虚拟手抓握动作的Petri网模型及其仿真实现

虚拟手的运动建模是三维人机交互研究中的一个关键问题.虚拟人在执行维修作业的过程中,不可避免地需要徒手抓握操作对象或维修工具.为此,该文提出了一种基于位置/变迁Petri网的虚拟人手抓握动作模型.该方法以关节化虚拟手的几何建模和关节约束分析为基础,描述了抓握动作的Petri网模型,通过仿真循环叠代和关节插值计算,实现关节链上各个关节的运动控制,并基于面向对象的技术设计实现了典型抓握动作.最后,基于人体建模与仿真软件Jack,设计并实现了一个虚拟手抓握动作的Petri网,仿真和实验结果表明所述方法简便易行,能够满足虚拟维修作业的要求.     

维修仿真中虚拟人动作数据库的研究与实现

通过在维修仿真中引入虚拟人技术,可以提高场景的逼真性、真实感,还有利于充分考虑人机工效学因素,这就要求实现对虚拟维修人员的动作控制与仿真。该文提出了一种基于过程分段和分层设计思想的虚拟人动作库,该动作库主要由动作层和动素层组成;基于位置／变迁Petri网设计并实现了动素层,基于面向对象的技术设计并实现了动作层,涵盖了绝大多数虚拟人执行维修操作的动作,基本满足了维修仿真的需求。最后,基于人体建模与仿真平台Jack,设计实现了一个电子舱的维修仿真实例,仿真和实验结果表明了所提方法简便易行,能够满足维修仿真的要求。     

虚拟人手臂避障抓取运动规划

针对强干涉环境下虚拟人手臂无碰撞抓取物体动作规划问题,提出一种逆向运动学与运动规划相结合的求解方法.首先在现有FABRIK逆向运动学算法的基础上提出避障FABRIK算法,用于实现手臂无碰撞抓取姿态设计,作为最终抓取姿态;然后采用Bi-RRT算法,综合考虑7维角度域约束和对非光滑路径的简化问题对手臂进行无碰撞运动规划,产生从给定初始姿态到最终抓取状态之间的中间姿态.仿真实验结果表明,该方法速度快,产生的路径能有效地避开障碍;可用于强干涉环境下的虚拟人动作设计.     

一种虚拟人作业行为的自主优化模型

人体自适应行为仿真是实现人机工程学评估的前提条件.针对已有技术存在的不足,提出了一种基于多Agent合作式博弈的虚拟人作业行为自主优化模型.该模型将工作环境中人体自适应行为定义为一个多目标优化问题,提出了人体工作状态空间和人体行为元素的概念,以实现人体行为的离散化设计了人体行为仿真算法以求解上述模型.算法采用梯度上升的策略来搜索满足模糊多目标Nash谈判条件的人体作业姿态的Pareto最优解.仿真实验表明,该方法可以在缺少相关数据的情况下推导出舒适的人体工作姿态,在工程领域中表现出较好的适用性.     

基于启发式Bi-RRT算法的虚拟手臂运动规划

为提高虚拟人手臂在复杂多障碍物空间进行维修时的运动路径规划效率,提出一种基于启发式Bi-RRT的路径规划算法。在运用Bi-RRT算法的基础上,结合启发式搜索思想对腕关节进行路径规划,通过比较多个随机搜索点与目标点的距离,保留距离目标点最近的随机搜索点,使随机树有方向地进行扩展,减少无效的搜索。仿真实验结果表明,启发式Bi-RRT算法较传统的RRT算法和Bi-RRT算法有更好的搜索效果,搜索效率更高,对于7自由度虚拟手臂的运动路径规划也有较好的效果。     

基于循环迭代的飞机虚拟拆装过程建模方法

将循环迭代法应用于飞机虚拟拆装,研究飞机的拆装过程,提出一种基于循环迭代的虚拟拆装过程建模方法。结合飞机拆装过程动态循环的特性和虚拟人拆装行为并行相似的特点,建立虚拟人拆装行为参数化模型,规范虚拟人拆装行为的统一表达;在此基础上,分析虚拟人与部件的交互关系,构造虚拟人拆装行为、拆装次序、部件状态之间的迭代函数,建立虚拟拆装过程模型,实现虚拟人拆装行为的参数化描述和部件拆装过程的表达。以分布式虚拟维修训练平台中的集中故障显示接口组件拆装为例,对该方法进行仿真验证和比对,结果表明,以虚拟人拆装行为变化表示的部件状态变化使部件的拆装更易于表达,拆装训练效率有所提高。     

基于深度值的虚拟人手臂运动规划

提出了基于深度值（z buffer值）的虚拟人手臂运动规划新方法,将路径规划算法--A*算法扩展到三维空间,并利用图形硬件获得的深度值进行碰撞检测,解决了受限空间的运动规划问题。仿真结果显示,能快速有效的实现虚拟人手臂7个自由度的运动规划。     

