Создание виртуального мира в Matlab

СОДЕРЖАНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

   1. Немного о луноходе

   2. Теоретическая часть              7

   3. Последовательность создания виртуального мира              12

       3.1. Создание заготовки модели              12

              3.1.1. Создание двигателя              14

       3.2. Создание виртуального мира              19

       3.3.Указание свойств объектов виртуального мира, которые будут изменяться сигналами Simulink              25

       3.4. Запуск и проверка работоспособности модели              26

ЗАКЛЮЧЕНИЕ              29

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ              30

ВВЕДЕНИЕ

Объектом моделирования является необитаемый космический аппарат – луноход.

Цель работы - разработка модели виртуального мира, представляющего собой рельеф поверхности Луны, с необитаемым космическим аппаратом - луноходом. Модель разрабатываемого лунохода должна быть оснащена электрическими двигателем, который приводит в движение луноход.

Для создания виртуального мира выбрано программное средство VR Toolbox - это пакет, решающий задачи взаимодействия и управления виртуальными моделями динамических систем во времени.

1. Немного о луноходе

Это случилось 17 ноября 1970 г. На Луну опустилась советская межпланетная станция «Луна-17», и «Луноход-1» проложил по ее поверхности первую в истории человечества «космическую колею ». Так впервые на практике была решена задача перемещения транспортного средства по поверхности другого небесного тела.

Зачем его создавали?

Долгое время считался величайшим секретом тот факт, что вообще-то первоначально луноход предназначался для транспортировки по Луне нашего космонавта. И специально для этой цели у него спереди были площадки для ног и ручка, за которую мог держаться космонавт. Кроме того, имелась возможность управления луноходом с выносного пульта.

Когда же стало понятно, что американцы нас опередили, «космический джип» срочно перепрофилировали, и он стал разгуливать по Луне самостоятельно. Вместо трех расчетных месяцев «Луноход-1» проработал на Луне десять с половиной. За это время он проехал по ее поверхности расстояние в 10 540 м, обследовал площадь в 80 тыс. кв. м, а в 25 местах произвел анализы лунного грунта.

Вездеходы для Луны

Прежде чем начать конструирование первого инопланетного транспортного средства, нашими специалистами были проанализированы различные способы передвижения: от шагающих аппаратов в стиле боевых треножников Герберта Уэллса и «ве-нерианских» танков до экзотических «прыгунов»... Но самым подходящим оказалось обыкновенное колесо. К такому выводу, совершенно независимо друг от друга и практически одновременно, пришли советские ученые из ВНИИ «Трансмаш» и американские специалисты из Rand Corporation, хотя' разработка специализированных транспортных средств велась, конечно, в обстановке строжайшей секретности. Причем СП. Королев перед началом работ начертал: «Считать поверхность Луны твердой». Вариант, что посадку придется производить на рыхлую поверхность, сочли запасным. Первый «космический джип» «Луноход-1» был разработан в ОКБ имени С А. Лавочкина под руководством Г. Н. Бабакина. Он представлял собой герметичный приборный отсек, смонтированный на восьмиколесном самоходном шасси, изготовленном во ВНИИ «Трансмаш». Общий вес конструкции 756 кг. В передней части «космического джипа» были расположены датчики и телекамеры для управления движением и фотографирования лунной поверхности. Эти камеры представляли собой оптико-механические сканирующие устройства, способные непосредственно передавать изображение без помощи электроники. Такая конструкция обладала повышенной надежностью и, как показала практика, себя вполне оправдала. Управляло

« Луноходом-1» специальное подразделение Центра дальней космической связи в Крыму.

Автоматическая станция «Луна-21» 16 января 1973 г. доставила в район кратера Лемонье в Море Ясности «Луноход-2». Конструкция аппарата и общая схема были такие же, как и у предшественника, а вот бортовое оборудование существенно доработали. Его экспедиция продолжалась 125 земных суток. За это время «Луноход-2» преодолел 37 450 м и передал на Землю свыше 80 тыс. снимков.

Был построен и подготовлен к отправке на Луну еще более совершенный исследовательский аппарат « Луноход-3 », но на Луну он так и не попал, хранится ныне в заводском музее. Судьба же оставшегося на Луне «Лунохода-2» сложилась весьма необычно. Чтобы поправить свое финансовое положение, Российское космическое агентство выставило аппарат в 1993 г. на... аукцион. В результате он был приобретен состоятельным американским коллекционером, пожелавшим остаться неизвестным, и ныне принадлежит ему на правах частной собственности.

«Земные пути» лунохода

Опыт создания и эксплуатации луноходов пригодился и на Земле. Во время ликвидации последствий взрыва на Чернобыльской АЭС стало ясно, что необходим аппарат, способный работать в условиях высокой радиации. В кратчайшие сроки специалисты из ВНИИ «Трансмаш» изготовили на основе «Лунохода-3» робота, который безотказно работал в условиях Чернобыля и спас немало человеческих жизней. Управляли им специалисты из космического центра, имеющие опыт работы с аппаратами «Луноход».

