轮系 3中，建立 5个旋转副，3个行星轮 R7，1个太阳轮RH1（轮系1中的系杆），1个太阳轮R6（轮系2中的系杆），系杆 H2为相对组件，1个系杆 RH2不需要选择相对组件，即对地旋转。
3.驱动设置
NX齿轮运动仿真中，建立各个组件的旋转副，需要手工设置旋转速度，才能进行运动仿真。轮系中每个齿轮旋转副速度设置有两种方法，一是逐一设置每个旋转副的速度，二是设置轮系中输入端旋转副速度，建立齿轮副来完成啮合齿轮速度设置。往往在实际的复合轮系中，两种方法需要穿插使用，每一种方法都有其局限性，联合在一起使用，才能顺利快速完成整个轮系运动仿真。
（1）表达式建立。
根据传动比计算，建立表达式和相关变量计算，如图 8所示，实现参数化运动仿真过程，降低错误率，提高效率，后续修改相关参数后，可以直接解算完成仿真过程。
（2）速度驱动。
对于 R1、R4和 R6旋转副相对组件不同，无法建立齿轮副进行速度设置，RH2为系杆对地旋转副，所以均需要手工设置驱动速度；有的旋转副由于相对组件的存在，设置时需要减去相对组件速度。切换到驱动，设置驱动速度，直接调用表达式，根据每个旋转副中是否存在相对组件情况，
相应设置相对速度或绝对速度，如图 9所示。
（3）齿轮副。
齿轮副里需要选择第一个和第二个旋转副，注：两个旋转副必须要相对于同一个组件，直接选择需要设置啮合的两个旋转副即可；比率设置，第一个旋转副齿轮齿数除以第二个旋转副齿轮齿数，外啮合为正，内啮合为负，注意区分传动比正负，二者含义不同。
轮系 1中，齿轮 2与齿轮 1为外啮合，已知齿轮 1速度，建立二者之间齿轮副，完成齿轮 2啮合速度设置，即R2-1、R2-2、R2-3、R2-4、R2-5；齿轮 2’与齿轮 3之间建立齿轮副，完成齿轮 3啮合速度设置，即 R3，如图 10所示，注只需做一个齿轮副即可。
轮系 3中，齿轮 6与齿轮 7为外啮合，已知齿轮 6速度，建立二者之间齿轮副，完成齿轮 7啮合速度设置，即
4.运动仿真
解算方案里设置运动时间和步长，确定后，启动解算器进行解算。在动画工具里即可看到整个差动轮系的运动过程。此差动轮系中，各个旋转副绝对速度与时间关系分析图，如图 12所示。轮系中所有齿轮均以恒定角速度旋转，没有发生碰撞，在运动仿真动画里也可以观察到。
五、结语
三维光学实验仿真 篇7
但是, 在光学实验中, 实验的环境对实验效果影响巨大, 要想得到理想的实验效果, 必须具备良好的实验条件, 导致教学中很难将实验应用的理论教学中去, 所以借助于计算机将光学实验进行仿真成为一条有效的可行路线。
利用origin软件对光学实验进行仿真, 可以避免复杂的程序撰写, 非常适用于没有编程基础的初学者, 也能够得到效果明显的实验结果应用到实际的理论教学中。
一、Origin仿真结果
(一) 多缝夫琅禾费衍射
强度公式:根据惠更斯-菲涅尔原理, 多缝夫琅禾费衍射的光强公式[1]为:
实验仿真结果:
由式 (1) 可得接受屏上x (设OP=x) 处与该点相对光强的函数关系为:
设N=6, b=4×10-6m, d=6×10-6m, f=65×10-3m, I0=1, λ=650nm。矩阵维数设定 (500, 500) , x、y的取值范围为 (-0.03m, 0.03m) , 依据光强分布公式得出矩阵元的值如下: (sin ( (pi*4e-6/650e-9) *x/sqrt (x^2+6.5e-2^2) ) / ( (pi*4e-6/650e-9) *x/sqrt (x^2+6.5e-2^2) ) ) ^2* ( (sin ( (6*pi*6e-6/650e-9) *x/sqrt (x^2+6.5e-2^2) ) ) ^2/ (sin ( (pi*6e-6/650e-9) *x/sqrt (x^2+6.5e-2^2) ) ) ^2) 可得到图1所示的二维仿真图, 图2所示的三维仿真图。
(二) 夫琅禾费多缝干涉
强度公式:在多缝夫琅禾费衍射中, 如果不考虑单缝衍射效应, 多缝干涉的强度与相位差的关系为:
其中, δ= (2πdsinθ) /λ。
令v= (πdsinθ) /λ, 式 (3) 可表示为:
取N=4, I0=1, d=5×10-6m, f=65×10-3m, λ=589nm, 矩阵维数设定为 (500, 500) , x、y坐标范围设定为 (-0.02m, 0.02m) , 矩阵元的值设定为sin ( (4*pi*0.5e-5/589e-9) *x/sqrt (x^2+6.5e-2^2) ) ) ^2/ (sin ( (pi*0.5e-5/589e-9) *x/sqrt (x^2+6.5e-2^2) ) ) ^2, 可得到多缝干涉的二维及三维仿真图像如图3和图4。
(三) 夫琅禾费圆孔衍射
强度公式:夫琅禾费圆孔衍射中, R为圆孔半径, θ为衍射角, f为凸透镜焦距。
圆孔衍射在屏上任一点的光强为:
实验仿真:
令衍射图样中心P0处光强I0=1, 可知接受屏上P处相对光强与x的函数关系为:
设R=0.00003m, f=1m, λ=632.8nm, 调用一阶贝塞尔函数, 依据光强分布公式对矩阵元的值进行设定:
4* (j1 ( (2*pi*0.00003/632.8e-9) * (sqrt (x^2+y^2) /sqrt (x^2+y^2+1^2) ) ) / ( (2*pi*0.00003/632.8e-9) * (sqrt (x^2+y^2) /sqrt (x^2+y^2+1^2) ) ) ) ^2) , 可以分别得到图5所示的二维衍射仿真图和图6所示的三维衍射仿真图。
(四) 夫琅禾费矩形孔衍射
光强公式:夫琅禾费距孔衍射中, a、b分别表示x、y方向上距孔的边长, 矩形孔衍射公式[2]为:
实验仿真:
设λ=400nm, a=0.004nm, b=0.004mm, 焦距f=60mm, x、y坐标范围设定为 (-0.2m, 0.2m) , 矩阵维数设定为 (500, 500) , 在矩阵值窗口根据 (7) 式输入: ( (sin ( (pi*4e-6*x) / (4e-7*sqrt (x^2+0.6^2) ) ) ) ^2/ ( (pi*4e-6*x) / (4e-7*sqrt (x^2+0.6^2) ) ) ^2) * ( (sin ( (pi*4e-6*y) / (4e-7*sqrt (y^2+0.6^2) ) ) ) ^2/ ( (pi*4e-6*y) / (4e-7*sqrt (y^2+0.6^2) ) ) ^2) , 得到图7的二维衍射图, 图8的三维衍射图。
二、小结
通过上述图像可以得到, origin软件可以从容地得到相关的仿真结果, 并且其所得到的图像细致逼真, 界面也相当清晰, 对于实验的分析探究相当有利, 可以简单形象的看懂那些抽象难懂的光学理论。
摘要：以光的夫琅禾费多缝衍射、多缝干涉、夫琅禾费圆孔、矩形孔衍射、牛顿环实验以及迈克耳孙干涉实验为例, 利用origin软件实现光学实验三维仿真。找出实验的光强公式, 并进行参数设定, 从而得到origin软件所需要的矩阵元的值, 就可得一个光强的数据矩阵, 进一步可得到仿真图。得到的仿真图简单明了, 有利于观察, 为光学探究提供方便。
关键词：光学,实验仿真,origin
参考文献
[1]赵建林.光学[M].北京:高等教育出版社, 2006:P4.
