本文關(guān)鍵詞：基于虛擬現(xiàn)實(shí)的滑雪模擬器系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研制　出處：《北京交通大學(xué)》2017年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：隨著虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)技術(shù)的迅速發(fā)展,在滑雪模擬器系統(tǒng)開發(fā)的過程中逐漸引入了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。滑雪模擬器作為一種能夠正確模擬滑雪動(dòng)作的仿真設(shè)備,不僅能對(duì)滑雪運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行訓(xùn)練、縮短培訓(xùn)周期,還能以新的傳播方式向民眾普及和推廣冬季體育運(yùn)動(dòng)。目前國內(nèi)的滑雪模擬器大多只停留在簡(jiǎn)單的機(jī)械運(yùn)動(dòng)上,存在系統(tǒng)操作復(fù)雜、使用壽命短、用戶體驗(yàn)差等問題。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)則為滑雪仿真平臺(tái)提供了新的解決方案。本文針對(duì)滑雪模擬器的運(yùn)動(dòng)特性和實(shí)際應(yīng)用的需要,對(duì)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的滑雪模擬器系統(tǒng)進(jìn)行了分析與研制工作,研究成果具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。全文的主要研究內(nèi)容如下:1.研究了滑雪模擬器設(shè)計(jì)原則以及技術(shù)指標(biāo),結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)確定了滑雪模擬器總體設(shè)計(jì)方案,提出了以三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為主要硬件平臺(tái)的滑雪模擬器系統(tǒng)。該結(jié)構(gòu)剛度好、易于控制且有良好的靈活性,可以實(shí)現(xiàn)模擬滑雪動(dòng)作的功能。2.對(duì)三自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析,采用空間姿態(tài)角表示方法建立了運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)而推導(dǎo)出其運(yùn)動(dòng)學(xué)反解公式。通過改變?nèi)齻�(gè)支撐桿的長度實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)的的運(yùn)動(dòng),仿真結(jié)果顯示所設(shè)計(jì)的平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)滑雪運(yùn)動(dòng)中的俯仰、滾動(dòng)以及垂直升降的姿態(tài)。3.研究了電動(dòng)缸伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制特性,對(duì)所選型號(hào)電機(jī)和傳動(dòng)裝置建立了相對(duì)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型,采用PID算法對(duì)其進(jìn)行控制并結(jié)合三自由度平臺(tái)進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果顯示伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有良好的控制性能。4.采用模塊化的思想,對(duì)滑雪模擬器平臺(tái)控制系統(tǒng)的軟件架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),包括與VR上位機(jī)的通訊接口設(shè)計(jì),將控制系統(tǒng)分為電機(jī)設(shè)定模塊、電機(jī)控制模塊、傳感器數(shù)據(jù)模塊、電機(jī)狀態(tài)模塊、電機(jī)狀態(tài)模塊、運(yùn)動(dòng)軸實(shí)時(shí)位置模塊、通訊數(shù)據(jù)模塊以及數(shù)據(jù)記錄模塊。測(cè)試結(jié)果顯示整個(gè)控制系統(tǒng)功能完善,具有友好的通信接口和人機(jī)交互功能。此外,為了驗(yàn)證滑雪模擬器系統(tǒng)的正確性,對(duì)重力傳感器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等設(shè)備進(jìn)行了標(biāo)定實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)備在精度以及響應(yīng)速度方面均滿足要求;還結(jié)合虛擬視景系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)測(cè)試,測(cè)試結(jié)果顯示滑雪模擬器系統(tǒng)滑雪體驗(yàn)性能良好,符合設(shè)計(jì)要求,并已成功在國家科技館安裝投入使用。
[Abstract]:With the rapid development of virtual reality (VRV) technology, the virtual reality technology has been introduced into the development of ski simulator system. Not only can we train skiers, shorten the training cycle, but also popularize and popularize winter sports to the public in a new way. At present, most of the domestic skiing simulators only stay on the simple mechanical movement. The operation of the system is complicated and the service life is short. Virtual reality technology provides a new solution for the ski simulation platform. This paper aims at the motion characteristics of ski simulator and the needs of practical application. This paper analyzes and develops the ski simulator system based on virtual reality technology. The research results have practical application value. The main research contents are as follows: 1. The design principle and technical index of ski simulator are studied, and the overall design scheme of ski simulator is determined with virtual reality technology. A skiing simulator system with three degrees of freedom parallel mechanism as the main hardware platform is proposed, which has good stiffness, easy control and good flexibility. It can realize the function of simulating ski movement. 2. The structure of three-degree-of-freedom motion platform is analyzed. The mathematical model of the motion platform is established by using the spatial attitude angle representation method and the inverse kinematics solution formula is derived. The motion of the platform is realized by changing the length of the three supporting rods. Simulation results show that the designed platform can achieve the pitching, rolling and vertical lifting attitude. 3. The control characteristics of electric cylinder servo drive system are studied. A relatively simple mathematical model is established for the selected type of motor and transmission device. The PID algorithm is used to control the system and the simulation results show that the servo drive system has good control performance. 4. The idea of modularization is adopted. The software architecture of the platform control system of ski simulator is designed, including the design of communication interface with VR PC. The control system is divided into motor setting module, motor control module and sensor data module. Motor state module, motor state module, moving shaft real-time position module, communication data module and data recording module. The test results show that the whole control system function is perfect. In addition, in order to verify the correctness of the ski simulator system, calibration experiments on gravity sensor, servo drive system and other equipment are carried out. The experimental results show that the accuracy and response speed of the equipment meet the requirements. The test results show that the ski simulator system has good performance and meets the design requirements, and has been successfully installed in the National Science and Technology Museum.
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TP391.9;G863.1

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本文編號(hào)：1378990