基于VRML和MATLAB设计3D含阻尼单摆实验
基于VRML和MATLAB设计3D含阻尼单摆实验[20200406140418]
摘 要
本文首先介绍了VRML/Matlab技术的发展史。随后，基于VRML/Simulink技术，设计了一个摆幅和阻尼系数可控的3D单摆计算机仿真模型。应用该模型研究了较大摆幅和存在阻尼时的单摆的摆动情况。最后，我们对本文所做的工作做了总结和展望。
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关键字:VRMLSimulink单摆仿真
目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题简介 1
1.2 Matlab简介 2
1.3 VRML和3D模型 2
1.3.1 计算机3D模型制作的主要工具 3
1.3.2 VRML的应用 3
1.3.3 VRML的编辑环境和模式 3
1.3.4 3D仿真和计算机辅助教学的应用案例 4
1.4SIMULINK和GUI简介 4
1.5本文的主要安排 5
第二章 可控3D含阻尼单摆的实现 6
2.1 VRML设计3D单摆模型 6
2.2 Simulink控制3D单摆的运动 8
2.3 GUI的设计 10
2.4运行和测试 11
2.5总结和展望 12
参考文献 13
致谢 14
附录：GUI设计的源代码 15
第一章 绪论
1.1 课题简介
物理学是一门基于实验的学科。但是受到场地和仪器数量的客观限制，大学生们能实际操作实验的机会较少。在不增加实验室负担的前提下，设置一定数量的虚拟实验是一个比较好的解决方案。国内许多知名的高校都在不断研发、改进物理虚拟实验室[1-2]。《大学物理实验》是大学理工类学生必修的一门实验课程。在实际教学中，如下问题逐渐凸显：（1）实验教师及仪器不足；（2）实验仪器精度高结构复杂，故障维修困难；（3）实验室开放时间有限，实验仪器使用率过高；（3）学生预习不充分，容易造成仪器损坏。 在计算机中模拟物理实验，可以克服上述问题。 运用VRML语言建立3D仿真单摆模型，并用MATLAB进行控制，可以构建出一些试验仪，并可以进行虚拟的实验控制。
在虚拟现实技术的基础之上，可以事先在计算机上建立起一个虚拟的实验室，广大的学习者们就可以利用这个虚拟实验室进行实验的操作研究了，当然他们操作的结果也是可以通过仪表仪器显示出来的，从而反馈给学生来判断操作是否正确。这种实验方法既不需要消耗器材，也不用担心场地之类的问题，而且用户可以反复的操作练习实验，直到他们能得到自己满意的结果。所以运用基于VRML的虚拟现实技术到实验教学中是明智的，不但减少了教学成本，而且提高了学习者的学习兴趣和学习效果，使整个实验的学习都科技化了。当老师遇到常规实验条件下，例如课堂上或者不具备相应条件的实验室，很难演示出其希望得到的效果的实验的时候，教师会让学生通过阅读文字以及课本上的平面图示来学习，具备较好计算机能力的老师会采用一些二维多媒体设计软件如几何画板、Flash、等进行模拟演示给学生们看。对于第一种方法一般情况下学生对所要学习的内容的认知是很不清晰的，学生甚至有可能对他们不熟悉的文字产生理解上的歧义；对于第二种方法，通过二维多媒体设计软件来演示实验具备不少优点，但仅仅凭借二维设计远远不能满足学习者的需求，这个时候这种二维多媒体的教学就不能很好的跟学习者们进行交互了，亦不能很好的帮助学习者们正确认知知识点。因此，针对上述问题，利用虚拟现实（即VR）技术来建立三维的实验，并逐渐改进，增加其完善性、系统性，最终使每个参与者都可以身临其境般进行交互式物理实验、观察探索物理规律，就显非常有意义了。
