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装甲车虚拟现实驾驶训练系统技术的研究

作　者: 韩晓明
导　师: 杨萍
学　校: 兰州理工大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 虚拟现实技术装甲车虚拟驾驶 ODE仿真人机交互
分类号: TP391.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

虚拟现实是在计算机技术支持下的一种人工环境,是人类与计算机和极其复杂的数据进行交互的一种技术。其在军事上的应用尤为广泛,装甲车驾驶模拟系统是建立在装甲车运动学基础上的装甲车运动仿真设备,集合了虚拟现实技术、三维实时渲染技术、计算机图形学技术、计算机接口技术和多媒体等先进技术。利用虚拟驾驶系统,可以进行“人-车-环境”闭环系统的研究,为装甲车设计、性能改进,道路仿真和驾驶员行为的研究提供方便;利用系统进行驾驶训练,可以减少污染和排放,提高培训效率。本文针对装甲车虚拟驾驶训练现实系统,提出以沉浸式虚拟现实技术为基础,通过对系统性能及其要求进行分析,以Quest3D程序设计语言为系统的开发语言,采用DirectX9.0为系统图形引擎,构建虚拟驾驶系统的整体功能框架和功能模块,对装甲车虚拟驾驶系统进行研究与开发。首先,基于虚拟现实理论,利用贴图渲染的方法进行装甲车虚拟驾驶训练现实系统虚拟场景的三维实体建模,规划设计了三维驾驶场景,应用面向对象建模方法,建立了虚拟驾驶系统行人的模型。应用面向对象的建模方法,在虚拟驾驶系统装甲车的模型基础上,根据装甲车运动的规律,构建了虚拟操控装置,利用Quest3D中ODE(Open Dynamics Engine)物理模拟引擎建立了装甲车运动学模型。基于人机交互技术,利用数据手套,配合虚拟操纵杆,操控车辆在虚拟场景中运动。应用沉浸式虚拟现实技术,实现了虚拟驾驶系统的场景调度。配合立体头盔显示器,实现了体视变换算法,生成了立体图像。配合位置跟踪器,成功开发了主动式、训练型的装甲车虚拟驾驶系统。

全文目录

摘要  8-9
Abstract  9-11
插图索引  11-13
附表索引  13-14
第1章绪论  14-22
  1.1 研究背景  14-15
  1.2 国内外军事上发展现状  15-20
    1.2.1 虚拟现实技术在军事领域上的应用  15-16
      1.2.1.1 虚拟战场环境  15
      1.2.1.2 军事训练  15-16
      1.2.1.3 作战方案的制定  16
      1.2.1.4 虚拟军用地图  16
    1.2.2 虚拟仿真技术在美国军事上应用现状  16-18
    1.2.3 虚拟仿真技术在我国军事上应用研究现状  18-19
    1.2.4 我军的立体模拟虚拟仿真训练系统分类  19
    1.2.5 我军建立立体模拟虚拟仿真训练系统硬件和软件趋势  19-20
  1.3 课题研究意义  20
  1.4 本文的研究内容  20-21
  1.5 本文解决的关键性问题  21-22
第2章基于DirectX 的装甲车虚拟驾驶系统的架构  22-29
  2.1 虚拟驾驶系统的关键技术  22-23
  2.2 沉浸式虚拟现实技术及应用  23-27
    2.2.1 虚拟现实技术  23
    2.2.2 沉浸式虚拟现实技术  23-25
    2.2.3 沉浸感生成的技术基础  25-26
    2.2.4 影响沉浸式虚拟现实系统的主要因素  26-27
  2.3 开发环境的构建  27-28
  2.4 本章小结  28-29
第3章装甲车虚拟驾驶系统视景的设计  29-39
  3.1 装甲车虚拟驾驶系统虚拟场景的建模  30-32
  3.2 装甲步兵战车的虚拟驾驶系统三维地形的建模与渲染  32-34
  3.3 装甲车虚拟驾驶系统中行人的运动设计  34-36
  3.4 虚拟摄像机  36-37
  3.5 本章小结  37-39
第4章装甲车的三维建模与运动仿真  39-57
  4.1 装甲车三维模型的创建  40-42
  4.2 装甲车驾驶室座椅的评价指标体系的建立  42-46
  4.3 虚拟车辆类面向对象的设计  46-49
  4.4 装甲车的运动模型及车辆运动设计  49-56
    4.4.1 ODE 运动仿真  51-54
      4.4.1.1 ODE 连接  51-52
      4.4.1.2 ODE 连接规则  52
      4.4.1.3 ODE 命令  52
      4.4.1.4 ODE 信息  52-54
    4.4.2 行车音效的设计  54-56
    4.4.3 碰撞干涉  56
  4.5 本章小结  56-57
第5章虚拟驾驶系统的实现  57-72
  5.1 位置跟踪器在装甲车虚拟驾驶系统中的使用  57-61
    5.1.1 主流位置跟踪器的介绍  57
    5.1.2 位置跟踪器误差分析及解决方案  57-59
      5.1.2.1 角度输出模式选择  58
      5.1.2.2 传感器跳象  58
      5.1.2.3 金属环境的影响  58-59
      5.1.2.4 电磁干扰  59
      5.1.2.5 初始值误差  59
    5.1.3 位置跟踪器通用数据滤波算法  59-61
  5.2 立体头盔显示器在装甲车虚拟驾驶系统中的使用  61-64
    5.2.1 立体头盔显示器的工作原理  61-62
    5.2.2 头盔显示器的发展简介  62-63
    5.2.3 头盔显示器在军事上的应用  63
    5.2.4 头盔显示器在战车驾驶员训练方面的应用  63-64
  5.3 数据手套在装甲车虚拟驾驶系统中的使用  64-66
    5.3.1 数据手套的工作原理  64-65
    5.3.2 虚拟实体的拾取  65
    5.3.3 控制虚拟实体状态变化  65-66
  5.4 Quest3D 与虚拟外设的接口设计  66-69
  5.5 驾驶仿真测试  69-71
  5.6 本章小结  71-72
总结与展望  72-73
参考文献  73-76
致谢  76-77
附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录  77

装甲车虚拟现实驾驶训练系统技术的研究

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