三维虚拟仿真研究框架 篇8
三维仿真平台的建立,需要集数据库技术、二维可视化技术、统计分析功能、专业模型计算、三维可视化表现、网络会商功能于一体。在数据存储、统计、分析与二维可视化方面,GIS系统已经比较完善,信息集成度高;从专业模拟计算的角度,相关专业的学者已有大量的研究成果,科学可视化方面也有比较多的应用软件;三维虚拟仿真技术作为一种新的技术,在信息表达方面独树一帜,是二维可视化系统的提升和补充。
1 三维仿真平台框架
三维虚拟仿真平台作为综合平台,其总体框架主要由四个模块组成:三维可视化模块、二维GIS模块、数学模型计算模块和数据库模块。数据库部分作为后台数据的总仓库存储系统运行所需数据,随时接纳由计算或监测输入的数据资料,同时为二维GIS模块和三维可视化模块提供显示数据,为数学模型计算程序提供计算参数。数据库模块包括GIS空间数据库、三维空间数据库、属性数据库三个部分,联合实现上述功能。数学模型计算作为系统进行科学模拟的核心内容,为可视化平台提供科学的计算结果,供用户判断决策,并接收可视化平台的反馈信息,随时调整计算条件,其计算结果也可存入数据库中。二维GIS模块和三维可视化模块并列作为前台的显示和交互界面,是整个系统面向用户的窗口。GIS模块完成二维显示和统计分析功能,并与三维可视化模块相连接实现地图导航功能,三维可视化模块则实现场景的三维可视化表现任务[1]。这些模块的集成最终形成三维虚拟仿真平台。
2 数据库设计
三维虚拟仿真平台作为综合平台,包括二维GIS和三维仿真两方面表现,本文将数据库设计分成GIS数据库、三维空间数据库和属性数据库三个部分进行研究。GIS空间数据库主要为二维GIS提供绘图和空间分析的数据源;三维空间数据库为三维可视化模块提供显示所用到的空间结构位置、纹理材质等数据;属性数据库则为GIS和三维可视化模块中的各个实体提供属性信息,同时也存储数学模型计算结果,供查询分析之用。
2.1 GIS数据库
GIS数据库分为空间数据库和属性数据库,空间数据用于描述空间地理对象的属性,是对点、线、面特征的操作。在GIS系统中,空间数据以图层的形式存储和表达,在Arc/Info中图层称为coverage,每个图层存储一个特定的专题图形,不同的图层通过描述信息特征或者辅助特征(如控制点和边界范围)达到空间信息的匹配和配准。图形特征分为点、线段、多边形等,分别对应空间对象的点、线、区域等特征,每个对象对应一条记录。属性资料用来描述图形的特征,包括点属性资料、线属性资料和多边形属性资料。属性数据在GIS中以关系型数据库形式存储,可利用ArcGIS等GIS软件的连接功能,通过用户定义的特征识别码使属性数据库与空间数据库相关联。
2.2 三维仿真空间数据库
三维空间数据库包含的信息有:三维地形地物的空间几何信息,空间拓扑关系,相对应实体的纹理、材质、层次细节构造等方面的信息数据。与传统的商业关系数据库相比,三维空间数据库技术的理论和产品仍处于探索和试验阶段,商业化的三维空间数据库系统尚不多见。
OpenFlight格式数据模型将实体按照其几何结构进行存储,从基础的三角形面组合为局部结构,最后构造为完整形体,通过节点三维坐标和形体拓扑关系存储模型的几何信息。另外该数据模型可以同时存储与实体显示相关的属性信息,如模型材质、色彩、明暗阴影等,模型文件中对纹理信息只存储纹理名称和映射关系,纹理图片需另外存储,通过上述存储方式可从三维可视化角度实现实体信息的关联存储与访问。
2.3 属性数据库
属性数据是指描述三维实体各种属性信息的数据,其中既包括实体名称、实体说明等文本数据,也包括相关的图片、音像等多媒体数据。在数学模型计算方面,一方面需要存储计算所需的基础数据,如河道地形、糙率、流量、水位、经验拟合曲线等;另一方面则需存储计算结果。
3 空间数据与属性数据之间的联系
无论是空间数据还是属性数据,最终都要集成于三维虚拟仿真系统平台中,为信息查询分析、仿真模拟服务。实体空间信息由OpenFlight格式的模型文件存储,可通过三维可视化平台调用而绘制出实体的三维形态;实体属性信息存储于Oracle等关系数据库中,可通过SQL语句进行查询、更新等操作。因此要实现基于三维场景的信息连接查询,需要通过程序设计和数据库间的关联来实现。
4 二维GIS可视化
二维地理信息系统可视化已较为成熟,已经有不少商业GIS软件。但要开发与三维相结合的仿真平台,对GIS的开发调用必须能够脱离商业平台独立运行,这方面组件式GIS技术完全可以满足要求。国内外著名的GIS厂商都相继推出了他们的GIS组件,如InterGraph公司的GeoMedia,MapInfo公司的MapX,ESRI公司的MapObjects和ArcObjects等。而近年来ESRI公司推出的ArcGIS9中的ArcGIS Engine则是组件GIS开发中的新工具。
5 三维可视化
5.1 三维图形显示原理
5.1.1 坐标系定义
现实世界是真三维的,把具有空间坐标的三维实体通过各种变换投影到二维屏幕上的过程称为三维图形显示。为了在计算机屏幕上得到真实感的图形图像,需要一系列坐标变换和计算机图形学技术处理,其过程示意如图1所示。
