CN102306216A - 月球车多规律仿真测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种 月球车多规律仿真测试系统，其中：几何模块建立月球车几何模型并生成真实感数字月面模型；动力学模块得到更新接触约束关系；运动控制模块生成的路径信息并转化为运动控制信息输出至动力学模块；数据分析与评价模块负责将动力学模块的仿真结果输出以便进行分析；导航与规划模块对从可视化模块获得的场景信息进行图像处理，获得场景中的障碍信息，根据障碍信息进行路径规划并发出对车体的控制指令；可视化模块建立场景树并利用多通道立体渲染技术输出虚拟环境，同时可视化模块接收动力学模块的更新接触约束关系。本发明真实感强、融入月球车自主导航系统并且反映物理规律的真实性，充分考虑月球车与月面的交互作用。

Description

月球车多规律仿真测试系统

技术领域

本发明涉及的是一种虚拟现实技术领域的系统，具体是一种月球车多规律仿真测试系统。

背景技术

随着2012年“嫦娥工程”月球车“落地”的临近，月球车研究和开发的进展快慢，其功能的完善程度与性能的好坏直接关系到整个月球探测工程的进程。由于对月球车工作的可靠性要求较高，以及考虑到月球车工作环境的特殊性，必须对月球车性能进行反复的实验与改进，使之适应月球的恶劣环境。月球表面环境结构特殊，在地面环境中难以找到相类似的运行环境用以验证月球车性能，更无法到月表环境中对月球车进行实验分析，在地面上不可能完全模拟月球真实的环境条件。随着虚拟现实技术(Virtual Reality，简称VR)的发展，设计者可以在计算机上模拟任何复杂环境，建立各种类型的模型，并能快速、经济、有效的对模型进行运动学和动力学仿真分析，对验证、评价、改进模型设计方案起到巨大的作用。应用虚拟现实技术分析月球车在虚拟月球环境中工作的运动学和动力学行为，可以在月球车物理样机研制之前就能够对多种设计方案进行比较和优化，缩短研制周期，节省研究经费，提高可行性。

虚拟现实技术是一种高级的人机交互技术，它应用网络技术、计算机图形学、人工智能、人机接口技术、视听技术、传感器技术等高新技术，在特定的环境中模拟人的视、听、动等行为。正是这些技术高度的集成和渗透，让用户对虚拟的环境产生沉浸感，从而有更逼真的体验。VR现已广泛应用于军事，航空航天，科研，工业及医疗等行业，为人们探索宏观和微观事物的运动变化规律提供了更大便利。

目前大多数的仿真只是针对单一研究对象建模，根据具体需求对模型进行各种实验分析，很少研究人的感知模型的仿真。现在大部分的机械系统动力学分析与仿真的商业软件如ADAMS、DADS等在对机械系统进行运动学、动力学和静平衡分析时对机械系统进行运动学、动力学和静平衡分析时，将机械系统作为一个正向问题进行考虑，外部影响通过作用力和驱动约束等元素施加于系统，其任务是分析系统内部构件之间的关系与作用。利用这类软件进行月球车仿真试验不能将月球车系统与月面环境作为一个整体来考虑；无法完成月面环境的建模，从而为月球车建立虚拟实验室或试验场地；从而无法研究月球车虚拟样机在虚拟实验室或试验场的运动和特性。利用Matlab结合ASSTM(AESCO GbR，Matlab/Simulink Module ASSTM User’s Guide，2005)可以仿真月球车与环境之间的相互作用关系，但是它在环境建模的逼真性存在明显不足，于是在物理上很难反映出月球车与随即松软月面的作用，同时也无法实现视觉上的真实感。但事实证明，人对于听觉，视觉信息的感知能力远远大于对数字和文字等抽象信息的理解能力。随着虚拟仿真可视化的发展趋势，将VR引入系统模拟仿真不失为明智之举。使人沉浸其中，对所需解决的问题有更清晰的认识，而不再仅局限于从屏幕上观察仿真的结果，可使模型的设计和优化更为方便。