目前国内的高校普遍都在大规模扩招，学生人数越来越多，不断增长，普通实验室的规模根本不能满足日常实验教学的需要了。再加上常规实验设备逐渐老化，实验技术层次比较落后是目前各大高校实验室普遍存在的问题。在这个实验经费紧缺的时候，显然大规模采购昂贵的物理实验器材将会大大加重财政负担。加上受到地区、时间、实验方式等方面的限制，显然传统的实验教学方式已经不能适应新时代的教育要求了。这个时候就需要虚拟实验来解决这些难题了，虚拟实验是对传统实验教学模式的改革，其促使实验教学由实物实验教学向虚拟实验教学提升，可以解决传统实验教学种种弊端所带来的困扰。因此虚拟实验具有以下优点：1．实验科学性；2．实验的虚拟可实现性；3．生动性；4．实验的可控性与可重复性；5．节省性。所以运用虚拟实验技术来进行实验，显然是各大高校进行实验的发展趋势。
本文的主要目标，就是运用VRML语言建立3D单摆模型；用MATLAB/Simulink进行数值计算从而控制单摆模型的运动，最后通过GUI的设计来控制单摆参数，观察单摆运动的变化。
1.2 Matlab简介
Matlab是目前应用极为广泛、功能非常强大的技术算、模拟仿真软件。由Mathworks公司研发。矩阵是 Matlab的基本数据单位。由于其计算能力强，操作界面简洁，并且内置大量常用函数方便仿真和计算，受到了很多用户的青睐。在世界上同类功能软件中占据主导地位。
把MATrix和LABoratory两个词组合起来就成了Matlab的名字。上世纪八十年代，两位合伙人共同创立Mathworks公司， 预示着Matlab正式走向市场。Matlab的系统内部就规定以C语言作为基本语言。随着Matlab版本的更迭，除了原先以数学计算为主的功能外，它还额外的加入了数据图示，仿真等功能。
Matlab以产品的形式出现后，在短短几年的时间里就其自身的开放性优点以及易于操作性优点，逐渐掩盖了其他同类型的功能软件风头，在九十年代初，Matlab在国际公认的计算机标准软件中占据一席之地。
1.3 VRML和3D模型
VRML（全称：Virtual Reality Modeling Language）是虚拟现实造型语言的简称，从本质上定义，它是一种面向对象的三维造型语言，并且它也是一种解释性的语言。VRML的优点是代码模块小、方便传播，并且其解释与平台无关。所以用VRML创建的三维物体，可以比较方便地在带宽一般的网上传播，而不需要过强的网络支持。
VRML的对象称为结点，通过将子结点集合，可以制作出复杂的景和物。虚拟世界中不乏相似的实物，VRML结点可以通过实例得到复用。我们既可以为结点实例定义名字，也可以对这些结点实例进行动态定义，继而可建立动态虚拟世界[14-15]。
3D模型就是立体的、三维的模型结构。3D模型区别与2D模型，我们可以全方位观察3D模型。
1.3.1 计算机3D模型制作的主要工具
建立三维模型比较常见的工具有VRML语言、3D MAX、MAYA等工具。VRML语言简单，便于控制和交互[3-4]。本文即采用VRML进行建模。VRML语言除了可以实现3D场景，还可以实现3D动画和人机交互。
1.3.2 VRML的应用
VRML可以被广泛运用于生产生活中的各个领域。并带来较好经济效益。VRML用一个全新的三维世界取代了过去只有平面层次的互联网，让真实世界或者我们脑海中想象事物在虚拟的世界里获得重现。
1.3.3 VRML的编辑环境和模式
VRML程序是基于ASCII码描述的程序语言(类似于HTML)，一般具有文本编辑功能的编辑器都可以用来对VRML其进行编辑。（比如写字板WorldPad，记事本NotePad等）
VRML文件的扩展名必须是.wrl或者.wrz，不然浏览器是没有办法进行识别的编辑VRML语言亦可使用VRMLPad直接编写源代码，在VRML开发工具中VRMLPad是基于文本格式的并且支持即时预览，可以在VRML中进行代码下载、编辑代码、预览和调试等功能，在VRML源代码编辑的众多工具中，它属于佼佼者。我们在设计和开发专业的VRML工具时，可以运用它的功能来辅助开发，可以通过它在互联网建立一个VRML世界。利用一个双重窗口，按钮驱动界面能够让操作者方便调用编辑函数。其还具有修改远程和本地文件，色彩语法译码，错误提示，分层结构的功能，还有一个引导用户发布在线工具和一个预览窗口。下图展示的是VRMLPad编辑环境界面：