5.1.2 图形变换
三维图形显示要将世界坐标系中的三维实体经过一定几何和投影变换之后,显示在二维屏幕坐标系中,其中图形的几何变换主要包括平移、旋转、变比、错切等方面,投影变换则一般采用透视投影的方式。
三维图形的几何变换矩阵可用T3D表示如下:
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从变换功能上T3D可分为4个子矩阵,其中,
undefined
产生比例、旋转、错切等几何变换;[a41a42a43]产生平移变换;
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产生投影变换;[a44]产生整体比例变换。
5.2 三维可视化软件开发平台
实现以上的三维图形显示过程需要相应图形开发软件的支持。实现场景三维可视化显示的软件很多,本文以OpenGVS为例来实现场景的实时驱动。OpenGVS是Quantum3D公司提供的视景开发软件包,该软件提供了构建虚拟场景的总体框架和大量的C函数接口,本身实现了许多图形显示经典算法,从而避免了重复开发工作,对视景开发的效率很高。
OpenGVS提供了构建虚拟场景的多个三维场景的驱动接口,主要有Frame,Channel,Scene,Camera,Object,Light,Fog等(Quantum3D Inc,2001)。如图2所示。
程序设计可分为三个部分:程序初始化、图形处理循环和程序退出,结构如图3所示。初始化是对场景三维可视化所涉及的各种实体进行初始化赋值并载入的过程,主要包括:创建图像通道并定义透视投影视图体的大小;载入地形地物实体,将其置于特定的空间位置;设定光照和雾化效果的具体参数,加入场景;初始化摄像机位置和视角。通过初始化工作,程序就具备了图形渲染的数据基础,可渲染出最初的场景静态效果图。而要实时生成图形,进行动态交互仿真,就需要根据交互操作实时改变绘图参数,并根据参数的改变渲染出相应图形,这正是程序的图形处理循环部分所要完成的任务,也是三维交互系统设计的核心所在。实时系统的图形处理是按帧循环的,每帧中都首先根据交互操作的要求进行实体状态更新,如改变摄像机的位置视角、各种地物的运动状态、光照雾化的效果参数等,然后按照更新后的实体状态绘制输出。其中对实体更新变化过程的控制正是三维仿真模拟的实现接口,如场景漫游就是通过更新摄像机位置和视角来实现的,基于科学计算的三维交互仿真也是通过对相应实体运动变化控制函数的设计而完成的。
5.3 三维可视化与漫游
三维可视化系统的基本功能便是真实再现模拟场景,在计算机虚拟环境下对场景进行随意漫游。根据程序的框架结构,三维显示是通过图形场景的渲染完成的,场景画面的明暗阴影及雾化根据光照和雾化参数进行调整,场景的漫游则通过对摄像机的控制加以实现[3]。
5.3.1 三维图形显示
三维图形的显示需要对图形进行剪裁、消隐处理,程序设计中通过定义视图体的大小进行图形剪裁,并应用Z缓冲区算法完成消隐处理。为真实表达三维空间的物体,一方面需要描述其几何特性,即实体的空间位置,另一方面则要描述其光亮度和颜色。另外现实世界是绚丽多彩的,要在计算机屏幕上逼真表达,需要描绘和模拟不同表面的纹理图像,进行纹理映射处理。
纹理映射的实现是依据纹理空间、景物空间和计算机屏幕图像三者的映射关系来完成的。一般来说,二维纹理定义在一个平面区域(纹理映射空间)上,该平面区域上的每一点处,均定义有灰度值或颜色值。在图形绘制时,根据纹理空间与景物空间之间的映射关系,确定景物表面上任一可见点P在纹理空间的对应位置(u,v),而(u,v)处所定义的纹理值或颜色值即描述了景物表面P点处的纹理属性。
景物空间与纹理空间之间的映射实际上是实现纹理图片与相应景物实体间平面位置上的配准,其映射关系是一种仿射变换:
u=a0+a1X+a2Y+a3XY (2)
v=b0+b1X+b2Y+b3XY (3)
式中,(u,v)是纹理空间中的坐标,(X,Y)是景物空间实体表面坐标,(ai,bi,i=0,1,2,3)为8个变换参数。可依据纹理图片与实体表面相对应的四个控制点,求解这8个变换参数,从而确定映射关系。景物空间与计算机屏幕图像间的映射即前面所述的透视投影变换。
对大范围的地形模拟,除三维建模外,要获得更多的地形信息,最佳的方法是用数字化的航摄像片进行相对应的纹理映射。因为航摄像片是地面的中心投影,因此航摄影像与地形模型间的映射关系为透视投影变换,通常采用直接线性变换的方法建立纹理坐标(u,v)与地形空间坐标(x,y,z)之间的映射关系:
u=A/C (4)
v=B/C (5)
A=L1x+L2y+L3z+L4 (6)
B=L5x+L6y+L7z+L8 (7)
C=L9x+L10y+L11z+1 (8)
利用一定分布的6个以上的控制点,就可根据最小二乘原理解算出L1～L11这11个参数,确定影像与地面模型的映射关系。
5.3.2 场景控制漫游