经过对现有技术的检索发现，国内清华大学的骆训纪、孙增圻提出了一个用于研究、开发月球漫游车系统的测试与仿真平台，该仿真平台提供的仿真系统可以创建类似月球表面地形的虚拟月面环境，并对各种结构的漫游车系统进行仿真、检验，还可以用于调试控制器、传感器等各个子系统。该平台是一个基于组件对象模型（COM）技术的分布式仿真系统，仿真系统与漫游车系统既可以运行于同一台计算机中，也可以运行于通过网络连接（包括局域网和Internet） [骆训纪、孙增圻，月球漫游车仿真系统研究，系统仿真学报，14卷，9期，1235-1238，2002]。但是该技术中并没有建立月球车的动力学运动学仿真内核，更没有自主导航系统，月球车的计算内核和自主导航是月球车仿真平台的最核心内容。本系统基于虚拟现实环境，在漫游时的真实感强，仿真环境具备高度沉浸性，不仅够很好地模拟月球车的漫游，并且已经结合实验数据，作为月球车和月面的测试平台，在实际上得到运用。

美国NASA 2003提出了ROAMS系统[A.  Jain,  J. Guineau,  C. Lim,  W.  Lincoln, M.  Pomerantz, G. Sohl, and R. Steele, “Roams: Planetary surface rover simulation environment,”  in  International Symposium on Artificial Intelligence, Robotics and Automation  in  Space (i-SAIRAS  2003),  (Nara, Japan), May 2003]，该仿真平台主要应用于火星车的仿真，具备了本发明的提出的动力学、运动学以及导航模块。然而该系统的动力学模块只考虑到刚体接触模型的动力学模块，并没有像本发明提出的软质地形的接触动力学。同时该系统没有融入虚拟现实技术，在沉浸性和效果都不具备本系统的功能。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种月球车多规律仿真测试系统，该系统基于VR技术提供真实感强、融入月球车自主导航系统并且反映物理规律的真实性，充分考虑月球车与月面的交互作用。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：几何模块、动力学模块、运动控制模块、数据分析与评价模块、导航与规划模块和可视化模块，其中：

所述几何模块建立月球车几何模型并生成真实感数字月面模型分别输出至动力学模块、可视化模块和导航与规划模块；

所述动力学模块进行属性初始化并生成约束定义与碰撞检测计算得到更新接触约束关系并分别输出至可视化模块、数据分析与评价模块和导航与规划模块；

所述运动控制模块接收导航与规划模块生成的路径信息并转化为运动控制信息输出至动力学模块；

所述数据分析与评价模块负责将动力学模块的仿真结果输出以便进行分析；

所述导航与规划模块对从可视化模块获得的场景信息进行图像处理，获得场景中的障碍信息，根据障碍信息进行路径规划并发出对车体的控制指令，并将控制信息输出至动力学模块和可视化模块；

所述可视化模块根据几何模型库单元导入的几何文件建立场景树并利用多通道立体渲染技术输出虚拟环境，同时可视化模块接收动力学模块的更新接触约束关系，输出至场景窗口并将反馈结果分别输出至动力学模块和导航与规划模块。

所述几何模块包括：基础建模单元、数据转换接口单元和几何模型库单元，其中：基础建模单元完成月球车几何建模和月面的几何建模并将建立得到的月球车模型和月面模型导入数据转换接口单元，数据转换接口单元与几何模型库单元相连并输出经转换后的几何模型，几何模型库单元分别与动力学模块、可视化模块和导航与规划模块相连实现模型信息调用。

