论文部分内容阅读
随着机器人和计算机技术的飞速发展,机器人仿真成为一个研究热点,而其中一个非常核心的技术就是碰撞模拟。在真实场景下,同一时刻同一区域内只可能存在一个对象,碰撞是自然发生的,不存在物体相互间穿越的现象:而在计算机仿真的虚拟世界中,只有加入碰撞处理才能防止各物体问发生穿越,使其更好地模拟现实。碰撞模拟的研究内容主要包括,碰撞建模、碰撞检测和碰撞响应三大部分,不仅要避免物体间相互穿越的现象发生,还要对碰撞发生后各个物体的物理特性进行模拟,所以,碰撞模拟对计算机仿真系统的正常运行和视觉效果的展现都有非常大的贡献。 本文主要面向机器鱼二维仿真平台(URSim2D)进行碰撞模拟的分析研究与设计实现,该平台是基于微软MRDS(Microsoft Robotics Develop Studio)开发的,用于模拟实体机器鱼运动及其水环境的计算机软件系统。主要研究内容如下:第一部分碰撞建模。根据机器鱼二维仿真平台的特点,详细介绍并分析了适合平台的包围盒建模基本思想和方法。在此基础上,提出了双层建模方式,通过外层模型进行初步检测,提高了碰撞模拟的效率,同时,内层模型也保证了碰撞检测的精确度,为后面的碰撞检测提供最佳模型;第二部分碰撞检测。针对机器鱼二维仿真平台中不同物体的模型和特性,提出了三种碰撞检测算法----边界捡测算法、离散检测算法和连续检测算法。其中,连续检测算法是在前两种算法的基础上,利用二分法,在一个仿真周期中对动态物体进行运动插值,达到状态回溯的目的,有效的防止了快速运动物体间穿越现象的发生;第三部分碰撞响应。基于力学和运动学理论,对机器鱼二维仿真平台中,各物体问碰撞发生后的物理响应过程进行模拟。该过程由瞬时碰撞阶段和瞬时响应阶段两部分组成。第一阶段,通过分析实体机器鱼的碰撞实验数据,计算各个物体间碰撞的恢复系数,并运用动量守恒定律、角动量定理等,得到碰撞发生后的速度和角速度信息;第二阶段主要简化模拟了由水环境引起的碰撞状态减弱的过程;最后,通过平台实验验证了碰撞模拟的有效性和精确性,为后续仿真平台的开发提供了基础。