分布式状态空间生成的设计与实现

状态空间生成的并行化是针对状态空间爆炸问题而提出的一种重要手段。提出了一种基于MapReduce的分布式状态空间生成方案,与现有的同类研究相比,它无需用户关心生成算法的并行化,具有简单易用性;与常规的MapReduce的用法相比,它增加了输入文件的自动生成和作业运行的自动循环控制。该方案已在小规模分布式环境下实现,实验结果表明：（1）基于Map-Reduce的分布式状态空间生成算法可以扩大模型的可求解规模;（2）对于状态空间规模的增长主要由托肯（token）数增加引起的一类模型,该算法具有良好的适应性和可扩展性。     

基于DI-Guy的人体视景仿真研究与应用

本文分析了目前几种典型的虚拟人系统,着重研究了基于DI-Guy的人体视景仿真技术,讨论了虚拟人的开发环境,分析了两种虚拟人生成方法（ACF配置实现及API编程实现）,论述了虚拟人实时运动中的若干问题;着重介绍了虚拟人自定义动作实时驱动方法,克服了用动作库中成型动作驱动的缺点,提高了人体视景仿真的真实性;给出了仓库调
调度仿真系统应用范例。结果表明,包含多个人体实体的虚拟场景在HP6200上的运行帧频大于28帧／秒,而且人体动静态效果逼真,满足一般工程应用需求。     

基于两段式IK与关键帧的虚拟人运动控制

为提高网络虚拟环境中虚拟人运动控制的效率与显示效果,提出逆运动学和关键帧法相结合的虚拟人运动控制方法.在逆运动学中设计改进的CCD算法实现分阶段IK计算,因回溯路径的缩短,减少了计算量;在关键帧中插入由四元数插值法生成的中间帧,提高虚拟人运动的真实感;通过IK求解的关节旋转角不仅实现对姿态的逼近,还使关节更具有弹性;引入运动特征参量,可增强虚拟人动作模式的多样性.     

人机任务仿真中虚拟人行为建模及仿真实现

提出一种采用高级智能对象(ASO)的建模方法,实现虚拟人的行为建模。首先, 引入 ASO 的概念,对交互特征中的交互元素、交互部位及对象动作进行定义,并对交互动作进 行分类;其次,提出了对象驱动方法,解决由虚拟对象作为主动体动作而导致的虚拟人作为被 动体的运动计算问题,实现对象以交互特征为主的建模;最后,根据人机任务需要对虚拟人的 基本行为动作进行分析,选择常用的 4 种基本动作,对其进行定义并进行动作组合,给出以交 互元素为主的位姿、手型的计算方法,实现了行为建模并进行仿真实现,解决了任务仿真中的 交互量大问题,使仿真结果具有重用性。并以飞机装配的手工铆接仿真为例对方法进行验证。     

一种基于路径规划的自动平行泊车算法

针对城市中停车位狭小、现有自动泊车方法缺乏连贯性的问题,提出一种自动平行泊车算法。对现有的五阶多项式路径规划方法加以改进,并有针对性地设计罚函数,采用遗传算法计算最佳泊车路径和最小泊车空间,实现自动平行泊车。仿真结果表明,该算法能快速有效地完成泊车,车辆损伤小,对空间的要求最低。     

基于T-Spline的全自动几何拓扑修复方法

从高质量曲面网格生成的需求出发,提出了一种基于T-Spline的全自动几何拓扑修复方法.本文方法创新性主要可归纳为:1）对原有计算机辅助设计（Computer aided design,CAD）几何模型不进行任何修改保留其本真,自动识别CAD几何模型中常见不必要的几何特征,成功解决了CAD几何模型中存在的几何瑕疵,如短边、窄面、退化边、退化面、非连续光滑边界及尖锐特征等,利用新生成的"虚边"、"虚面"处理几何瑕疵,同时通过虚拓扑重构CAD几何模型的B-Rep;2）开发了一套CAD/CAE集成系统,统一了几何模型与计算分析模型,实现计算机辅助工程（Computer aided engineering,CAE）与CAD两者的无缝集成,所有拓扑修复操作及后续CAE分析计算均在同一环境下进行,避免了几何模型在CAE与CAD系统间进行转换时造成的数据丢失.该方法能够对复杂实体实现全自动几何拓扑修复及网格生成,实验表明,在保证不失真的前提下,修复后的几何模型能够生成质量良好的网格且能降低网格的生成规模,验证了本文方法的实用性和有效性,以满足工程实际分析的需要.     

