CN109002607A - 虚拟仿真中改进的蜂窝状柔性绳索真实度的方法 - Google Patents
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Abstract
虚拟仿真中改进的蜂窝状柔性绳索真实度的方法，其特征在于，包括步骤：1)通过若干六边形立柱包围形式建立成柔性绳索的蜂窝状质点‑弹簧模型；2)基于蜂窝状质点‑弹簧模型柔性绳索建模，将柔性绳索质量均匀分布在质点上，质点与质点间用多种弹簧连接，对不同类型的弹簧设置不同的弹性系数和阻尼系数，从而模拟绳索内部不同方向作用力；本发明在每隔一层质点层之间的中心质点之间添加一根限制弯曲弹簧以限制相邻质点层之间弯曲180度的不正常现象，提高了模型的准确性和仿真真实感。
Description
技术领域
本发明涉及虚拟仿真系统的处理，尤其涉及一种虚拟仿真中改进的蜂窝状柔性绳索真实度的方法。
背景技术
虚拟仿真：仿真技术，或称为模拟技术，就是用一个系统模仿另一个真实系统的技术。虚拟仿真实际上是一种可创建和体验虚拟世界的计算机系统。此种虚拟世界由计算机生成，可以是现实世界的再现，亦可以是构想中的世界，用户可借助视觉、听觉及触觉等多种传感通道与虚拟世界进行自然的交互。它是以仿真的方式给用户创造一个实时反映实体对象变化与相互作用的三维虚拟世界，并通过头盔显示器、数据手套等辅助传感设备，提供用户一个观测与该虚拟世界交互的三维界面，使用户可直接参与并探索仿真对象在所处环境中的作用与变化，产生沉浸感。VR技术是计算机技术、计算机图形学、计算机视觉、视觉生理学、视觉心理学、仿真技术、微电子技术、多媒体技术、信息技术、立体显示技术、传感与测量技术、软件工程、语音识别与合成技术、人机接口技术、网络技术及人工智能技术等多种高新技术集成之结晶。其逼真性和实时交互性为系统仿真技术提供有力的支撑。
虚拟仿真系统中有关吊索或缆绳均属于线性柔性物体仿真，现有针对柔性绳索的研究成果存在实时性和逼真度较差的问题，其中较为切合柔性绳索物理特性的模型为蜂窝状结构模型，模拟效果较为逼真，但各质点层之间的弯曲度未能得到有效限制，容易出现两质点层弯曲180现象，针对这一问题，本发明对其模型进行改进，提高模型的物理真实度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种虚拟仿真中改进的蜂窝状柔性绳索真实度的方法，在每隔一层质点层之间的中心质点之间添加一根限制弯曲弹簧以限制相邻质点层之间弯曲180度的不正常现象，提高了模型的准确性和仿真真实感。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种虚拟仿真中改进的蜂窝状柔性绳索真实度的方法，其特征在于，包括步骤：
1)通过若干六边形立柱包围形式建立成柔性绳索的蜂窝状质点-弹簧模型；
2)基于蜂窝状质点-弹簧模型柔性绳索建模，将柔性绳索质量均匀分布在质点上，质点与质点间用多种弹簧连接，对不同类型的弹簧设置不同的弹性系数和阻尼系数，从而模拟绳索内部不同方向作用力；
3)在每隔一层质点层之间的中心质点之间添加一根限制弯曲弹簧。
优先地，多种弹簧包括结构弹簧、拉伸弹簧、扭结弹簧和弯曲弹簧。
本发明在每隔一层质点层之间的中心质点之间添加一根限制弯曲弹簧以限制相邻质点层之间弯曲180度的不正常现象，提高了模型的准确性和仿真真实感。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是蜂窝状绳索模型轴向结构图；
图2是蜂窝状绳索模型质点层径向结构图；
图3是改进的蜂窝状柔性绳索模型结构图；
图4简化的质点-弹簧连接模型。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的虚拟仿真中改进的蜂窝状柔性绳索真实度的方法，包括步骤：
