船舶运动模拟器控制系统软件设计(附件)【字数：12411】
摘 要摘 要随着计算机成像技术的迅速发展，船舶模拟器和飞行模拟器已成为虚拟现实系统成功应用的范例。其中，六自由度船舶模拟器更是成为船舶模拟仿真领域的研究热点。通过软件仿真的方法，模拟船舶在不同海况下的运动位姿，分析船舶的运动规律，研究船舶的控制方法可以缩减研究的成本和周期，降低海上实验的风险。本文的主要研究对象是六自由度船舶模拟器仿真控制软件的设计与实现，软件根据用户输入的航行环境，船舶特性等参数经过船舶运动模型仿真出六自由度船舶运动学位置姿态参数，再通过求解其运动的反解并驱动虚拟平台执行仿真运动。本文首先对并联六自由度平台运动学进行分析，然后使用C++语言实现了其反解算法，最后基于OpenGL绘制的仿真平台能够针对不同的船舶运动数学模型快速地在三维场景中演示出模型的仿真效果。软件由船舶运动模型仿真模块，六自由度运动学解算，三维虚拟Stewart平台等部分组成，使用VC++语言编写，三维模型与场景的绘制由OpenGL完成。 关键词船舶；六自由度； 模拟器； 虚拟仿真
目 录
第一章 绪论 1
1.1背景及意义 1
1.2 相关技术研究现状 1
1.2.1并联机器人概述 1
1.2.2 Stewart平台模拟器 2
1.2.3 机器人系统建模与仿真 3
1.3本文主要内容 4
第二章 并联六自由度平台运动学分析 6
2.1 引言 6
2.2坐标系 6
2.3坐标变换 7
2.3.1 欧拉角 7
2.3.2 坐标变换 7
2.3.3 平台铰点坐标 8
2.4位置反解 9
2.5 速度与雅克比矩阵 9
第三章 基于OpenGL的六自由度平台仿真 11
3.1 引言 11
3.2 基于OpenGL的仿真 11
3.2.1 OpenGL简介 11
3.2.2 OpenGL三维仿真实现的方法 12
3.3 OpenGL仿真关键技术 13
3.3.1 OpenGL及相关库 13
3.3.2 数据类型定义 13
3.3.3 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
矩阵与变换 14
3.3.4 生成实体模型 17
3.4 基于OpenGL的六自由度平台仿真 17
3.4.1 程序框架 17
3.4.2 虚拟驱动 19
3.4.3 平台结构参数 20
3.4.4 模型实体绘制 21
第四章 船舶模拟器控制软件设计 24
4.1 引言 24
4.2 系统模块功能简介 24
4.2.1系统工作流程 24
4.2.2系统结构 25
4.3 船舶运动仿真 26
4.4 数据通信与存储 27
4.4.1 MAT文件存取 27
4.4.2数据库 28
4.5 运动学位置反解 28
4.5.1 C++语言实现 28
4.5.2 算法演示 29
4.6 平台仿真 30
结语 32
参考文献 33
致 谢 35
第一章 绪论
1.1背景及意义
船舶运动模拟器类型多样。按系统的自由度可分为为三自由度，四自由度，五自由度，六自由度。按系统结构可分成串联式和并联式两种。按平台的系统驱动方式可分为电动，气动和电液伺服驱动。六自由度具有多自由度，高刚度性，高精度性等特点，在船舶模拟仿真领域得到越来越广泛的关注与应用。
船舶在航行时，海浪和海流等海上环境扰动会导致船舶产生各种摇荡。如果将船舶视为刚体，可以将船舶的这种运动分解成沿三条相互垂直直线上的移动和绕三条直线的转动。实验室中，用六自由度平台的运动模拟船舶在不同海况下的运动位姿，研究船舶在海上受到环境干扰后的运动变化情况，以及用于培训船舶驾驶人员和对各种船用仪器设备的测试。
六自由度并联运动平台作为模拟船舶运动的执行机构，是船舶模拟器中重要的组成部分，它能够模拟出船舶在运行过程中的各种位姿，给船舶驾驶的真实感。因此研究六自由度船舶模拟器控制系统具有重要的现实意义。
