移動(dòng)機(jī)器人3D仿真軟件的設(shè)計(jì)

在機(jī)器人技術(shù)研究中，為了提高機(jī)器人控制算法的開(kāi)發(fā)效率，提出移動(dòng)機(jī)器人三維仿真軟件的設(shè)計(jì)方案并加以實(shí)現(xiàn)。該軟件采用ODE物理引擎生成動(dòng)力學(xué)世界和實(shí)現(xiàn)碰撞檢測(cè)，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?qū)ο蠹夹g(shù)實(shí)現(xiàn)，軟件操作簡(jiǎn)單，易于維護(hù)和功能擴(kuò)展;

　　(2)可以導(dǎo)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(xiàn)多個(gè)移動(dòng)操作，在每個(gè)運(yùn)動(dòng)方向都有加速度、減速度和最大速度等運(yùn)動(dòng)屬性;實(shí)現(xiàn)碰撞檢測(cè)、移動(dòng)機(jī)器人和虛擬場(chǎng)景的圖形化顯示;

　　(4)支持實(shí)時(shí)調(diào)試功能; 3D動(dòng)畫(huà)和仿真計(jì)算結(jié)果同步且真實(shí)對(duì)應(yīng);繪制仿真環(huán)境的二維地圖和物體運(yùn)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(shù)據(jù)庫(kù)相連，或通過(guò)Socket接口與外部設(shè)備相連，實(shí)現(xiàn)進(jìn)程之間的通信;

　　(6)軟件接口的多樣性和擴(kuò)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(shù)和仿真參數(shù)等;仿真數(shù)據(jù)的保存輸出。

　　其中，速度比例系數(shù)k=0.035，線速度單位為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(biāo)系的原點(diǎn)上。在對(duì)移動(dòng)機(jī)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(shù)，即長(zhǎng)、高、寬;對(duì)于圓柱而言，則需指定長(zhǎng)度和半徑2個(gè)參數(shù)。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(duì)象。軟件可以通過(guò)調(diào)用ODE內(nèi)部函數(shù)來(lái)檢測(cè)幾何體和對(duì)象的對(duì)應(yīng)關(guān)系，也有函數(shù)用于檢測(cè)對(duì)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(diào)用dBodyCreate函數(shù)創(chuàng)建出給定空間中的剛體對(duì)象,再調(diào)用dBodySetPosition和dBodySetRotation兩個(gè)函數(shù)，調(diào)整該對(duì)象在空間中的位姿,接著調(diào)用dMassSetBoxTotal和dBodySetMass兩個(gè)函數(shù)設(shè)定該對(duì)象的質(zhì)量屬性,最后調(diào)用dCreateBox函數(shù)創(chuàng)建相應(yīng)尺寸的盒子幾何體,并調(diào)用dGeomSetBody函數(shù)將該幾何體與對(duì)象關(guān)聯(lián)起來(lái)。

　　在創(chuàng)建出單個(gè)對(duì)象后，往往需要利用各種關(guān)節(jié)將不同對(duì)象連接起來(lái)。ODE物理引擎提供5種類(lèi)型的關(guān)節(jié)，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(jié)，滑竿柱型為插銷(xiāo)關(guān)節(jié)，鉸鏈2型則是帶有軸的關(guān)節(jié)，這些關(guān)節(jié)都有內(nèi)置的馬達(dá)。本文選用鉸鏈關(guān)節(jié)來(lái)連接驅(qū)動(dòng)輪和機(jī)器人車(chē)體，采用固定關(guān)節(jié)構(gòu)建機(jī)器人車(chē)體結(jié)構(gòu)。下面以使用鉸鏈關(guān)節(jié)連接兩個(gè)對(duì)象為例，說(shuō)明創(chuàng)建關(guān)節(jié)的方法。