1)通过若干六边形立柱包围形式建立成柔性绳索的蜂窝状质点-弹簧模型(请参阅图1)；
2)基于蜂窝状质点-弹簧模型柔性绳索建模，将柔性绳索质量均匀分布在质点上，质点与质点间用多种弹簧连接，对不同类型的弹簧设置不同的弹性系数和阻尼系数，从而模拟绳索内部不同方向作用力；(请参阅图2)；
多种弹簧包括结构弹簧、拉伸弹簧、扭结弹簧和弯曲弹簧，其中质点层之间只考虑了拉伸现象使用了拉伸弹簧，从而使得层与层之间在保持初始的弹簧长度和弹性限度范围同时，易出现质点层连接处弯曲达180度的不正常现象；即出现Pi层和Pi+2层相重叠的这种现象，即相隔层出现重叠的这种现象。
请重点参阅图3，本发明的的蜂窝状质点-弹簧模型中使用的5种弹簧，原理如下：
(1)结构弹簧
柔性绳索不同于布料结构，在径向不存在拉力，因此结构弹簧只是用来模拟绳索在径向受到挤压产生形变所受到的力.防止绳索受到过度挤压产生“压扁”失真现象，应保持绳索自然状态，即保持初始状态时质点间的距离。图3中相邻两质点Pi和Pi，j间连接的弹簧为结构弹簧，其弹性系数一般较大。其中，Pi表述质点层，Pi，j表述第i层的第j个质点。
(2)拉伸弹簧
柔性绳索在轴向只存在拉伸现象不存在压缩现象，因此设置拉伸弹簧来模拟绳索拉伸产生形变时所受到的拉力。拉力作用于绳索的轴向方向，用来阻止绳索沿轴向方向产生的过度形变。图3中连接两质点层的弹簧Pi，j和Pi+1，j为拉伸弹簧，其弹性系数一般较大。
(3)扭转弹簧
绳索绕轴心会产生扭力矩，因此设置扭转弹簧来模拟绳索受到扭转时产生形变所受到的扭转力.扭转力用来阻止绳索发生扭转时产生过度形变。图3中，各质点层在组成六边形的质点集中，2个次相邻质点Pi，j和Pi，j+2间的弹簧定义为扭转弹簧，扭转弹簧弹性系数较小。
(4)弯曲弹簧
当绳索缠绕、扭结时产生大量弯曲力，因此在各质点层上设置弯曲弹簧来模拟绳索内部弯曲力，阻止绳索因受力发生弯曲或折叠时过度形变.图3中，在质点层上组成六边形的质点集中，两相距最远质点Pi，j和Pi，j+3间的弹簧定义为弯曲弹簧，其弹性系数较小。
3)在每隔一层质点层之间的中心质点之间添加一根限制弯曲弹簧。
限制弯曲弹簧，由于相邻层采用的是拉伸弹簧，因此相邻层不会出现重叠的状态，但弯曲弹簧只能限制质点层上的过度弯曲现象，实际模拟时，质点层与质点层之间由于弯曲力的作用产生弯曲或折叠的过度形变，所以每隔一个质点层，在六边形中心的质点之间添加一根限制弯曲弹簧，通过限制弯曲弹簧便将相隔层的两层进行了限定，由于相隔层之间连接有的限制弯曲弹簧具有一定的长度，且限制弯曲弹簧弯曲幅度有限，这样便限定了相隔层的运动范围，因此不会出现相隔层重叠的这种现象。在不过多增加计算量的同时，提高了模拟真实感，其弹性系数与弯曲弹簧相近。
改模型的数学解算方法如下；
对物体进行合理的受力分析是给出精确模型的前提。此处质点受力分为内力和外力，内力是质点之间的相互作用力，主要包括弹簧的弹性形变力和阻尼力；外力是外界对质点施加的扰动力，主要包括重力、摩擦阻力以及外界施加的力等。质点的受力满足牛顿第二定律，即：
其中：m为质点质量，X为所需要求解的质点位置，Fout(X，t)质点所受外力，FIn(X，t)为质点所受内力。
质点所受内力主要包括弹簧的弹性形变力和阻尼力，本模型的质点受力计算需要分别计算结构弹簧和弯曲弹簧所产生的内力。理想的质点-弹簧模型，简化的质点-弹簧模型如图4所示，弹簧的形变是线性变化，与弹簧的弹性系数和形变量有关，满足胡克定律，即：
Fspring＝-KS*(|XAB|-L)*(XAB/|XA B|) (2)
其中，Fspring为弹簧拉(压)力，KS为弹性系数，XAB为质点A、B的位置向量，L为弹簧的初始长度。
弹簧的阻尼力与相连质点的速度有关，是阻止弹簧发生过度变形、维护系统稳定的力，作用于质点A的阻尼力表示为：
FSD＝KSD(VA-VB) (3)
其中，FSD为弹簧的阻尼力，KSD为弹簧的阻尼系数，VA，VB分别为质点A、B的速度矢量。