场景的随意控制漫游是交互式三维可视化系统有别于动画演示系统的特征之一,通过对视点空间位置和转角的控制来实现[5]。在OpenGVS的Camera接口中,提供对视点控制的模拟回调函数接口,只要编程限制摄像机的运动规则,即可实现诸如漫游过程中视点不能低于地面、进行碰撞检测等功能。摄像机视点由鼠标或键盘操作控制,实现调整视点的高低变化及变向移动等功能。因为系统地形涉及多个层次细节,所以在不同高程漫游时其移动速度应该不同,高空时漫游速度快,可以很快到达指定地点,地表则漫游速度慢,以便仔细观察相关实体;同时俯视角度也应该随之改变,高空观看俯视角大,地面浏览则俯视角变小,达到平视的视觉习惯。具体实现时,通过实时检测视点距地面垂直距离的方法动态改变漫游速度与视角,即当视点距地面的垂直距离大于某一设定高度时,漫游速度设为最大值,俯视角垂直于地面,当该距离减小至接近地面的某一预定值时,漫游速度达到最小,视角水平,中间过程按线性插值,从而达到漫游时速度与视角的自动渐变效果,增强了系统操作的友好性能。图4(a)和图4(b)分别为视点在不同高程时三维可视化系统所显示的场景效果。
为模拟光照变换下的场景,需要在场景中加入光源并控制其位置、方向等属性。如为了模拟一天中不同时刻的场景状态,可根据时间将场景中的太阳光光源按圆弧移动位置,并调整光照的方向,使实体生成不同的影子。局部光源的加入还可以描述车灯、路灯等效果,逼真地模拟各种场景。
6 三维可视化与数据库的集成与交互
三维虚拟场景下对数据库的操作主要集中于实体属性信息的查询统计。属性库的查询统计主要采用SQL查询语句,查询的关键是三维场景下实体的识别并与属性库相关联。
由上面数据库的设计方案可知,三维仿真系统的属性数据分静态数据和动态数据两种,静态数据不再更新变动,只供查询之用;动态数据则不断更新变化,需要实时监测,不断对数据库进行插入、更新、查询等操作。因此两者在查询显示方面自然有所不同,静态数据存储于后台数据库中,正常状态下不显示在屏幕上,其数据大多通过基于三维场景的鼠标点击查询方式,通过对话框形式显示出来;而对于动态数据,虽然也可以通过同样的方式加以显示,但考虑到动态数据的实时变化性,许多情况下对实时性较强的关键数据,需要随时关注其变化,因此采用将这部分数据直接显示在屏幕上的方式,使数据的更新变化一目了然。
6.1 基于三维场景的动态查询
三维动态查询是指通过鼠标选择与点击操作,对三维虚拟场景中各个实体的信息进行直接查询,不需要进行场景画面的切换。通过该功能可以在虚拟场景下将三维实体与数据库中相应实体的属性信息(文本、图片、多媒体)连接起来,达到实体三维显示与相关属性信息的一体化表现。
6.2 实时数据的更新与显示
与静态数据不同,由于实时数据具有动态变化的特点,因此在查询显示方面就不但要考虑数据获取的及时性,而且需要考虑数据显示的直观便捷的需要,使实时数据能够及时、直观地表现于三维虚拟场景中,跟踪相关实体动态显示其属性信息。为此需要解决数据获取和数据显示两个方面的关键技术问题。
7 数学模型与数据库的集成与交互
由于数据库在数据存储、更新、保护、共享等方面的特殊优势,因此应该尽可能将系统数据交付数据库进行统一存储管理。然而当前的很多数学模型程序都由FORTRAN语言编写,采用文件管理方法管理和操作数据,FORTRAN语言不提供数据库读写功能。可以采用Visual C++编写中转程序的方式解决这一问题,实现数学模型与数据库的集成与交互。
8 结束语
仿真平台建立的目标是为了信息管理与决策支持,通过对应用于流域的三维虚拟仿真平台总体结构的分析,将系统功能的实现划分为三维可视化模块、二维GIS模块、数学模型计算模块和数据库模块四个部分的信息集成,从宏观上对仿真平台的集成开发进行了有益的探索。
讨论了GIS空间数据库、三维空间数据库、属性数据库的建立和相互关系,从空间数据和属性数据两个方面讨论了数据存储、查询以及两者的联系。重点研究了三维空间数据库的设计及三维空间数据库与属性数据库的连接。
简要介绍了三维图形的显示原理,以三维软件开发包OpenGVS为底层开发平台进行系统开发,实现了三维可视化功能,构建了具有高度真实感的流域场景。探讨了场景三维显示与漫游的方式及实现方法,提出漫游过程中自动调节漫游速度和俯视角度以及对不同状态下可视效果的处理方案。研究了不同漫游状态下显示方式的差异,通过实时监测视点位置的方法实现了自动友好的交互式漫游,并通过添加雾化、光照等效果优化了场景模拟的效果。
在三维可视化与数据库的交互方面,探索了基于三维虚拟场景的动态查询与数据实时显示的实现方法。尝试了运用管道传输方式解决FORTRAN计算程序与数据库信息的数据传输障碍,为数学模型与数据库的交互提供了接口。
参考文献
[1]陈瑜,古钟璧,周新志,等.GIS数据融合的虚拟现实系统探讨[J].计算机仿真,2006,23(4):216-219.
[2]孙家广.计算机图形学[M].3版.北京:清华大学出版社,1998.
[3]熊芝兰,郝燕玲,申冬慧.基于数字海洋环境的视景仿真系统研究[J].系统仿真学报,2005,17(7):1631-1633.
[4]王少梅,张煜.港口物流系统仿真建模及三维可视化研究[J].港口装卸,2002,6:1-4.