所述动力学模块包括：参数初始化单元、约束定义与计算单元、动力学建模与计算单元、碰撞检测与响应单元、车轮-月面作用模型单元和控制信号处理接口，其中：参数初始化单元根据月球车的设计参数对用于仿真的虚拟月球车模型进行几何结构参数的初始化，约束定义计算单元对月球车各构件之间的约束关系初始化，动力学建模与计算单元结合月面的集合结构，和月壤的物理属性和由车轮-月面作用模型单元建立的车轮与月面的作用力模型建立月球车的仿真计算模型，在每一仿真计算步长中，碰撞检测与响应单元都要进行碰撞检测计算，更新动力学模型中的接触约束关系，通过多次的迭代计算求出月球车动力学方程的近似解，控制信号处理接口可以接受运动控制模块的控制信息作为动力学模型的输入。动力学模块输出各个轮子的运动数据，包括速度、转速、角加速度、反作用力、阻力矩、沉陷量、滑移率。

所述可视化模块包括：场景初始化单元、光照渲染单元、场景树管理单元、仿真特效单元和通讯建立单元，其中：场景初始化单元首先对仿真场景进行初始化，然后光照渲染单元对场景中的光照条件、渲染方式等进行控制，场景树管理单元则对场景中的几何物体、光照模式等进行管理，仿真特效单元利用虚拟现实技术向场景中加入真实感特效，最后通讯建立单元负责场景和用户的交互，使得用户可以与场景之间实时交换信息。

所述运动控制模块接收导航与规划模块生成的路径信息，转化为运动控制信息，传递给月球车动力学模块。

所述数据分析与评价模块接受动力学模块生成的各个轮子的运动数据，通过车体运动学模型和动力学模型，计算整车的运动特性，输出车体速度、6个自由度的姿态数据、车体整体滑移率，通过月球车评测模块，给出月球车在特定工况下，运动特性以及运动能力评分。

所述导航与规划模块包括：视觉图像获取单元、图像分析单元、路径规划和控制单元，其中：视觉图像获取单元获取可视化模块的场景图像，图像分析单元对获取的图像进行分析，得出障碍物的大小、距离车体的距离等避障参数，路径规划和控制单元则利用避障参数作为输入进行路径规划，控制单元最后根据路径规划的结果发出相应的控制指令，引导月球车安全到达目的地。

本发明上述的系统通过以下方式进行工作：首先，几何模块构建等同或者接近于实际的虚拟月面环境，基于对分形布朗运动数学模型的研究，将其扩展到二维用以生成月面基础地形，扩展到三维用以生成随机石块，根据前人对月面陨石坑的统计和计算的经验，得出了陨石坑近似建模的原理和方法，提出了两点假设将陨石坑模型与基础地形合理叠加到一起，并根据统计信息决定陨石坑与月面石块的分布情况，经过纹理映射、光照渲染生成用于月球车运动仿真的真实感数字月面；然后，动力学模块、运动控制模块建立基于多体动力学以及车轮－地面作用模型，对月球车在随机不平月面上的运动进行动力学建模并求解；然后，导航与规划模块对月球车的运动路径进行决策；最后，数据分析与评价模块接受仿真结果，传递给可视化模块，通过多通道立体渲染生成沉浸感月球车虚拟仿真环境。为了增强显示效果的真实感，在仿真过程中增加了尘土飞扬效果、车轮轨迹生成等特效；为了增加设计者与仿真环境的交互性，实现了外设的交互功能，比如以鼠标控制仿真视点，以键盘控制月球车各种输入，用以控制机械臂的展开和收起、翻板的展开和收起以及月球车的驱动速率和车轮的驱动方向等。

本发明与现有技术相比，利用虚拟现实技术建立了一个基于物理的高度逼真仿真环境。本发明是基于VR技术提供真实感强、融入月球车自主导航系统并且反映物理规律的真实性的仿真平台，充分考虑月球车与月面的交互作用，建立一个月球车多规律仿真试验评估系统，为月球车各项物理特性的仿真试验评估提供一个可靠的环境，并为月球车在系统层面上的验证评估提供一个可靠的环境，基于视觉导航技术，实现高度自主的路径规划和导航，为未来实际月球车的自主导航提供技术基础。