对于整个模型结构，结合公式(2)、(3)，每个质点所受内力的计算公式为：
其中，结构中各个质点的连接弹簧个数不同，每种弹簧的弹性和阻尼系数不同，根据实际情况进行计算。
质点的重力计算公式：G＝mg (5)
其中，g为重力加速度矢量，取值为(0.0，-9.81，0.0)。
质点所受外界摩擦阻力主要包括空气摩擦阻力以及与其他物体表面接触产生的摩擦阻力，其中后者不是一直存在的，可视模拟的环境进行添加。质点所受空气阻力：
FA＝0.5CρASV2＝KAV2 (6)
其中，C为空气流系数，ρA为空气密度，S为绳索在运动方向上的投影而积，V为质点瞬间速度，KA为空气阻力系数。由于绳索的投影面积变化不大，此处可简化为后者，KA可在模拟环境中自行设定。
质点-弹簧模型中质点的运动状态方程在时间域上可表示为：
针对质点速度的微分方程的求解使用改进的Euler法，求解方程为：
式中：f(tn，Vn)是关于速度和时间的导数，此处相当于质点的加速度，h为时间步长，tn、Vn表示当前时刻状态变量。tn+1、Vn+1是要求取的下一时刻的状态值，K1表示当前tn时刻的质点加速度，K2表示根据加速度K1改变质点位置和速度之后的加速度大小。
改进的欧拉算法是将当前时刻的加速度K1和下一时刻的加速度K2取平均值，进而根据平均加速度求取下一时刻的速度Vn+1。此方法对积分进行两次计算，计算量不大，但精度有了很大提高，满足仿真系统的需要。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。
Claims (2)
1.虚拟仿真中改进的蜂窝状柔性绳索真实度的方法，其特征在于，包括步骤：
1)通过若干六边形立柱包围形式建立成柔性绳索的蜂窝状质点-弹簧模型；
2)基于蜂窝状质点-弹簧模型柔性绳索建模，将柔性绳索质量均匀分布在质点上，质点与质点间用多种弹簧连接，对不同类型的弹簧设置不同的弹性系数和阻尼系数，从而模拟绳索内部不同方向作用力；
3)在每隔一层质点层之间的中心质点之间添加一根限制弯曲弹簧。
2.如权利要求1所述虚拟仿真中改进的蜂窝状柔性绳索真实度的方法，其特征在于，多种弹簧包括结构弹簧、拉伸弹簧、扭结弹簧和弯曲弹簧。
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| CN (1) | CN109002607A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109165419A (zh) * | 2018-07-31 | 2019-01-08 | 哈尔滨工程大学 | 一种运动操作的可变质量模拟装置及方法 |
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2018
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Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 梁民仓等: "船用柔性绳索的仿真研究", 《系统仿真学报》 * |
| 王崴等: "基于改进弹簧-质点模型的柔性绳索仿真", 《计算机辅助设计与图形学学报》 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109165419A (zh) * | 2018-07-31 | 2019-01-08 | 哈尔滨工程大学 | 一种运动操作的可变质量模拟装置及方法 |
| CN109165419B (zh) * | 2018-07-31 | 2022-07-15 | 哈尔滨工程大学 | 一种运动操作的可变质量模拟装置及方法 |
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