1.2 相关技术研究现状
1.2.1并联机器人概述
Gough于1947年展示了具有闭环运动构型机构的基本原理。该机构平台可以随意定位和定向，满足测试轮胎抗磨损的需求。他还于1955年制造了一台原型机[1]。该机构动部件是一个六边形平台，六个顶点均通过球关节与连杆连接。连杆的另一端通过万向节连接到基座，驱动器通过改变连杆的长度控制平台的位姿变化，因此，该结构是由6个直线驱动的闭环运动链。该设备直到2000年才被淘汰[2]。
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图11 Gough平台。 图12 Stewart平台。
1965年，一个叫D.Stewart的工程师发表了那篇著名的论文[2]，引了广泛关注，从而奠定了他在空间并联机构研究领域的地位，论文中描述的平台也称为Stewart平台。该平台动部件是一个三角形平台，其顶点全部由球关节连接到下层机构。下层机构由两个呈三角形放置的滑杆组成。两个滑杆的一端通过旋转关节连接到一根垂直杆，且旋转关节绕这根垂直杆的轴线旋转。两个中的一根滑杆另一端由球关节连接到动平台，另一根通过旋转关节连接到第一根的中间。与串联机构相比，并联六自由度平台具有如下优点：误差小，精度高，刚度大，承载能力强，实时控制简易，响应速度快等。
当前国内外关于并联机器人的研究方向集中于运动学，机构学，动力学和控制策略等领域。研究并联机器人的动力学分析及控制策略是主要对其进行动力学建模和分析，并通过各种可能的控制算法对并联机器人加以控制，从而实现期望的控制要求。并联机器人的应用范围十分广泛，它可以用作航海上的船舶模拟器，航空上的飞行模拟器，航天上的飞船对接器，工业上还可以做装配机器人。可以预见这类并联机器人在21世纪应用前景将十分广阔。
1.2.2 Stewart平台模拟器
毫无疑问，D.Stewart的优秀论文曾对并联机构运动领域的后续发展有很大的影响。他提出关于六自由度平台的许多建议，其中有许多成为了在后来看来的准确的预测。但早在1962年，Franklin研究所名叫Klaus Cappel的工程师承担的改造MAST任务。他采用了与Gough相同的八面体配置[3]。该设备与1967年获得专利。此外，还根据Sikorsky飞机公司要求设计和制造了一台6自由度的直升机模拟器。在最初提出Stewart平台之后，人们陆续研发出了大量的并联机器用于飞行模拟。
目 录
第一章 绪论 1
1.1背景及意义 1
1.2 相关技术研究现状 1
1.2.1并联机器人概述 1
1.2.2 Stewart平台模拟器 2
1.2.3 机器人系统建模与仿真 3
1.3本文主要内容 4
第二章 并联六自由度平台运动学分析 6
2.1 引言 6
2.2坐标系 6
2.3坐标变换 7
2.3.1 欧拉角 7
2.3.2 坐标变换 7
2.3.3 平台铰点坐标 8
2.4位置反解 9
2.5 速度与雅克比矩阵 9
第三章 基于OpenGL的六自由度平台仿真 11
3.1 引言 11
3.2 基于OpenGL的仿真 11
3.2.1 OpenGL简介 11
3.2.2 OpenGL三维仿真实现的方法 12
3.3 OpenGL仿真关键技术 13
3.3.1 OpenGL及相关库 13
3.3.2 数据类型定义 13
3.3.3 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
矩阵与变换 14
3.3.4 生成实体模型 17
3.4 基于OpenGL的六自由度平台仿真 17
3.4.1 程序框架 17
3.4.2 虚拟驱动 19
3.4.3 平台结构参数 20
3.4.4 模型实体绘制 21
第四章 船舶模拟器控制软件设计 24
4.1 引言 24
4.2 系统模块功能简介 24
4.2.1系统工作流程 24
