移動(dòng)機器人3D仿真軟件的設計

在機器人技術(shù)研究中，為了提高機器人控制算法的開(kāi)發(fā)效率，提出移動(dòng)機器人三維仿真軟件的設計方案并加以實(shí)現。該軟件采用ODE物理引擎生成動(dòng)力學(xué)世界和實(shí)現碰撞檢測，提高了仿真速度和精確度，同時(shí)采用OpenGL繪制三維圖形，改善了圖形顯示效果。仿真實(shí)例證明，該軟件具有一定的實(shí)用價(jià)值。

　　1 軟件特性

　　(1)采用基于面向對象技術(shù)實(shí)現，軟件操作簡(jiǎn)單，易于維護和功能擴展;

　　(2)可以導入x格式和3ds格式的三維模型文件;

　　(3)允許物體同時(shí)實(shí)現多個(gè)移動(dòng)操作，在每個(gè)運動(dòng)方向都有加速度、減速度和最大速度等運動(dòng)屬性;實(shí)現碰撞檢測、移動(dòng)機器人和虛擬場(chǎng)景的圖形化顯示;

　　(4)支持實(shí)時(shí)調試功能; 3D動(dòng)畫(huà)和仿真計算結果同步且真實(shí)對應;繪制仿真環(huán)境的二維地圖和物體運動(dòng)軌跡。

　　(5)提供與外部軟件連接的接口，即可以通過(guò)ODBC與外部數據庫相連，或通過(guò)Socket接口與外部設備相連，實(shí)現進(jìn)程之間的通信;

　　(6)軟件接口的多樣性和擴展性,即可通過(guò)游戲手柄、鍵盤(pán)來(lái)輸入控制信息、模型參數和仿真參數等;仿真數據的保存輸出。

　　其中，速度比例系數k=0.035，線(xiàn)速度單位為m/s，角速度單位為rad/s。

2.2 三維物體建模

　　ODE物理引擎提供球體、盒子、膠囊、平面和圓柱等幾何體。在創(chuàng )建出一個(gè)幾何體后，其中心一般落在仿真環(huán)境坐標系的原點(diǎn)上。在對移動(dòng)機器人進(jìn)行建模時(shí)，需要使用盒子和圓柱兩種幾何體，盒子需要指定3個(gè)參數，即長(cháng)、高、寬;對于圓柱而言，則需指定長(cháng)度和半徑2個(gè)參數。在動(dòng)力學(xué)世界中，以Geom代表物體幾何體，以Body代表虛擬場(chǎng)景中的對象。軟件可以通過(guò)調用ODE內部函數來(lái)檢測幾何體和對象的對應關(guān)系，也有函數用于檢測對象之間是否存在連接。下面以創(chuàng )建盒子物體為例，說(shuō)明單個(gè)物體的建模方法。

　　首先調用dBodyCreate函數創(chuàng )建出給定空間中的剛體對象,再調用dBodySetPosition和dBodySetRotation兩個(gè)函數，調整該對象在空間中的位姿,接著(zhù)調用dMassSetBoxTotal和dBodySetMass兩個(gè)函數設定該對象的質(zhì)量屬性,最后調用dCreateBox函數創(chuàng )建相應尺寸的盒子幾何體,并調用dGeomSetBody函數將該幾何體與對象關(guān)聯(lián)起來(lái)。

　　在創(chuàng )建出單個(gè)對象后，往往需要利用各種關(guān)節將不同對象連接起來(lái)。ODE物理引擎提供5種類(lèi)型的關(guān)節，分別為鉸鏈型、球-球窩型、滑竿柱型、固定型和鉸鏈2型等。其中鉸鏈型為合頁(yè)關(guān)節，滑竿柱型為插銷(xiāo)關(guān)節，鉸鏈2型則是帶有軸的關(guān)節，這些關(guān)節都有內置的馬達。本文選用鉸鏈關(guān)節來(lái)連接驅動(dòng)輪和機器人車(chē)體，采用固定關(guān)節構建機器人車(chē)體結構。下面以使用鉸鏈關(guān)節連接兩個(gè)對象為例，說(shuō)明創(chuàng )建關(guān)節的方法。

　　在調用dJointCreateHinge函數創(chuàng )建鉸鏈關(guān)節對象后，再調用dJointAttach函數指定用該關(guān)節連接的兩個(gè)物體對象，然后調用dJointSetHingeAnchor函數設定旋轉軸的中心點(diǎn)坐標，并調用dJointSetHingeAxis設定旋轉軸的方向。