2. Теоретическая часть

VR Toolbox это пакет, решающий задачи взаимодействия и управления

виртуальными моделями динамических систем во времени. Он является

расширением возможностей MATLAB и SIMULINK в мир графики виртуальной реальности.

Рассмотрим основные понятия, связанные с рассматриваемой технологией.

Виртуальный мир (Virtual World) – трехмерная сцена, созданная с помощью VRML (Virtual Reality Modeling Language) технологии.

Динамическая система (Dynamic sistem) – система, созданная с помощью MATLAB или SIMULINK, описывающая систему объектов созданных с помощью VRML.

Анимация (Animation) – изменяющаяся под воздействием сигналов из SIMULINK трехмерная сцена.

Манипуляция (Manipulation) – изменение позиций или свойств объектов виртуального мира в процессе моделирования.

Вместе с пакетом MATLAB поставляется удобный в использовании редактор V-Realm Builder, но создавать виртуальные миры можно даже в обычный текстовом редакторе.

Для просмотра виртуальных сцен используется VRML браузер (viewer) или Web-браузер при установке дополнительного программного модуля (plug-in).

Virtual Reality Toolbox предоставляет много возможностей для создания и просмотра моделей динамических систем в виртуальной реальности, а также возможность взаимодействия с этими моделями в реальном времени:

      поддержка VRML;

      поддержка интерфейса MATLAB;

      поддержка интерфейса SIMULINK;

      VRML-браузеры;

      VRML-редакторы;

      поддержка SimMechanics;

      поддержка клиент-серверной архитектуры.

Построив модель динамической системы в SIMULINK с помощью VR Toolbox, можно наблюдать имитацию ее поведения в реальном                          времени в 3D реальности. VR Toolbox содержит блоки, которые позволяют непосредственно соединить и передавать сигналы от SIMULINK к построенному виртуальному миру. Такой подход позволяет воспроизвести динамическую модель как трехмерную анимацию.

С помощью блоков SIMULINK можно использовать многие возможности предоставляемые VR Toolbox. Достаточно поместить блок на SIMULINK диаграмму и выбрать виртуальный мир, которому будут посылаться сигналы. VR Toolbox автоматически проверяет виртуальный мир на доступные VRML узлы, которые SIMULINK сможет использовать.

Все доступные VRML узлы будут представлены в виде иерархического дерева. Также можно указать степень свободы для управления из SIMULINK. После закрытия диалогового окна Block Parameters SIMULINK изменит параметры блока вместе со входами и выходами в соответствии с выделенными узлами виртуального мира. После того как такие входы преобразуются в соответствующие SIMULINK сигналы можно будет наблюдать полученную сцену в VRML-браузере. Т.е. SIMULINK позволяет управлять и манипулировать объектами виртуальной реальности с использованием блоков предоставляемых VR Toolbox.

Рассмотрим поддержку VRML в VR Toolbox. VRML – это открытый стандарт, разработанный ISO (International Organization for Standartization). Язык VRML является обычным текстом, использующим WWW-ориентированный формат. Создаваемый с помощью VRML виртуальный мир можно просмотреть с помощью VRML-браузера и затем связать VRML-модель с моделью SIMULINK.

Последней на текущий момент спецификацией VRML является VRML97, стандарт ISO/IEC 14772-1:1997. Спецификация содержит описание создания 3D-сцен, звуков, локальной и удаленной работы с VRML.

VR Toolbox анализирует структуру виртуального мира, определяет какие для него доступны типы сигналов и делает возможным посылку этих сигналов из MATLAB и SIMULINK. Встроенный в VR Toolbox VRML-браузер поддерживает большинство узлов описанных в стандарте VRML97, позволяя осуществлять полный контроль созданным виртуальным миром. В любом случае существует множество plug-in'ов к Web- браузерам, которые поддерживают все возможные узлы.

Благодаря VR Toolbox все изменения, сделанные в виртуальном мире, отражаются и в MATLAB или SIMULINK. Например, если изменить расположение камеры в виртуальном мире, то и изменится соответствующее свойство объекта vr-world в MATLAB или SIMULINK. Также VR Toolbox содержит функции позволяющие читать и изменять свойства объектов виртуального мира.

Рассмотрим поддержку интерфейса MATLAB в VR Toolbox. VR Toolbox поддерживает гибкий MATLAB интерфейс для работы с виртуальным миром. После создания объектов в MATLAB и ассоциирования их с виртуальным миром, можно осуществлять управление этим виртуальным миром посредством предоставленных для этого функций и методов. Из MATLAB можно изменять позиции и свойства VRML объектов, связать те или иные действия с графическим интерфейсом пользователя (GUIs) посредством, так называемых callback функций. Можно также просматривать мир посредством VRML-браузера и устанавливать значения для всех доступных узлов и их полей.

