[发明专利]虚拟航天员多层次运动控制仿真方法

说明书

技术领域

本发明属于计算机仿真技术领域，特别涉及用于航天员训练的仿真系统。

背景技术

虚拟训练系统利用虚拟现实技术，构建虚拟的飞行任务环境，使航天员能够沉浸在飞行任务的虚拟环境中进行运动和操作，与虚拟环境进行交互，实现人在回路的虚拟现实训练。虚拟现实技术具有数字化程度高、可复用度高、能突破物理环境限制、安全性好等特点，并经美国航空航天局NASA、欧空局ESA和加拿大等研究机构的成功运用，已经成为太空探索中航天员训练的一个重要发展方向。

虚拟航天员的运动控制是采用特定的方法对虚拟航天员三维模型中各肢体节段的运动进行控制和仿真，是虚拟训练系统的关键技术之一。针对航天员的虚拟训练，虚拟航天员的运动控制一般采用实时交互式运动控制的方式。

目前虚拟人的运动控制技术主要包括：

(1)基于参数关键帧的虚拟人运动控制技术

主要研究在给定人体运动过程中的一些关键姿态(关键帧)的基础上，计算出两个关键姿态之间的若干中间姿态(中间帧)，中间帧通常采用插补算法由计算机自动生成，常用的插补算法有线性插补法、splines插补法等，使用插补法实现的虚拟人运动其物理逼真性难以保证，实际应用中这种方法常作为一种辅助的手段来完善人体运动的仿真。

(2)基于运动学的虚拟人运动控制技术

通过建立人体各体段的多刚体运动模型，实现人体运动的层次化树状描述，根据实现方法和用途可分为正向运动学和逆向运动学方法。正向运动学方法通过给定各个关节空间的结构参数，得到笛卡尔空间中末端效应器的位置和方向，通常用于配合运动捕获方法计算笛卡尔空间中人体各节段的位置和姿态；逆向运动学方法通过末端效应器在笛卡尔空间的位置和方向，反向推出在各个子关节空间中各连接杆的结构参数，主要解决求解不定方程的多解和求解不稳定的问题，通常用于人体动画制作、可达性分析、路径规划等领域。

(3)基于动力学的虚拟人运动控制技术

通过一系列的力和力矩来描述人体的运动，主要考虑正向动力学和逆向动力学问题两个问题，正向动力学是指给出随时间变化的力和力矩，产生线加速度和角加速度建立动力学方程，计算出运动时的位置、方向、速度、加速度等，从而确定运动状态；逆向动力学是指为了得到想要的目标运动状态，而决定所需要的力和力矩，可用于任务规划中的力学分析、施力控制等，还可用于建立骨骼及肌肉的力学模型，对已知运动进行骨骼和肌肉的应力分析等。

(4)基于运动捕获的虚拟人运动控制技术

采用传感设备采集人体运动数据，将采集的运动数据与虚拟人进行映射，驱动虚拟人在三维虚拟空间中运动，可用于实时仿真和离线分析。运动捕获方法根据设备的种类一般分为两类，一类是基于计算机视觉的方法，一般采用光学及红外摄像机等进行人体运动捕获，再进行人体建模与图像重构实现虚拟人体运动实时控制；另一类是基于传感器的方法，传感器包括超声波型、电磁型等多种类型。

对于航天员虚拟训练系统来说，其对虚拟航天员的运动控制主要有如下需求：

(1)受训者能够实时交互控制虚拟航天员的肢体及手部运动；

(2)虚拟航天员的运动特性应满足微重力条件；

(3)虚拟航天员应能实现对其他虚拟物体较精细的交互操作，如抓取、释放等；

(4)虚拟航天员应能实现通过手抓握扶栏进行太空行走；

(5)虚拟航天员的显示效果好，不能出现关节分离等现象。

根据虚拟航天员运动控制的特殊要求，无法单独使用一种运动控制方法满足，其中运动学方法和运动捕获方法无法模拟失重特性，动力学方法无法实现实时交互控制和太空行走仿真，而关键帧方法一般只能用于离线动画编辑。

发明内容

本发明的目的是：提供一种虚拟航天员多层次运动控制仿真方法，满足虚拟训练系统在实时交互、微重力运动特性、交互操作、太空行走仿真以及较好的显示效果等方面的技术要求。

本发明的技术方案是：一种虚拟航天员多层次运动控制仿真方法，包括以下步骤：

A.构建分层次的虚拟航天员运动控制结构

将虚拟航天员运动控制结构自下而上分为：交互设备层(1)，运动控制层(2)，物理控制层(3)，规则控制层(4)和显示层(5)；各层次之间在实现上相互独立，完成各自特定的功能，且下一层次为上一层次提供驱动数据；

B.构建和应用所述交互设备层(1)