　　為了讓剛體對象能夠在仿真環(huán)境中運動(dòng)起來(lái)，ODE提供了3種方法： (1)調用dBodyAddForce、dBodyAddTorque等函數給剛體施加力的作用; (2)調用dJointSetHingeParam

　　函數來(lái)改變內置馬達的轉速，同時(shí)需指定該函數的第二個(gè)輸入參數為dParamVel; (3)調用dBodySetLinearVel和dBodySetAngularVel兩個(gè)函數直接給物體設定線(xiàn)速度和角速度。

　　此外，在ODE仿真環(huán)境中，可通過(guò)兩種方式來(lái)模擬彈簧-阻尼系統: (1)通過(guò)設置ERP(Error Reduction Parameter)和CFM(Constraint Force Mixing)兩個(gè)參數來(lái)實(shí)現，ERP為每一仿真循環(huán)中的修正誤差，取值范圍為0~0.8，默認取值為0.2;CFM代表物理引擎的全局混合約束力，它反映物體表面的柔軟程度，其取值范圍為10e-9~1;(2)利用動(dòng)力學(xué)方程來(lái)求解，即胡克定律:

　　其中γ為阻尼系數,它與物體的形狀以及周?chē)再|(zhì)有關(guān)。

　　綜上所述，典型ODE仿真過(guò)程為[6]：

　　(1)生成一個(gè)動(dòng)力學(xué)世界，并在該世界中創(chuàng )建物體;

　　(2)設置物體狀態(tài)(如質(zhì)量、質(zhì)心位置和姿態(tài)等)，并在動(dòng)力學(xué)世界中創(chuàng )建關(guān)節;

　　(3)將關(guān)節與物體綁定起來(lái),為所有的關(guān)節設置參數;

　　(4)生成碰撞檢測空間，并為需要作碰撞檢測的物體生成碰撞幾何體;創(chuàng )建一個(gè)容納關(guān)節的關(guān)節組;

　　(5)循環(huán)處理過(guò)程:

　?、僭谖矬w上施加力;

　?、诟鶕枰{整關(guān)節參數;

　?、壅{用碰撞檢測，得到碰撞點(diǎn)和碰撞的物體;

　?、転槊總€(gè)碰撞點(diǎn)的碰撞創(chuàng )建一個(gè)接觸關(guān)節，并將其放入關(guān)節組;

　?、輬绦幸粋€(gè)仿真步驟;

　?、耷蹇战佑|關(guān)節組中的關(guān)節;

　　(6)銷(xiāo)毀動(dòng)力學(xué)世界和碰撞世界。

　　2.3 三維圖形的繪制

　　OpenGL繪制圖形的基本操作步驟[4]：

　　(1)設置像素格式：設定OpenGL繪制風(fēng)格、顏色模式和顏色位數等重要信息。

　　(2)建立模型：根據基本圖元建立景物的三維模型，并對模型進(jìn)行數學(xué)描述。

　　(3)舞臺布置：把景物放置在三維空間的適當位置，設置視點(diǎn)、視角和投影模型等。

　　(4)效果處理：設置物體的材質(zhì)，加入光照及光照條件。

　　(5)光柵化：把景物及其顏色信息轉化為可在計算機屏幕上顯示的像素信息。

　　在繪制圖形時(shí)，需注意坐標系的變換，否則很容易導致繪制失敗。OpenGL定義了兩個(gè)坐標系：世界坐標系和當前繪圖坐標系。世界坐標系是固定不變的，規定以屏幕中心為原點(diǎn)，面對顯示終端，向右為x正軸，向上為y正軸，向終端外面為z正軸。當前繪圖坐標系是繪制物體時(shí)的參考坐標系。仿真軟件完成初始化后，世界坐標系與當前繪圖坐標系是重合的。在調用glTranslatef、glRotate等變換函數對繪圖坐標系進(jìn)行平移和旋轉后，繪圖坐標系會(huì )在原來(lái)的基礎上做出相應改變。此時(shí)，若調用gluSphere、glVertex3f等繪圖函數，繪圖函數是在改變之后的繪圖坐標系上進(jìn)行繪制。如若要讓繪圖坐標系與世界坐標系再次重合，可以調用glLoadIdentity函數。此外，可以調用glColor3f(r，g，b)函數設置繪圖函數所使用的顏色，如果沒(méi)有再次調用該函數，則繪制出的圖形顏色將保持原先顏色不變，rgb三個(gè)顏色分量的取值范圍為0.0~1.0。

　　3 軟件框架

　　軟件框架及其處理流程如圖2所示，軟件仿真循環(huán)的處理流程如圖3所示，下面簡(jiǎn)述主要處理過(guò)程的實(shí)現思路及方法：

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