三维动画与城市仿真 篇9
短短十几年的时间, 从影视片头开始向电视、电影、军事、航天、机械、医疗、交通、建筑、园林、教学、网络、游戏等行业渗透, 并在其中扮演越来越重要的角色。今天的计算机三维动画涉足的领域更广, 大到天体, 小到细胞几乎方方面面人们都能看到他的身影。三维动画正在快速地成为计算机图形革命的主导力量。总而言之, 三维动画能够制作出我们所能看到的一切物体, 更为精彩的是, 他不但能模拟真实世界, 还能虚拟未来世界。
本文就计算机机三维动画在市政建设中的应用作一些剖析:
制作三维动画是一个涉及范围很广的话题, 从某种角度来说, 三维动画的创作有点类似于雕刻, 摄影, 布景设计及舞台灯光的使用, 我们可以在三维环境中控制各种组合。三维动画的制作者兼编剧、导演、摄像、灯光、服装、道具等为一体, 通过三维动画的制作, 我们能将未来的城市规划提前展示在建造者和大众目前。[2]我们需要的除基本技能外, 还要更多的创造力和想象力, 在这一点上很符合我们城市建设的需要。
笔者在2000年承接了贵阳市政府“金阳新区 (现为观山胡区) 三维动画模拟漫游系统”项目, 将贵阳市规划局对金阳新区20年后的城市规划进行了“电子沙盘”的模拟, 取得了良好的效果, 为现在的金阳建设提供了一定的建设参考。
随着城市化进程的不断加快, 加快城市基础设施建设已成市政工程的重要举措。城市设计、园林置景工程正在形成一个有巨大的潜力市场。城市建设中的景观格局与景观的视觉面临着新的挑战, 随着我国对生态环境的日益重视, 丰富、细致、多样的生态居住空间正慢慢渗入人们的生活。
但在今天, 城市化快速发展的进程中, 由于建设者往往仅依据-张张平面而又无真实质感的图纸就开始大兴土木, 一座座花费了大量金钱却毫无个性的建筑拔地而起, 一个个面目雷同的新兴城市遍布全国, 常常看见一些刚建好的建筑, 没过多久又拆掉, 建了又拆, 拆了又建, 大量的资金被浪费。
城市建设的高速的发展, 为满足不同的需求, 大力发展三维城市模型, 供不同的部门规划决策和管理。利用三维动画技术如何制作具有地理信息的城市三地图和与规划的紧密相连, 规划与城市三维地图的合作运用。城市三维地图如何体现在规划上的利用?以及它的优势何在?可生成具有地理信息的三维城市立体影像地图, 按不同层次的要求输出不同层次图形文件供使用。[3]
由于城市三维立体影像图的性质特点, 具有直观性、可视性、实用性等的特点, 并且包含了地理信息, 能为城市规划提供了较好的服务。随着城市建设的加快与发展;及时为政府决策和规划部门提供城市三维影像图, 就能提高决策和办公效率。利用具有地理信息的三维立体影像地图, 就能为设计人员提供地理信息与效果图示, 及时地展现未来的景观, 直接看到未来。
因此, 三维立体影像图与城市规划接轨对未来的城市规划发展是很有益处的, 也是提高城市规划效率的一种途径, 不同的方同和位置的三维景观图, 可以轻轻松松地在计算机里就实现未来的规划景象, 展现出不同的设计风格, 为城市建设的美好明天共创未来。
其实在三维动画在城市规划设计中大到城市总体规划, 小到垃圾桶都能逼真、全面的展现设计者的设计思想和创作思路。并且城市的规划者们借助三维城市立体影像地图做到胸中有数, 难道不是一件利国、利民、利己的事吗?
北京水晶石数字科技有限公司就非常有远见, 是中国最早, 也是最大的计算机图像开发应用公司, 其主要业务由平面图像、三维动画、虚拟影视、多媒体和网络技术开发组成。作为中国三维图像技术应用领域的领先者, 水晶石公司得到了政府部门和社会各界的广泛支持和认可。在北京申办2008年奥运会活动中, 水晶石公司作为申奥活动赞助商和奥申委唯一指定的三维图像制作商, 承担了北京“奥林匹克公园”和全部场馆设施的三维图像制作工作。
北京水晶石公司利用三维图像技术参与建筑设计的视觉表达工作, 并帮助客户完成从手工绘画到计算机辅助表现的视觉技术转变。2001年获得北京2008年奥申委指定三维图像开发商称号起, 独立承担全部奥运场馆的三维动画制作工作。至今参与并完成了国家体育场、国家体育馆及奥运村、国家游泳中心、会议中心、奥林匹克水上公园、五棵松文化体育中心等一系列大型法人投标项目;同时还完成了北京中轴线城市设计竞赛、库哈斯CCTV、上海环球金融中心、博螯亚洲论坛专题片、激情深圳专题片、日本富弘美术馆、哥本哈根音乐厅等国内外大型项目。[4]
利用三维动画技术进行建筑规划设计, 在建筑设计阶段就能以可视的、动态的方式全方位展示建筑物所处的地理环境、建筑物外貌和各种附属设施, 可以让设计人员在虚拟建筑物内漫游, 获得第一手材料, 来验证自己设计的建筑物是不是合适。
利用三维动画技术, 虚拟出建筑物, 帮助设计人员改进设计。在建筑设计业、虚拟城市、房地产业和建筑装修业等领域有着日益广泛的应用前景。
现实融入虚拟, 一切变得无限可能!城市蓝图以三维动画的形式, 把城市的未来用直观的蓝图予以立体化、真实化、感性化。正确运用三维动画技术, 让我们的视线在触摸这座城市的未来, 城市的空间构造在我们的脚下无限蔓延, 我们的思维与城市的未来正位对接!末来, 我们将生活在信息的海洋, 而三维立体影象将是一道随处可见的风景。
参考文献
[1]陈尚春编著3ds max5动画制作专家之路清华大学出版社2003.6
[2]黄峻编著3ds max 6白金手册兵器工业出版社, 北京科海电子出版社2004.7
[3]王洪艳铁金平 (昆明市勘察测绘研究院) 遥感技术在城市规划中的运用2005.6.7
三维云场景的红外辐射仿真 篇10
只是在云建模中,大多只集中在可见光波段,而很少讨论红外波段,因此文中就主要针对不同类型的云进行建模,并且根据真实的红外云图到仿真后的三维红外天空,实现场景漫游,可以从不同视角进行观察,提高虚拟场景的逼真程度。
1 云的建模绘制
云类型是多种多样的。自然界存在很多种类型的云,按云的形态分类,云主要有3种类型:一大团的积云、一大片的层云和纤维状的卷云,因此对不同种类的云需要不同的建模与渲染方法。因此,根据不同类型云的形状特性,在研究前人工作成果的基础上,文中应用了一种较好的云建模和渲染方法,即用分形算法生成大片的层云背景,而用粒子系统来生成有明显立体感的云团,利用图形API(Direct X)进行开发仿真。
1.1 基于分形的层云仿真