　　在調(diào)用dJointCreateHinge函數(shù)創(chuàng)建鉸鏈關(guān)節(jié)對(duì)象后，再調(diào)用dJointAttach函數(shù)指定用該關(guān)節(jié)連接的兩個(gè)物體對(duì)象，然后調(diào)用dJointSetHingeAnchor函數(shù)設(shè)定旋轉(zhuǎn)軸的中心點(diǎn)坐標(biāo)，并調(diào)用dJointSetHingeAxis設(shè)定旋轉(zhuǎn)軸的方向。

　　為了讓剛體對(duì)象能夠在仿真環(huán)境中運(yùn)動(dòng)起來(lái)，ODE提供了3種方法： (1)調(diào)用dBodyAddForce、dBodyAddTorque等函數(shù)給剛體施加力的作用; (2)調(diào)用dJointSetHingeParam

　　函數(shù)來(lái)改變內(nèi)置馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，同時(shí)需指定該函數(shù)的第二個(gè)輸入?yún)?shù)為dParamVel; (3)調(diào)用dBodySetLinearVel和dBodySetAngularVel兩個(gè)函數(shù)直接給物體設(shè)定線速度和角速度。

　　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(tǒng): (1)通過(guò)設(shè)置ERP(Error Reduction Parameter)和CFM(Constraint Force Mixing)兩個(gè)參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，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(rèn)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(shù),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(shè)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(jié);

　　(3)將關(guān)節(jié)與物體綁定起來(lái),為所有的關(guān)節(jié)設(shè)置參數(shù);

　　(4)生成碰撞檢測(cè)空間，并為需要作碰撞檢測(cè)的物體生成碰撞幾何體;創(chuàng)建一個(gè)容納關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)組;

　　(5)循環(huán)處理過(guò)程:

　?、僭谖矬w上施加力;

　　②根據(jù)需要調(diào)整關(guān)節(jié)參數(shù);

　?、壅{(diào)用碰撞檢測(cè)，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(jié)，并將其放入關(guān)節(jié)組;

　?、輬?zhí)行一個(gè)仿真步驟;

　　⑥清空接觸關(guān)節(jié)組中的關(guān)節(jié);

　　(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(shè)置像素格式：設(shè)定OpenGL繪制風(fēng)格、顏色模式和顏色位數(shù)等重要信息。

　　(2)建立模型：根據(jù)基本圖元建立景物的三維模型，并對(duì)模型進(jìn)行數(shù)學(xué)描述。

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

　　(4)效果處理：設(shè)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(zhuǎn)化為可在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示的像素信息。

　　在繪制圖形時(shí)，需注意坐標(biāo)系的變換，否則很容易導(dǎo)致繪制失敗。OpenGL定義了兩個(gè)坐標(biāo)系：世界坐標(biāo)系和當(dāng)前繪圖坐標(biāo)系。世界坐標(biāo)系是固定不變的，規(guī)定以屏幕中心為原點(diǎn)，面對(duì)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(dāng)前繪圖坐標(biāo)系是繪制物體時(shí)的參考坐標(biāo)系。仿真軟件完成初始化后，世界坐標(biāo)系與當(dāng)前繪圖坐標(biāo)系是重合的。在調(diào)用glTranslatef、glRotate等變換函數(shù)對(duì)繪圖坐標(biāo)系進(jìn)行平移和旋轉(zhuǎn)后，繪圖坐標(biāo)系會(huì)在原來(lái)的基礎(chǔ)上做出相應(yīng)改變。此時(shí)，若調(diào)用gluSphere、glVertex3f等繪圖函數(shù)，繪圖函數(shù)是在改變之后的繪圖坐標(biāo)系上進(jìn)行繪制。如若要讓繪圖坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系再次重合，可以調(diào)用glLoadIdentity函數(shù)。此外，可以調(diào)用glColor3f(r，g，b)函數(shù)設(shè)置繪圖函數(shù)所使用的顏色，如果沒(méi)有再次調(diào)用該函數(shù)，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(xiàn)思路及方法：