[发明专利]鳞翅目昆虫模型仿真和控制方法、系统及可读存储介质

说明书

本发明涉及鳞翅目昆虫模型仿真和控制方法、系统及可读存储介质，属于计算机图形及仿真技术领域；具体包括一种鳞翅目昆虫模型的仿真和控制方法；该方法采用三维mesh和层次化骨骼建立一个非刚体的虚拟鳞翅目昆虫模型，并实现了对其飞行的自动控制；在飞行控制时考虑了飞行速度、空间位置、所受的外力、环境等因素等对非刚体鳞翅目昆虫模型的飞行姿态影响，填补了现有技术中对非刚体鳞翅目模型飞行控制的空白；通过本发明提出的方法控制的鳞翅目模型，其飞行姿态更加真实，仿生性能更好。

技术领域

本发明属于计算机图形及仿真技术领域，具体涉及一种鳞翅目昆虫模型仿真和控制方法、系统及可读存储介质。

背景技术

生物仿真在很多领域都有着无数潜在的应用，如娱乐、虚拟现实、教育、行为分析等。近几年来，研究人员付出了很多的努力来进行生命体的建模和动力学仿真，这些仿真工作包括蛇、鱼类、鸟类、昆虫、蚂蚁等。

飞行生物个体仿真方法可被应用于动画的制作、微型无人机的控制和仿生鳞翅目昆虫的姿态控制。现有技术中，对于鳞翅目昆虫模型的仿真，其仅仅采用三维mesh对其外表进行仿真，并未精细的考虑鳞翅目昆虫的飞行姿态，将蝴蝶视为刚体，同时也没有关注仿真的细节，因此缺乏真实感。

在生物学研究领域，研究人员多采用实验设备采集数据并驱动仿真对象，重点分析飞行昆虫的动力学特征。例如，Senda等人利用风洞实验设备来测量蝴蝶的空气动力学特征，然后用这些采集来的实验数据模拟真实感蝴蝶拍打翅膀的行为。Bode-Oke等人基于CFD方法来模拟黑脉金斑蝶倒飞。值得注意的是，尽管CFD求解器可以模拟出更加精确的扑翼，但是此类方需使用海量的流体粒子来近似求解Naiver-Stokes方程，故计算量大，不适合实时的蝴蝶仿真及运动控制。

例如，申请号为201510221704.6的中国专利公开了一种基于生物学规则的飞虫群模拟方法，但其同样存在将昆虫视为刚体进行飞行模拟的问题；类似的方法也得到了其他学者的扩展，在这些方法中翅膀被视为不可形变的刚体，所以不能产生真实感翅膀运动。同时，现有技术中并没有考虑飞行速度、空间位置、所受的外力、环境等因素对非刚体鳞翅目昆虫模型飞行姿态的细微影响，导致真实感不足，仿生效果差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种鳞翅目昆虫模型仿真和控制方法、系统及可读存储介质；用于解决现有技术中，将鳞翅目昆虫视为刚体，对其仿真不精准；以及在考虑空气动力、涡旋力和鳞翅目昆虫独特的飞行轨迹的情况下，对非刚体虚拟鳞翅目昆虫模型进行飞行控制的问题。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种鳞翅目昆虫模型的仿真和控制方法，包括：

步骤1：基于昆虫身体的详细尺寸，采用三维mesh和层次化骨骼建立虚拟鳞翅目昆虫模型；所述模型包括n个翅膀和重力信息；并基于鳞翅目昆虫的飞行状态特性设置多个飞行控制角θ^＊，所述多个飞行控制角θ^＊包括：前翼和后翼拍打角θ^γ、前翼旋转角θ^ζ、俯仰角θ^β、前翼扫角θ^Ψ和腹部旋转角θ^φ；所述重力信息包括虚拟鳞翅目昆虫模型的质量、重力和虚拟鳞翅目昆虫模型的重心坐标。

步骤2：采用准稳态空气动力学理论，求解所述虚拟鳞翅目昆虫模型第j个翅膀每一个三维mesh的三角面片上空气动力F_i，j，并将所述第j个翅膀上每一个三维mesh的三角面片上的空气动力F_i，j进行叠加，得到第j个翅膀上的空气动力F_j；依次求解所述虚拟鳞翅目昆虫模型的n个翅膀上的空气动力，求和得到所述虚拟鳞翅目昆虫模型的空气动力总和，以及在旋度噪声场上叠加Perlin噪声得到涡旋力F_vor。