摘 要
本文首先介绍了VRML/Matlab技术的发展史。随后，基于VRML/Simulink技术，设计了一个摆幅和阻尼系数可控的3D单摆计算机仿真模型。应用该模型研究了较大摆幅和存在阻尼时的单摆的摆动情况。最后，我们对本文所做的工作做了总结和展望。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:VRMLSimulink单摆仿真
目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题简介 1
1.2 Matlab简介 2
1.3 VRML和3D模型 2
1.3.1 计算机3D模型制作的主要工具 3
1.3.2 VRML的应用 3
1.3.3 VRML的编辑环境和模式 3
1.3.4 3D仿真和计算机辅助教学的应用案例 4
1.4SIMULINK和GUI简介 4
1.5本文的主要安排 5
第二章 可控3D含阻尼单摆的实现 6
2.1 VRML设计3D单摆模型 6
2.2 Simulink控制3D单摆的运动 8
2.3 GUI的设计 10
2.4运行和测试 11
2.5总结和展望 12
参考文献 13
致谢 14
附录：GUI设计的源代码 15
第一章 绪论
1.1 课题简介
物理学是一门基于实验的学科。但是受到场地和仪器数量的客观限制，大学生们能实际操作实验的机会较少。在不增加实验室负担的前提下，设置一定数量的虚拟实验是一个比较好的解决方案。国内许多知名的高校都在不断研发、改进物理虚拟实验室[1-2]。《大学物理实验》是大学理工类学生必修的一门实验课程。在实际教学中，如下问题逐渐凸显：（1）实验教师及仪器不足；（2）实验仪器精度高结构复杂，故障维修困难；（3）实验室开放时间有限，实验仪器使用率过高；（3）学生预习不充分，容易造成仪器损坏。 在计算机中模拟物理实验，可以克服上述问题。 运用VRML语言建立3D仿真单摆模型，并用MATLAB进行控制，可以构建出一些试验仪，并可以进行虚拟的实验控制。
在虚拟现实技术的基础之上，可以事先在计算机上建立起一个虚拟的实验室，广大的学习者们就可以利用这个虚拟实验室进行实验的操作研究了，当然他们操作的结果也是可以通过仪表仪器显示出来的，从而反馈给学生来判断操作是否正确。这种实验方法既不需要消耗器材，也不用担心场地之类的问题，而且用户可以反复的操作练习实验，直到他们能得到自己满意的结果。所以运用基于VRML的虚拟现实技术到实验教学中是明智的，不但减少了教学成本，而且提高了学习者的学习兴趣和学习效果，使整个实验的学习都科技化了。当老师遇到常规实验条件下，例如课堂上或者不具备相应条件的实验室，很难演示出其希望得到的效果的实验的时候，教师会让学生通过阅读文字以及课本上的平面图示来学习，具备较好计算机能力的老师会采用一些二维多媒体设计软件如几何画板、Flash、等进行模拟演示给学生们看。对于第一种方法一般情况下学生对所要学习的内容的认知是很不清晰的，学生甚至有可能对他们不熟悉的文字产生理解上的歧义；对于第二种方法，通过二维多媒体设计软件来演示实验具备不少优点，但仅仅凭借二维设计远远不能满足学习者的需求，这个时候这种二维多媒体的教学就不能很好的跟学习者们进行交互了，亦不能很好的帮助学习者们正确认知知识点。因此，针对上述问题，利用虚拟现实（即VR）技术来建立三维的实验，并逐渐改进，增加其完善性、系统性，最终使每个参与者都可以身临其境般进行交互式物理实验、观察探索物理规律，就显非常有意义了。
目前国内的高校普遍都在大规模扩招，学生人数越来越多，不断增长，普通实验室的规模根本不能满足日常实验教学的需要了。再加上常规实验设备逐渐老化，实验技术层次比较落后是目前各大高校实验室普遍存在的问题。在这个实验经费紧缺的时候，显然大规模采购昂贵的物理实验器材将会大大加重财政负担。加上受到地区、时间、实验方式等方面的限制，显然传统的实验教学方式已经不能适应新时代的教育要求了。这个时候就需要虚拟实验来解决这些难题了，虚拟实验是对传统实验教学模式的改革，其促使实验教学由实物实验教学向虚拟实验教学提升，可以解决传统实验教学种种弊端所带来的困扰。因此虚拟实验具有以下优点：1．实验科学性；2．实验的虚拟可实现性；3．生动性；4．实验的可控性与可重复性；5．节省性。所以运用虚拟实验技术来进行实验，显然是各大高校进行实验的发展趋势。