层云属于低云族,云体均匀成层,常形成不规则的散片[1]。这样的云体与分形生成的图像有很多的相似性,因此在模拟大片层云背景时,可以利用分形算法。
分形算法是一种分形曲面的生成算法,为了叙述方便,以四边形(矩形)作为图形基元为例。这种方法通过对给出的角点数据进行线性插值,同时加上随机扰动,从而求出各边中点及面中心的位移量,再对该四边形域进行四分割,并重复以上过程而得。其算法步骤如下:(1)在矩形域的4个角点上,给出初始值(高度);(2)用线性插值公式,求出各边中点处的位移量(高度);(3)在各中点的位移量上,叠加一随机扰动值,该扰动量沿铅垂方向(向上为正,向下为负),求出各点的位移量;(4)再用线性插值法,求出矩形域面心处的位移量,即得该面中心的标高值。
以上为0级递归。用对分的方法将该矩形域一分为四,重复以上步骤(1)～(4),得到每个小的四边形域(矩形)的各边中点及面心处的位移量(标高值),即为1级递归,2级、3级、……、n级递归过程及计算方法与上类似。
图1便是利用分形生成的层云。
1.2 基于粒子系统的云团仿真
粒子系统是1983年由Reeves提出[2],并成功地模拟了火焰、水波、云彩等不规则模糊物体。粒子系统是由大量粒子结合在一起来表现模糊物体的系统,其基本思想是把模糊物体看成是由大量不规则、运动、随机分布的粒子组成的粒子集。对于各种不同的粒子,虽然形态运动轨迹有所不同,但都有其通用的属性单元[3],每个粒子具有一定的属性(包括外观、空间位置、运动、生存属性等),它们可以在不断运动和改变形状中,来表现景物总体外形特征和动态变化规律。
1.2.1 云团模型的构建
对于云这种具有自相似性的不规则物体,文中利用高斯分布来模拟云的形状,将云的粒子数在x,y,z这3个方向根据不同的高斯函数进行变换,最终得到一个云团的形状。
在建模过程中,对高斯函数进行了一定的改进。将云团的粒子直接当作粒子系统的粒子,具有上面描述的云粒子的数据信息。下面主要讨论如何使用高斯分布来确定云粒子的位置和半径。设云团的中心坐标为(Xc,Yc,Zc),云团半径R,其中中心坐标由随机函数得到,从而再生成大量云团时,可以更好地展现云在天空的随机分布,式(1)是一个云团中每一个云粒子的位置计算公式。
云的高斯分布建模图,如图2所示。
1.2.2 三维云的运动
云的运动主要分为自身内部的生成和消亡和有风引起的平流运动,文中只考虑后者。
被风吹着朝一个方向运动,新的转移规则引入了风的效应。其思想是朝风的方向移动所有变量,为简化起见,假设风朝着x轴或z轴吹。其他情况可以通过根据风的方向旋转模拟空间来处理。另外,风速可以更具需要加以改变。因此,风速被设定为每一个粒子坐标的函数。为了在粒子系统中加入风速,转移规则如下
初始时刻t=t0时,云的位置为(x0,y0,z0),则在t=t1时刻,云的位置为(x1,y0,z1),其中x1=x0+Δx=x0+f1(t-t0),z1=z0+Δz=z0+f2(t-t0)。
2 红外辐射的映射
2.1 云图绘制
背景的红外成像特性与3方面的因素有关,即背景模型、大气传输模型和传感器模型。根据背景红外成像特性建模的3个要素,一些研究者已经建立了云背景的红外成像特性模型,但过于复杂,不适合快速计算。因此本文根据真实的红外云图统计出云图的辐射值和直方图分布,从而可以较逼真的模拟红外天空云图[4]。
在通过对大量真实云图的统计,得到了真实云图图像辐射值的最大值和最小值,以及整个图像均值及方差。这种方法虽然简单,但是可以大体上描述云图的基本红外辐射分布,并且有利于快速运算。
这里只考虑长波情况下的红外云图,因为在长波情况下,可以将云近似看作为灰体,不考虑太阳辐射,只考虑自身辐射即可。为了将红外辐射场在三维云上实现可视化,一般来讲,红外场景生成程序大多将辐射数据量化到灰度图像。最直接、最常用的量化方法是线性量化方法。这里让Rmin和Rmax代表辐射场的最小和最大值。量化公式如下
其中Int()为取整函数,因此可以将辐射值量化到的整个灰度图上,绘制出灰度等级为255的红外辐射图。
2.2 晴空背景绘制
有了云图的红外辐射,文中还添加了晴空的红外辐射图,如图3所示。根据Modtran软件,在设定好不同位置和不同角度得到晴空的红外辐射量,这样可以使整个天空更准确。
3 结果及分析
文中基于分形和粒子系统对红外云层进行建模,成功的模拟了层云和积云,建立了云层模拟系统。整个系统的三维显示部分采用Direct 3D函数实现。Direct 3D可以完成高级的三维图形编程并实现多种特殊效果。所以很容易利用Direct 3D在PC上实现三维建模、大大减轻了三维显示部分的编程工作难度,生成的视景既有较好的真实性,又具有良好的实时性。本系统实现的效果在CPU为Core2 2.4 GHz,内存为2 GB,显卡为Intel(R) G33/G31的PC机上,当云粒子在2 000～8 000个的范围中时,帧频保持在130～80帧/秒之间,结果表明该仿真系统在云的绘制及场景漫游情况下都能达到实时效果,如图4和图5所示。
但是这种分别基于分形和粒子系统的三维红外天空建模,虽然可以很好的模拟天空中层云和积云的效果,但分形和粒子系统的不规则物体模拟是一项复杂的课题。文中模拟时只考虑了云的整体运动而没有考虑云的内部扩散,并且没有考虑到云对太阳光的实时散射的效果,只是用统计的方法得到云的自身相对辐射值还不够准确,因此,在以后的工作中可以考虑在这些因素的基础上建立模型,实现更逼真更准确的红外云图模拟。
摘要：为了模拟逼真而实时的红外三维天空云场景,把云团分为二维云和三维云,分别采用基于分形技术和基于粒子系统的技术进行仿真,再通过实测红外云图得到仿真云图的辐射值,同时实现三维天空背景的实时漫游。仿真结果表明,生成的三维云场景既有较好的真实感,又具有良好的实时性。
关键词：云,粒子系统,分形,Direct 3D
参考文献
[1]阮鲲,范茵,李汇军,等.基于中点偏移算法的云的模型设计[J].解放军理工大学学报:自然科学版,2003,4(1):99-102.
[2]Reeves T.Particle Systems-ATechnique for Modeling a Class of Fuzzy Objects[C].ACM Transanctions on Graphics,1983,2(2):91-108.
[3]吴继承,江南.虚拟现实中粒子系统的设计与应用[J].计算机仿真,2004,21(11):137-140.