附图说明

图1为本发明系统结构示意图。

图2为本发明系统的程序流程图。

图3为本发明实施例的逻辑示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例提供一种月球车多规律仿真测试系统，包括：几何模块、动力学模块、运动控制模块、数据分析与评价模块、导航与规划模块和可视化模块，其中：

几何模块建立月球车几何模型并生成真实感数字月面模型分别输出至动力学模块、可视化模块和导航与规划模块；

动力学模块进行属性初始化并生成约束定义与碰撞检测计算得到更新接触约束关系并分别输出至可视化模块和导航与规划模块；

运动控制模块接收导航与规划模块生成的路径信息并转化为运动控制信息输出至动力学模块；

数据分析与评价模块负责将动力学模块的仿真结果输出以便进行分析；

导航与规划模块对自主导航的技术进行仿真并输出仿真结果至动力学模块和可视化模块；

可视化模块根据几何模型库单元导入的几何文件建立场景树并利用多通道立体渲染技术输出虚拟环境，同时可视化模块接收动力学模块的更新接触约束关系，输出至场景窗口并将反馈结果分别输出至动力学模块和导航与规划模块。

本实施例中，所述几何模块的核心是基础建模单元，其建成的模型通过数据转换接口单元的转换后导入几何模型库单元，包含以下步骤：

第一步：月球车几何模型由通用CAD系统生成，通过系统接口导入；

第二步：利用分形技术生成月面的基础地形和月面特征并将两者融合，生成复杂月面地形；

第三步：读取生成的复杂月面地形文件，格式为FLT和OBJ，进行纹理映射、光照渲染、材质处理，生成真实感月面地形。

第四步：建立场景树根节点，加载地形数据到根节点中，作为孩子节点。加载月球车三维模型数据，添加到场景树根节点下，作为孩子节点。添加光源节点，到两个孩子节点下，最终生成完整月球车仿真平台场景树，利用场景树管理的模式可以加载大数据量的仿真模型，比已有技术采用的场景管理方法先进，同时在不同孩子节点下添加光源节点，可以分别进行渲染控制，获得比现有技术先进的渲染效果。

本实施例中，所述动力学模块包括所述动力学模块包括几何、物理参数初始化，约束定义与求解，动力学模型的建立与求解，碰撞检测与响应，车轮-月面作用模型建立与求解，控制信号处理接口，其实施包含以下步骤：

第一步：根据月球车的设计参数对从几何模型库单元中导入的用于仿真的虚拟月球车模型进行初始化，这包括月球车几何结构参数初始化，以及月球车各构件之间的约束关系初始化；

第二步：建立月球车和月面的碰撞模型，根据Bekker 承压模型建立软质月面-车轮作用力模型，在承压模型中引入土壤属性，考虑到软质月面的动力学，比现有技术采用的刚体接触模型更为接近真实；

第三步：结合环境属性即月面的几何结构和月壤的物理属性参数、考虑车轮与月面的非完全约束关系建立月球车仿真计算模型；

第四步：接受运动控制模块传来的控制参数，作为动力学的模型的输入，计算月球车的各项参数，每一个仿真计算步长内都要完成多次迭代计算来寻求月球车动力学方程组的近似解，得出月球车各部件新的速度以及受力情况，调用积分器算出月球车各部件新的位姿信息，并将计算结果传给可视化模块更新显现模型的状态。

本实施例中，所述运动控制模块接收导航与规划模块生成的路径信息，转化为运动控制信息，此外，该模块还可以接收由可视化模块的人机交互中的外设操作发出的指令，并将其转化为控制信息，最后将控制信息传递给月球车动力学模块，控制月球车完成相应的动作。