一种基于VirtFS的共享文件空间技术

由于虚拟环境多次I/O操作模拟的存在,运行在宿主服务器中的各虚拟客户机之间使用传统代理进行文件访问效率不高。为此,提出了基于VirtFS的共享文件空间技术。构建了虚拟客户机共享文件空间的系统架构,设计了虚拟磁盘操作映射机制,使用VirtFS框架提供的系统层接口,在宿主服务器中的VirtFS服务端截取和映射文件操作,直接将虚拟机文件系统的操作映射为对宿主服务器文件系统的操作。为了保障安全,彻底隔离用户域,实现分组共享。实验结果表明,采用该方法比现有代理方法文件读写效率分别提高9.7和5.7倍。     

三维虚拟维护训练系统关键技术研究

针对三维虚拟维护训练中设备拆装操作复杂的问题,提出一种通用的拆装关系数 据格式和处理方法,可方便定制各种设备的拆装训练应用;提出一种高效简洁的自动轴对齐约 束拆装操作方法,并以此设计实现了一种二维屏幕空间的移动拖拽器。通过OSG 引擎进行场景 渲染和管理,分析了系统的体系结构和场景组织设计,开发了一套虚拟拆装训练三维仿真系统, 实现了拆装操作记录的统计和报表输出。应用结果表明,该系统具有较好的实时性和显示效果。     

一种基于ActiveX控件的Quest3D与VB通信方法

VB是一种功能丰富、语法灵活的程序语言,已经在建模仿真领域得到了十分广泛的应用。但随着计算机仿真技术的发展,VB仅仅能做二维仿真的这一缺点已经不能适应市场的需求。Quest 3D是一种功能强大的虚拟仿真软件,它融合了当今先进的数字图像处理、计算机图形学、自动控制及各类传感器技术等多个分支领域的信息技术来模拟一个虚拟的三维空间,可以使用户无限制地感受三维空间内的事物。这篇文章通过制作一个简单的例子,详细地介绍了一种通过Ac-tiveX控件把Quest 3D 4.3与VB 6.0这两个软件之间建立起通信的方法,以便于我们充分利用这两个软件的长处,制作出更加令人满意的效果。     

A rule-based parametric modeling method of generating virtual environments for coupled systems in high-speed trains

A rule-based parametric modeling (RPM) method is proposed to dynamically generate virtual environments for simulation and analysis of the dynamics of coupled systems in high-speed trains. First, a precise and complete basic-element model base is built according to the modeling requirements of virtual simulation environments. Meanwhile, the classes of and relationships between the basic-element models are defined with respect to the geometrical, topological, semantical and appearance properties of these models. Then, multi-level semantic constraint rules and a parametric modeling method are designed to accurately analyze the simulation parameters and to rapidly integrate various basic-element models for automatic generation of virtual high-speed railway environments. Finally, after a prototype system is developed, various experiments are carried out for analysis of the advantages of the RPM method. The experimental results show that the RPM method can be used to normalize the error-prone modeling procedure and rapidly generate precise and realistic virtual environments.     

A maintenance time estimation method based on virtual simulation and improved modular arrangement of predetermined time standards

In the early stage of product design, it is important for maintainability design to evaluate accurate and efficient maintenance time by using the virtual simulation technology. However, the difference between the virtual world and reality results in inaccurate estimation of the maintenance time. Besides, few characteristics of the maintenance tasks and actions are considered, leading to a large estimation error. To solve these problems, this paper presents a maintenance time estimation methodology considering the maintenance action elements (MAEs) and modular arrangement of predetermined time standards (MODAPTS) based on the virtual simulation. To consider fully the features of the maintenance operations, a MAE system is designed and integrated with the MODAPTS to decompose the maintenance task into different basic units for the preliminary time estimation. Meanwhile, to bridge the gap caused by the virtual environment, the association relationship of the MAEs and maintainability is analysed to compensate the extra time spent in the interaction among the humans, machines and environment. Through a case study of an auxiliary power unit starter of a Boeing 737, the proposed method is validated to be capable to describe the difficulty in the practical maintenance process and perform an accurate, efficient and stable maintenance time prediction.     

配电线路维护机器人虚拟现实仿真系统设计

针对配电线路维护机器人遥显示和在线作业轨迹规划的应用需要,设计了一套机器人虚拟现实三维仿真系统.通过将机械臂姿态信息实时传输到虚拟现实环境中,实现了作业场景3D遥显示功能;根据机器人带电作业需求,设计了一种基于虚拟现实环境的机械臂轨迹规划运动学仿真软件,可在三维虚拟空间测试机械臂作业路径的可行性,具有直观、安全和高效的...     

基于惯性动作捕捉的人体运动姿态模拟

针对人体运动姿态编辑的自由性,提出一种人体运动姿态模拟方法。该方法采用贝塞尔曲线和数值数据编辑人体运动姿态。根据人体运动的特点,在VC++中运用OpenGL构建虚拟人体模型,利用动作捕捉技术设计人体运动姿态的模拟程序。结合人体关节正常活动范围,对主要关节点的运动姿态进行分析,结果表明,该方法能有效利用人体运动数据,驱动虚拟人体模型。