[4]桑农,刘畅,吴家伟.云背景红外天空图像的统计模型与仿真[J].华中科技大学学报:自然科学版,2005,33(11):5-8.
[5]郭新军,金伟其,高稚允,等.云的红外辐射模型综述[J].光学技术,2003,29(3):84-86.
三维电动平台车自动控制系统 篇11
【摘 要】本文基于一种三维电动平台车系统，对该系统的自动化控制的实现，进行设计、软硬件配置及系统功能方面的详细阐述。
【关键词】PLC；自动定位；分段控制；CANOpen
0.前言
在火法冶金工艺中，铝热还原法是最常用的一种自蔓延反应，其反应的特点是速度快，热量高，且不需要外部施加额外的能源，但同时也对如何提高安全性提出了新的课题。目前国际上比较常用的方法是通过破开熔融金属液上表面渣层的方式，将热量适度释放，以降低反应风险。
为了提高产能，并最大限度的保障人身与设备安全，在实际的工业生产过程中，需要将承载刚反应完的熔融金属液的坩埚及时运输到破渣室进行破渣，并马上准备下一个空坩埚进行下一个反应。基于产能与安全的考虑，我们针对铝热还原法在实际工业生产中的工艺要求，设计并制作了具备自动定位功能的轨道式三维电动平台车。该平台车由0.4KV供配电系统、顶升平台系统、东西向大车运行系统以及南北向小车运行系统组成，同时配有人机界面，分权限等级对系统参数进行设置。
轨道式电动车具有运行速度快且稳定、可靠性高、成本低等特点，在现代自动化物流系统领域中得到了越来越广泛的应用，该系统既可作为立体仓库的周边设备，也可作为独立系统[1]。
该系统运行机构定位误差小于5mm，完全满足现场工艺定位的要求。
1.设备构成
1.1系统概要
该电动平台车系统由38个工位组成，包括5个热反应室，3个破渣室，20个冷却工位和10个坩埚暂存工位，轨道上的平台车根据预设自动运行，并将需要的坩埚进行运输，如图1.1所示。
三维电动平台车的一次工作周期由从坩埚暂存区取空坩埚开始，经过运送坩埚加料反应、运送反应后的坩埚进行破渣、运送破渣后的坩埚进行冷却，最后将冷却后的坩埚运送回坩埚暂存区等待渣块分离，每一步骤完成后均需要进行三方向的位置定位与确认，以确保工序的准确和生产的安全。
该电动平台车主要由整车供电系统、整车电气控制系统、大车运行系统、小车运行系统、小车升降系统以及小车拖缆系统组成。
1.2系统描述
1.2.1整车供电系统
为了防止地面沉降和供电线缆直接被高温炙烤，整车供电系统采用恒力矩卷筒电机收放卷筒专用扁电缆的方式进行供电，电缆为3P+N+PE的五芯扁电缆，内置两根钢丝以吸收张力。将扁电缆的一端固定后连接于轨道末端放置的EPS电源柜中，另一端固定在電动平台车卷筒的取电器上。
1.2.2整车电气控制系统
（1）PLC系统。
PLC控制系统采用Schneider公司的M258系列PLC，其具备一个以太网接口，一个CANopen接口和一个串行接口。CANopen接口与5个从站进行数据交换，从站包括大车、小车以及小车电缆卷筒驱动变频器（ABB ACS800系列），大车多圈绝对值编码器（德国Hengstler）和小车拉绳式绝对值编码器（德国Hengstler）；串行接口通过Modbus协议与电动平台车控制柜体上的触摸屏进行通讯；以太网口预留，以便与上级MES进行数据交换 [2][3]。
编程软件为Schneider SoMachine V3.0，触摸屏为Schneider HMISTU855，上位机组态软件采用Schneider Vijeo Designer。
SoMachine是Schneider发布的组态软件，可以实现对Schneider系列PLC的组态并读写PLC的存储区。同时，SoMachine也集成了Vijeo Designer，用以开发触摸屏人机界面，可实现实时监控，人机对话，数据报表，配方发布等功能。本系统的触摸屏的主要功能是参数设定与显示，以及异常状态报警[4]。
（2）控制系统。
控制方式有本地、远程手动与自动三种方式，由安装在车体上的控制柜上的旋钮进行选择。本地控制方式主要用于平台车系统的维修和应急，因此由硬连线的保护装置控制，并且独立于PLC以及所有给PLC发信号的装置。在“远程-手动”模式下，通过遥控器可以对电动平台车的大车、小车以及升降系统分别进行控制，但必须满足系统安全连锁条件。在“远程-自动”方式下，电动平台车的启动、停止、对位等工作均按照操作员的预设方式进行。
“远程-自动”模式是平台车的正常工作状态。操作员需要做的，仅仅是在遥控器端设定目标工位，并使能自动模式，其余所有的工作均由平台车自动完成。为了保障安全，目前阶段，平台车运行的各节点需要操作人二次确认。
（3）驱动系统。
1）大车驱动系统。
大车由一台带电磁抱闸的电机通过减速箱与两个主动轮组成的刚性连接驱动，在长约100m的轨道上行驶，核心驱动单元为一台ABB ACS800变频器。该变频器与PLC以及安装在随动轮上的实时检测大车位置的多圈式绝对值编码器进行CANopen通讯，实时监测大车的位置，通过与目标位置进行比较，可以对大车电机进行无级或者多段位调速，以达到平稳准确对位的目的。
大车的对位精度可以在触摸屏中进行调整，目前的对位精度为5mm，但系统出现波动或者由于惯性过冲时，平台车会自动重新对位，直到在误差范围以内。
2）小车驱动系统
小车的驱动方式与大车类似，运行轨道为南向5.4m，北向3.6m，且必须在大车对位稳定后，方可向对齐的工位运行。其核心驱动单元为一台ABB ACS800变频器，位置检测单元为一台拉绳式编码器，小车供电采用卷盘式取电器配合高强度可拉伸电缆，卷盘电机由一台ABB ACS800变频器控制，以上的两台变频器和一台编码器也都连接在与大车相同的CANopen网络上。当小车运行时，拉绳式编码器实时检测小车的位置，对卷盘电机进行无极调速，保证小车供电电缆的张紧力适度，既不会过于松弛，垂到地面，又不会过于张紧，影响电缆寿命。
小车的对位精度以及电缆张紧力均可以在触摸屏中进行调整，小车到位信号由拉绳式编码器给出，由车载接近开关作为验证。目前的对位精度为10mm，完全满足目前工艺要求。
3）升降系统。
升降系统由一台丝杠电机带动顶部托盘进行上下运动。该电机由正反向接触器控制，配合热继电器进行保护，同时通过接近开关进行上下限位的保护。
2.结束语
大连融德特种材料有限公司的三维电动平台车投产一年多以来，电气供配电系统及自动化控制系统运行稳定可靠，系统抗干扰能力强，故障率低，有效地提高了企业生产和管理的自动化水平，提高了劳动生产率，减轻了工作人员的劳动强度，降低了危险性，取得了十分显著的经济效益，在本行业及其它相关行业具有很高的推广价值。 [科]
【参考文献】
[1]张应强，魏镜弢，王庭有.RGV控制系统设计研究[J].河南科学，2012.