4.2.2系统结构 25
4.3 船舶运动仿真 26
4.4 数据通信与存储 27
4.4.1 MAT文件存取 27
4.4.2数据库 28
4.5 运动学位置反解 28
4.5.1 C++语言实现 28
4.5.2 算法演示 29
4.6 平台仿真 30
结语 32
参考文献 33
致 谢 35
第一章 绪论
1.1背景及意义
船舶运动模拟器类型多样。按系统的自由度可分为为三自由度，四自由度，五自由度，六自由度。按系统结构可分成串联式和并联式两种。按平台的系统驱动方式可分为电动，气动和电液伺服驱动。六自由度具有多自由度，高刚度性，高精度性等特点，在船舶模拟仿真领域得到越来越广泛的关注与应用。
船舶在航行时，海浪和海流等海上环境扰动会导致船舶产生各种摇荡。如果将船舶视为刚体，可以将船舶的这种运动分解成沿三条相互垂直直线上的移动和绕三条直线的转动。实验室中，用六自由度平台的运动模拟船舶在不同海况下的运动位姿，研究船舶在海上受到环境干扰后的运动变化情况，以及用于培训船舶驾驶人员和对各种船用仪器设备的测试。
六自由度并联运动平台作为模拟船舶运动的执行机构，是船舶模拟器中重要的组成部分，它能够模拟出船舶在运行过程中的各种位姿，给船舶驾驶的真实感。因此研究六自由度船舶模拟器控制系统具有重要的现实意义。
1.2 相关技术研究现状
1.2.1并联机器人概述
Gough于1947年展示了具有闭环运动构型机构的基本原理。该机构平台可以随意定位和定向，满足测试轮胎抗磨损的需求。他还于1955年制造了一台原型机[1]。该机构动部件是一个六边形平台，六个顶点均通过球关节与连杆连接。连杆的另一端通过万向节连接到基座，驱动器通过改变连杆的长度控制平台的位姿变化，因此，该结构是由6个直线驱动的闭环运动链。该设备直到2000年才被淘汰[2]。
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图11 Gough平台。 图12 Stewart平台。
1965年，一个叫D.Stewart的工程师发表了那篇著名的论文[2]，引了广泛关注，从而奠定了他在空间并联机构研究领域的地位，论文中描述的平台也称为Stewart平台。该平台动部件是一个三角形平台，其顶点全部由球关节连接到下层机构。下层机构由两个呈三角形放置的滑杆组成。两个滑杆的一端通过旋转关节连接到一根垂直杆，且旋转关节绕这根垂直杆的轴线旋转。两个中的一根滑杆另一端由球关节连接到动平台，另一根通过旋转关节连接到第一根的中间。与串联机构相比，并联六自由度平台具有如下优点：误差小，精度高，刚度大，承载能力强，实时控制简易，响应速度快等。
当前国内外关于并联机器人的研究方向集中于运动学，机构学，动力学和控制策略等领域。研究并联机器人的动力学分析及控制策略是主要对其进行动力学建模和分析，并通过各种可能的控制算法对并联机器人加以控制，从而实现期望的控制要求。并联机器人的应用范围十分广泛，它可以用作航海上的船舶模拟器，航空上的飞行模拟器，航天上的飞船对接器，工业上还可以做装配机器人。可以预见这类并联机器人在21世纪应用前景将十分广阔。
1.2.2 Stewart平台模拟器
毫无疑问，D.Stewart的优秀论文曾对并联机构运动领域的后续发展有很大的影响。他提出关于六自由度平台的许多建议，其中有许多成为了在后来看来的准确的预测。但早在1962年，Franklin研究所名叫Klaus Cappel的工程师承担的改造MAST任务。他采用了与Gough相同的八面体配置[3]。该设备与1967年获得专利。此外，还根据Sikorsky飞机公司要求设计和制造了一台6自由度的直升机模拟器。在最初提出Stewart平台之后，人们陆续研发出了大量的并联机器用于飞行模拟。
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