本实施例中，所述数据分析与评价模块将动力学模块的仿真结果输出以便进行进一步的分析。其实施步骤如下：

第一步：读取动力学模块生成的各个轮子的切向速度，通过车体运动学模型和动力学模型，计算整车的速度；

第二步：读取动力学模块生成的各个轮子的姿态数据和沉陷量，通过整体运动学模型，生成车体6个自由度的姿态数据、车体整体滑移率；

第三步，通过月球车评测模块，参照出月球车特定工况下通过性数据库，人工判断月球车运动特性以及通过能力，并给出评分，评测模块是完全创新的模块，现有其他系统，都不具备该模块。

本实施例中，所述导航与规划模块包括视觉图像获取、图像分析、路径规划和控制，使用复合视觉导航方法利用一个单目摄像机进行宏观路径规划，即完成大范围场景的识别并对大的月坑进行判断并作路径预规划；运用双目立体视觉对外形难以辨知的石块进行识别，通过双目视觉所获得的三维信息实现避障功能。其实施步骤如下：

第一步：建立视景仿真场景树，月球车桅杆上分别设置相应的单目和双目相机来拍摄月球车前方的月面图像，并且不断地保存到相应的存储空间；

第二步：将拍摄到图像进行相应的处理，为路径规划和障碍规避提供依据，主要实施步骤如下

1)     图像预处理，采用一维灰度直方图选取阈值，将图像二值化，通过标记算法记录每个坑和石块在图像上的位置，再对每个坑用投影法进行定位，投影法利用水平投影和垂直投影完成对坑的y方向和x方向的定位；

2)     基于双目视觉修正的几何关系推导出空间中点和图像上对应点的关系，从而计算出月坑相对于月球车的实际距离；

3)     采取局部SIFT（Scale-invariant feature transform，尺度不变特性转化）特征匹配，即对于可疑障碍物区域的特征点进行提取与匹配，得到障碍物的位置和大小。

第三步：根据图像分析得到的石块的大小及其相对于月球车的距离、方位，提供避让决策信息，月球车距离石块的计算可确定小车安全行驶的范围以及避障的安全转弯半径，石块方位的计算可以辅助判断小车行走的方向，从而进行最优转向选择，通过对石块纵向横向的最大值计算可确定其真实大小，进而获得越障避障信息，根据这些避障信息即可规划月球车的行动路线，最后将规划的路线传递给运动控制模块。

本实施例中，所述可视化模块基于SGI OpenGL Performer（SGI视景仿真开发包）进行开发，包括初始化，光照、立体渲染，场景树管理，通讯建立，其实现包含以下步骤：

第一步：初始化场景设置，根据导入的几何文件建立场景树，负责场景的光照、渲染；

第二步：实时管理已创建的场景树，并处理用户与场景之间的所有交互，传递用户操作信息的同时也能接受动力学模块计算结果，一方面根据仿真计算结果更新场景树中几何模型的位置和姿态，另一方面可以直接在场景窗口输出重要的仿真结果数据；

第三步：实时添加仿真特效，比如车轮转动时带起尘土的效果，车轮走过之后留下轨迹特效，车轮沉陷特效，最后进行立体渲染，增加系统的视觉特效，仿真特效采用的粒子系统，比现有其他系统更为真实。

本实施例中，系统构架可扩展，提供的虚拟现实沉浸感好，月球车运动采用了轮壤软质月面作用模型反应了物理规律，在本质上超越了现有的其他类似系统。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范畴。应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也都应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种月球车多规律仿真测试系统，其特征在于包括：几何模块、动力学模块、运动控制模块、数据分析与评价模块、导航与规划模块和可视化模块，其中：