本文的主要目标，就是运用VRML语言建立3D单摆模型；用MATLAB/Simulink进行数值计算从而控制单摆模型的运动，最后通过GUI的设计来控制单摆参数，观察单摆运动的变化。
1.2 Matlab简介
Matlab是目前应用极为广泛、功能非常强大的技术算、模拟仿真软件。由Mathworks公司研发。矩阵是 Matlab的基本数据单位。由于其计算能力强，操作界面简洁，并且内置大量常用函数方便仿真和计算，受到了很多用户的青睐。在世界上同类功能软件中占据主导地位。
把MATrix和LABoratory两个词组合起来就成了Matlab的名字。上世纪八十年代，两位合伙人共同创立Mathworks公司， 预示着Matlab正式走向市场。Matlab的系统内部就规定以C语言作为基本语言。随着Matlab版本的更迭，除了原先以数学计算为主的功能外，它还额外的加入了数据图示，仿真等功能。
Matlab以产品的形式出现后，在短短几年的时间里就其自身的开放性优点以及易于操作性优点，逐渐掩盖了其他同类型的功能软件风头，在九十年代初，Matlab在国际公认的计算机标准软件中占据一席之地。
1.3 VRML和3D模型
VRML（全称：Virtual Reality Modeling Language）是虚拟现实造型语言的简称，从本质上定义，它是一种面向对象的三维造型语言，并且它也是一种解释性的语言。VRML的优点是代码模块小、方便传播，并且其解释与平台无关。所以用VRML创建的三维物体，可以比较方便地在带宽一般的网上传播，而不需要过强的网络支持。
VRML的对象称为结点，通过将子结点集合，可以制作出复杂的景和物。虚拟世界中不乏相似的实物，VRML结点可以通过实例得到复用。我们既可以为结点实例定义名字，也可以对这些结点实例进行动态定义，继而可建立动态虚拟世界[14-15]。
3D模型就是立体的、三维的模型结构。3D模型区别与2D模型，我们可以全方位观察3D模型。
1.3.1 计算机3D模型制作的主要工具
建立三维模型比较常见的工具有VRML语言、3D MAX、MAYA等工具。VRML语言简单，便于控制和交互[3-4]。本文即采用VRML进行建模。VRML语言除了可以实现3D场景，还可以实现3D动画和人机交互。
1.3.2 VRML的应用
VRML可以被广泛运用于生产生活中的各个领域。并带来较好经济效益。VRML用一个全新的三维世界取代了过去只有平面层次的互联网，让真实世界或者我们脑海中想象事物在虚拟的世界里获得重现。
1.3.3 VRML的编辑环境和模式
VRML程序是基于ASCII码描述的程序语言(类似于HTML)，一般具有文本编辑功能的编辑器都可以用来对VRML其进行编辑。（比如写字板WorldPad，记事本NotePad等）
VRML文件的扩展名必须是.wrl或者.wrz，不然浏览器是没有办法进行识别的编辑VRML语言亦可使用VRMLPad直接编写源代码，在VRML开发工具中VRMLPad是基于文本格式的并且支持即时预览，可以在VRML中进行代码下载、编辑代码、预览和调试等功能，在VRML源代码编辑的众多工具中，它属于佼佼者。我们在设计和开发专业的VRML工具时，可以运用它的功能来辅助开发，可以通过它在互联网建立一个VRML世界。利用一个双重窗口，按钮驱动界面能够让操作者方便调用编辑函数。其还具有修改远程和本地文件，色彩语法译码，错误提示，分层结构的功能，还有一个引导用户发布在线工具和一个预览窗口。下图展示的是VRMLPad编辑环境界面：
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