VR Toolbox также предоставляет функции для чтения и изменения свойств виртуального мира и сохранения VRML файлов с текущей конфигурацией виртуального мира.

Рассмотрим поддержку интерфейса SIMULINK в VR Toolbox. Построив модель динамической системы в SIMULINK с помощью VR Toolbox можно наблюдать имитацию ее поведения в реальном времени в 3D реальности.         VR Toolbox содержит блоки, которые позволяют непосредственно соединить и передавать сигналы от SIMULINK к построенному виртуальному миру. Такой подход позволяет воспроизвести динамическую модель как трехмерную анимацию.

С помощью блоков SIMULINK можно использовать многие возможности предоставляемые VR Toolbox. Достаточно поместить блок на SIMULINK диаграмму и выбрать виртуальный мир, которому будут посылаться сигналы. VR Toolbox автоматически проверяет виртуальный мир на доступные VRML узлы, которые SIMULINK сможет использовать.

Все доступные VRML узлы будут представлены в виде иерархического дерева. Также можно указать степень свободы для управления из SIMULINK. После закрытия диалогового окна Block Parameters SIMULINK изменит параметры блока вместе со входами и выходами в соответствии с выделенными узлами виртуального мира. После того как такие входы преобразуются в соответствующие SIMULINK сигналы можно будет наблюдать полученную сцену в VRML-браузере.

SIMULINK дает средства для управления и манипуляции объектами виртуальной реальности с использованием блоков предоставляемых VR Toolbox.

Рассмотрим поддержку VRML-браузеров в VR Toolbox. VR Toolbox содержит встроенный браузер (браузер по умолчанию) для просмотра виртуальных миров. Этот браузер поддерживается на компьютерах с операционной системой UNIX, MAC OS X и Linux платформах. Если вы установили VRML plug-in, то для отображения процесса моделирования VR Toolbox устанавливает связь MATLAB и SIMULINK с активным VRML-браузером, используя протокол TCP/IP. Такой подход позволяет просматривать процесс моделирования не только с локального узла, где были запущены MATLAB и SIMLINK, но и с любого удаленного узла через интернет-соединение.

В VR Toolbox применяются VRML-редакторы – это редакторы, использующиеся для создания 3D сцен с помощью языка VRML.

Рассмотрим поддержку SimMechanics в VR Toolbox. VR Toolbox также можно использовать для исследования поведения модели, созданной с помощью SimMechanics. Сначала проектируется модель механизма в Simulink при помощи блоков SimMechanics. Затем создается ее детальная картина в виртуальном мире. После чего созданный мир подключается к выходному элементу SimMechanics и поведение модели или ее части можно просматривать в VRML-браузере.

Рассмотрим поддержку клиент-серверной архитектуры в VR Toolbox.

Как уже было сказано VR Toolbox подключает MATLAB и SIMULINK к активному VRML-браузеру используя протокол TCP/IP. Сам Toolbox может быть использован в 2-х конфигурациях:

      одного компьютера. Simulink, MATLAB и изображение сцены в виртуальном мире запущены на одном компьютере.

       сетевой компьютер. Анимационная картинка с виртуальным миром просматривается, будучи запущенной на удаленном от компьютера на котором запущен VR Toolbox сервер узле. К этому одному серверу могут подключаться много клиентов. Изменять необходимые параметры можно в том числе.

Принятая система координат и единицы измерения

Рис.1. Система координат и положительное направление вращение виртуальных объектов (правило правой руки)

3. Последовательность создания виртуального мира

3.1. Создание заготовки модели

Запускаем Matlab и Simulink. Создаём окно редактора блок схем и перетаскиваем в него блоки: Matrix Concatenation, 3 блока Look-up Table и блок VR sink. Располагаем их так, как это показано на рис. 2. У блока Matrix Concatenation необходимо добавить третий вход и изменить метод объединения на вертикальный.

Рис. 2. Редактор блок схем.

Блок одномерной таблицы Look-Up Table

Назначение: задает в табличной форме функцию одной переменной.

Параметры:

1.      Vector of input values – Вектор значений входного сигнала. Может быть задан в виде дискретных значений (например, [1 2 7 9]), либо в виде непрерывного диапазона (например, [0:10]). Элементы вектора или граница диапазона могут быть заданы в виде вычисляемого выражения, например [tan(5) sin(3)].

2.      Vector of output values – Вектор выходных значений, соответствующий вектору входных значений.

Блок работает в соответствии со следующими правилами:

1.      Если входной сигнал равен одному из элементов вектора входных значений (Vector of input values), то выходное значение блока будет равно соответствующему элементу вектора выходных значений (Vector of output values). Например, пусть вектор входных значений равен [0 1 2 5], а вектор выходных значений [-5 –10 3 100], тогда при входном сигнале равном 1 выходной сигнал будет равен –10.