所述几何模块建立月球车几何模型并生成真实感数字月面模型分别输出至动力学模块、可视化模块和导航与规划模块；

所述动力学模块进行属性初始化并生成约束定义与碰撞检测计算得到更新接触约束关系并分别输出至可视化模块、数据分析与评价模块和导航与规划模块；

所述运动控制模块接收导航与规划模块生成的路径信息并转化为运动控制信息输出至动力学模块；

所述数据分析与评价模块负责将动力学模块的仿真结果输出以便进行分析；

所述导航与规划模块对从可视化模块获得的场景信息进行图像处理，获得场景中的障碍信息，根据障碍信息进行路径规划并发出对车体的控制指令，并将控制信息输出至动力学模块和可视化模块；

所述可视化模块根据几何模型库单元导入的几何文件建立场景树并利用多通道立体渲染技术输出虚拟环境，同时可视化模块接收动力学模块的更新接触约束关系，输出至场景窗口并将反馈结果分别输出至动力学模块和导航与规划模块。

2.根据权利要求1所述月球车多规律仿真测试系统，其特征在于所述几何模块包括：基础建模单元、数据转换接口单元和几何模型库单元，其中：基础建模单元完成月球车几何建模和月面的几何建模并将建立得到的月球车模型和月面模型导入数据转换接口单元；数据转换接口单元与几何模型库单元相连并输出经转换后的几何模型，几何模型库单元分别与动力学模块、可视化模块和导航与规划模块相连实现模型信息调用。

3.根据权利要求1所述月球车多规律仿真测试系统，其特征在于所述动力学模块包括：参数初始化单元、约束定义与计算单元、动力学建模与计算单元、碰撞检测与响应单元、车轮-月面作用模型单元和控制信号处理接口，其中：参数初始化单元根据月球车的设计参数对用于仿真的虚拟月球车模型进行几何结构参数的初始化，约束定义计算单元对月球车各构件之间的约束关系初始化；动力学建模与计算单元结合月面的集合结构，月壤的物理属性，以及由车轮-月面作用模型单元建立的车轮与月面的作用力模型建立月球车的仿真计算模型，在每一仿真计算步长中，碰撞检测与响应单元都要进行碰撞检测计算，更新动力学模型中的接触约束关系，通过多次的迭代计算求出月球车动力学方程的近似解；控制信号处理接口接受运动控制模块的控制信息作为动力学模型的输入；动力学模块输出各个轮子的运动数据，包括速度、转速、角加速度、反作用力、阻力矩、沉陷量、滑移率。

4.根据权利要求1所述月球车多规律仿真测试系统，其特征在于所述可视化模块包括：场景初始化单元、光照渲染单元、场景树管理单元、仿真特效单元和通讯建立单元，其中：场景初始化单元首先对仿真场景进行初始化，然后光照渲染单元对场景中的光照条件、渲染方式等进行控制；场景树管理单元则对场景中的几何物体、光照模式进行管理；仿真特效单元利用虚拟现实技术向场景中加入真实感特效，最后通讯建立单元负责场景和用户的交互，使得用户可以与场景之间实时交换信息。

5.根据权利要求1所述月球车多规律仿真测试系统，其特征在于所述运动控制模块接收导航与规划模块生成的路径信息，转化为运动控制信息，传递给月球车动力学模块。

6.根据权利要求1所述月球车多规律仿真测试系统，其特征在于所述数据分析与评价模块接受动力学模块生成的各个轮子的运动数据，通过车体运动学模型和动力学模型，计算整车的运动特性，输出车体速度、6个自由度的姿态数据、车体整体滑移率，通过月球车评测模块，给出月球车在特定工况下，运动特性以及运动能力评分。

7.根据权利要求1所述月球车多规律仿真测试系统，其特征在于所述导航与规划模块包括：视觉图像获取单元、图像分析单元、路径规划和控制单元，其中：视觉图像获取单元获取可视化模块的场景图像，图像分析单元对获取的图像进行分析，得出障碍物的大小、距离车体的距离等避障参数，路径规划和控制单元则利用避障参数作为输入进行路径规划，控制单元最后根据路径规划的结果发出相应的控制指令，引导月球车安全到达目的地。

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