[2]RCAN-01用户使用手册[M].ABB Drives，2008.
[3]SoMachine教程培训手册[M].Schneider-Electric Pty Ltd，2011，2.
基于分形的三维波浪仿真 篇12
随着计算机游戏、三维动画、影视及广告的普及,海浪、水、云、烟、雨、雪等自然景物的模拟受到越来越多的重视。1975年,美国学者曼德勃·罗特(Mandelb Rot)首次提出了分形的概念,从而为自然现象模拟提供了一中很好的方法,特别是波浪和云的仿真,论文基于海浪谱在分形系统的基础上,采用一种简单的分形模型,实现对波浪自然现象的实时模拟。实践证明,该方法对波浪的模拟效果逼真度高且实现方法简单。
二、海浪谱
前面提到海浪谱分为频谱和方向谱。频谱的表示方式为S(ω),方向谱的一般形式为S(ω,θ)目前由多种谱模型,主要是频谱,而且频谱的研究也比较成熟,下面给出本文采用的频谱和方向谱:
1、海浪频谱
在描述波浪时,仅考虑风的因素,简单且常用的就是具有单一参数的Pierson-Moskowitz谱模型,公式如下:
三、波浪的简单分形模型
Diamond-Square算法是随机中点位移法在二维空间中的扩展算法,它主要是引入一个2D高度值数组,维数是2的n次方加1,并将索引(x,z)映射为高度(y),这样数组就只需保存高度值(y)。算法基本过程如下:在数据初始化之后,根据输入的数组维数产生相应大小的数组,给4个角赋初始高度值。若输入的数组维数为5,则用一个5×5的数组如图1(a)所示4个角赋予高度值(用黑点表示)
这是递归细分过程的起点,该过程分两步:
Diamond步取四个点的正方形,在正方形中点生成一个随机值,中点为两对角线交点。中点值是平均四个角值再加上一个随机量计算得到的,这样就得到了一个棱锥,当网格上分布着多个正方形时有点象钻石。
Square步取每个四点形成的棱锥,在棱锥的中心生成一个随机值。平均角值再加上与Diamond步相同的随机量,计算出每条边中点值,又得到一个正方形,这样,就由一个种子正方形经过一次细分得到了4个方形。经过迭代就可以得到16个方形、64个方形,增长得很快,正方形数目等于22I,其中I为递归细分的次数,参考图1(a)到图1(e)五幅图。
四、随机变量数据
严格意义上讲,计算机产生的随机数根本就不是真正的随机数;相反,它们是用确定的方法产生的。每次调用随机数例程,下次返回的随机数一般是前次产生的值(或前几次的值)的函数,或以某种方式与这些值有关。计算机产生的这种随机数被称为“伪随机数”(Pseudo random),这些随机数并非真不可测,而且这样的序列本身是可再产生的。
本文就是采用均匀分布随机数发生器来产生Diamond-square算法中的随机量。设连续型随机变量X具有的概率密度为:
则称X在(a,b)区间上服从均匀分布。
在区间(a,b)上服从均匀分布的随机变量X,具有等可能性,即它落在区间中任意等长度的子区间内的可能性是相同的,或者说它落在子区间内的概率只依赖于子区间的长度而与子区间的位置无关。事实上,对于任一长度L的子区间(c,c+l),α≤c
假设Op_Rand函数为产生均匀分布随机数的函数,用户就可以用下面的方法在任意给定的范围[min,max]产生均匀分布的随机数y:
五、三维海浪的绘制
对于海面上的每一个点来说,其网格上的控制定点用分形的方法可以得到:
式中i表示任意一点网格,rand()为上述的随机函数。式(4)涉及到的波谱可以先对波浪运动的频率区间和方向区间进行分割离散,然后根据(1),(5),(6),(7)式可求出不同频率ωn和不同方向θn下的波幅:
初相εn可采用一定的随机方法给出,d为给定的水深。由式(13)确定的海面波高网格,然后由式(12)对其采用分形的方法来实现波浪的三维动画仿真。波浪的风向可以有方向谱函数确定,风速对波浪的影响可以从频谱函数的ω体现出来,见式(2)。
本文采用由空间点(x,y,z)构成的波面网格来模拟海面的波浪,其中(x,z)是空间点水平位置,y是所有组成波振幅某个时刻t时在该点的叠加。随着t的变化,y值也随之改变,从而形成高低起伏的波浪动画效果。定义大小为m×n的波面网格,设用于储存每个网格点y值的数组为height[m×n],其计算如下所示:
其中i=0~m,j=0~n,αn是由公式(8)计算所得的振幅,ωn是圆频率,εn是随机初相位,θn是风向,d为给定的水深。设定时间步长△t依次改变时间参数t即可得到波浪运动的动画。原始海面网格如图2所示,海浪波面网格如图所示。
使用分形的方法可以实现多分辨率的海浪仿真,这样就可以为航海模拟器,或者海上飞行提供动态实时的海浪画面,分形与Lo D(Level of Detail细节层次模型)有点相似,但分形更加节省资源,能更好的实现实时性。如图4(a)所示为风速为2m/s时的波浪大小,图4(a)和图4(b)是不同风向的时的仿真结果。图5(a)和图5(b)分别为不同风向时不同分辨率的仿真结果。
参考文献
[1]鄢来斌,李思昆,张秀山.虚拟海战场景中的海浪实时建模与绘制技术研究[J].计算机研究与发展,2001,38(5):568～573.
[2]杨怀平,孙家广.基于海浪谱的波浪[J].系统仿真学报,2002,14(9):1175～1178.