基于VR和移动机器人的三维空间探测研究

论文摘要

三维探测技术是随着20世纪60年代第一台三坐标测量机的出现而逐渐发展成熟起来的,现在已经涉及到应用光学、电子技术、控制技术、新材料技术、计算机技术等诸多技术领域,并在机器人视觉、自动加工、工业检测、产品质量控制、实物仿形、生物和医学等领域有着广阔的应用前景。虚拟现实技术是在计算机图形学、图像处理与识别、计算机仿真技术、人机接口技术、实时分布处理技术、数据库技术、多媒体技术、多传感器技术和人的行为学研究等学科的基础上发展起来的一门交叉科学技术。本文以三维空间探测方法和理论为核心,将虚拟现实技术和机器人遥操作系统结合起来,通过对移动机器人远距离遥操作实现对三维空间的探测,并将空间信息传输到对应的虚拟现实系统进行研究与开发。采用分立式超声波传感器以保证测距的精度和稳定性,以及达到减小测距盲区的目的。利用三对超声波传感器依次对三维空间进行探测,保证空间信息的完整性和探测空间的快速性。利用虚拟现实技术实现探测过程中的人机交互,并在虚拟现实界面中实现实时三维地图的生成。在探测过程中,操作人员可以控制机器人物理样机和数字样机协同运动,并在虚拟环境中添加环绕摄像机,达到从各个角度观察三维环境的目的,这是单一的视频反馈所不能达到的监控效果。本文的主要研究内容有：(1)简述三维空间探测的现状和主要方法以及虚拟现实技术的基本特点和应用领域,说明了在遥操作系统中应用数字样机技术的必要性和重要意义。(2)完成以超声波为测量方法的三维空间探测系统的构建,给出了三维空间探测的算法分析。(3)分析了超声波测距的电路,初步焊制了超声波测距电路板。(4)利用SolidWorks软件建立移动机器人三维实体模型,并导入到Virtools软件中初步建立虚拟环境,给出了数字样机与物理机同步运动的总体设计方案。(5)利用Arduino编程实现了通过单片机对移动机器人运动的控制及对测距电路的控制。(6)推导了物理环境中的坐标转换到虚拟环境中的公式,并在虚拟环境中实现了三维地图的实时生成。(7)通过实验验证了以上理论的正确性和可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 相关技术以及其特点与应用
• 1.2.1 虚拟现实技术及其应用方面现状
• 1.2.2 三维空间探测技术
• 1.2.3 虚拟现实与移动机器人遥操作技术在三维探测中的应用
• 1.3 课题研究目的和理论意义
• 1.3.1 课题研究目的
• 1.3.2 课题研究的理论意义及实际应用价值
• 1.4 主要研究任务和目标
• 1.5 本章小结
• 第2章 三维空间探测的理论方法研究
• 2.1 三维探测技术选择
• 2.2 三维空间探测算法分析
• 2.2.1 水平方向探测的算法分析
• 2.2.2 竖直方向探测的算法分析
• 2.2.3 探测目标的定位与坐标变换
• 2.3 本章小结
• 第3章 三维空间探测系统结构设计
• 3.1 系统总体结构设计
• 3.2 三维空间探测板块结构设计
• 3.2.1 舵机模块的设计
• 3.2.2 超声波探测模块设计
• 3.2.3 实验用三维空间探测板块
• 3.3 移动机器人结构分析
• 3.4 系统控制端结构设计
• 3.5 信息传输系统结构设计
• 3.6 仿真显示端结构构建
• 3.7 本章小结
• 第4章 三维空间探测系统软件的实现
• 4.1 系统功能程序的实现
• 4.2 移动机器人建模
• 4.2.1 Solidworks环境下建模
• 4.2.2 模型格式转换
• 4.3 虚拟环境构建
• 4.3.1 Virtools简介
• 4.3.2 三维模型导入并调整
• 4.3.3 虚拟环境的设定
• 4.3.4 设定继承关系与初始状态
• 4.3.5 编辑脚本
• 4.3.6 添加摄像机
• 4.4 本章小结
• 第5章 三维空间探测的最终实现
• 5.1 三维模型与移动机器人同步脚本构建
• 5.1.1 反馈信息的接收
• 5.1.2 同步脚本构建
• 5.2 三维地图实时重构的实现
• 5.2.1 三维信息提取模块的建立
• 5.2.2 三维地图的重构
• 5.3 实验结果分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论与建议
• 6.1 结论
• 6.2 建议
• 参考文献
• 致谢
• 作者在读期间发表论文
• 附录1. 控制器编程代码
• 附录2. 系统控制端数据串口通信编程代码
• 附录3. 下位机单片机代码