[发明专利]虚拟航天员多层次运动控制仿真方法

摘要

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。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；B.构建和应用所述交互设备层(1)；C.构建和所述应用运动控制层(2)；D.构建和应用所述物理控制层(3)；E.构建和应用所述规则控制层(4)；F.构建和应用所述显示层(5)。应用本发明可以实现受训者实时交互控制虚拟航天员的肢体及手部运动；虚拟航天员的运动特性满足微重力条件；虚拟航天员能对其他虚拟物体做抓取、释放等较精细的操作；虚拟航天员通过手抓握扶栏进行太空行走；虚拟航天员的显示效果好，不出现关节分离等现象。

主权项

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)所述交互设备层(1)包括由受训航天员穿着或佩戴的数据手套、位置跟踪仪、数据衣及其它人机交互设备，用于实时采集和输出受训人员肢体和手部运动信息；C.构建和所述应用运动控制层(2)所述应用运动控制层(2)包括虚拟航天员运动学模型，其构建方法为：根据航天员的空间运动和操作特点，将人体划分为42个节段，其中不含手部的躯体部分分为10个节段，每只手的手掌及手指分为16个节段；躯体部分的节段划分：躯干(B1)，右上臂(B2)，右下臂(B2)，左上臂(B4)，左下臂(B5)，右大腿(B6)，右小腿及右足(B7)，左大腿(B8)，左小腿及左足(B9)，头部(B10)；依次标号为B1～B10；各节段坐标系用oi‑xiyizi，i∈N，1≤i≤10表示，i为每节段的编号，其中所述躯干(B1)段取躯干的质心位置为其原点，其余各节段取其与上一节段的交点，即关节的位置为其原点；手部的节段划分为：手掌(H1)，拇指近节(H2)，拇指中节(H3)，拇指远节(H4)，食指近节(H5)，食指中节(H6)，食指远节(H7)，中指近节(H8)，中指中节(H9)，中指远节(H10)，无名指近节(H11)，无名指中节(H12)，无名指远节(H13)，小指近节(H14)，小指中节(H15)，小指远节(H16)；依次标号为H1～H16；每一节段的坐标系原点取其与上一节段交点的位置，即各指端关节处，手掌部分的坐标系原点取其与下臂的交点，即腕关节处；将航天员人体视为通过多个旋转关节连接在一起的多刚体系统，则人体任一节段相对于参考节段坐标系的变换矩阵通过按照人体几何拓扑结构的顺序，连乘各节段连体坐标系间的变换矩阵得到；所述虚拟航天员运动学模型由所述交互设备层(1)提供的受训人员肢体和手部运动信息数据所驱动而改变各关节角度，实现对受训人员肢体和手部运动的实时跟踪；D.构建和应用所述物理控制层(3)所述物理控制层(3)包括虚拟航天员多刚体碰撞检测模型，该模型基于物理引擎技术模拟航天员在空间的“漂浮”状态，以及与外界环境发生碰撞后的运动；构建方法为：该模型的人体节段划分和坐标系定义、尺寸数据均与C步骤所述虚拟航天员运动学模型一致，根据标准和文献得到人体各节段包括几何尺寸、质量、质心位置以及中心转动惯量参数的动力学属性参数，设置给人体各节段，并采用关节约束将各节段连接成一个多刚体动力学系统；在多刚体动力学算法中，将人体各节段的运动分为刚体质心的平移运动和刚体绕质心的转动，对于刚体质心的平移运动，采用质点运动定律，即牛顿第二运动定律：F＝ma，进行描述，而加速度a即为位置x对时间t的二阶导数，即：m=d2x(t)dt2=ΣFi(t)]]>对于刚体绕质心的转动，以下式描述：m=dL(t)dt=md(I(t)ω(t))dt=ΣTi(t)]]>式中：L(t)为刚体的角动量，I(t)为惯性张量，用以描述物体的质量分布，使用物理引擎根据物体的形状及质量、密度参数设置计算得出，ω(t)为刚体的角速度；所述物理控制层(3)实时获取所述运动控制层(2)给出的人体实时运动跟踪数据，驱动所述虚拟航天员多刚体碰撞检测模型的肢体及手部各关节的相对运动，然后将该模型与外界环境进行碰撞检测，通过物理引擎计算得出虚拟接触力，即人体受到的合外力，通过多刚体动力学算法得到虚拟航天员人体质心的位置及姿态，得出虚拟航天员在微重力环境下的运动特性；E.构建和应用所述规则控制层(4)所述规则控制层(4)使用自定义的抓持规则和随动规则及约束实现典型的操作仿真和太空行走仿真；所述抓持规则判断是否稳定抓住物体，采用多指接触和是否符合抓握手型的方法进行判断；所述随动规则用于抓持判定后虚拟航天员运动状态的处理，将虚拟航天员运动状态分为自由态和束缚态，自由态是指虚拟航天员自由漂浮或抓住可移动物体状态，处于自由态的虚拟航天员抓住一个虚拟可移动物体后，采用将该物体节点挂接到虚拟航天员人体来实现随动控制；当自由态虚拟航天员抓握虚拟固定物时，人体处于束缚态，其运动的基点变为抓握的手部，即虚拟航天员人体质心随手部运动，从而实现太空行走仿真；对于束缚态虚拟航天员人体质心运动的计算，采用变换人体基坐标系的方式实现，即改变相邻关节的父子关系，使其随动关系改变；束缚态虚拟航天员运动仿真过程中，手部抓住扶栏时，以抓持手为人体基坐标系，使身体其它节点变为抓持手的子节点，从而产生身体的随动效果；将太空行走过程中航天员的状态分为自由态、左手束缚态、右手束缚态及双手束缚态，分别对应于双手均松开扶栏、左手抓住扶栏、右手抓住扶栏及双手均抓住扶栏时航天员的状态；对于双手束缚态的处理，采用解除先抓持扶栏的手的束缚关系，同时建立后抓持手与扶栏间的束缚关系，由此仿真完整的太空行走过程；对于束缚态的人体，改变人体基坐标系定义，则束缚态掌部体坐标系变为人体基坐标系；F.构建和应用所述显示层(5)所述显示层(5)包括虚拟航天员显示层模型，该模型的人体节段划分和坐标系定义与所述运动控制层的虚拟航天员运动学模型一致，采用骨骼蒙皮绑定技术建立皮肤层模型，在所述皮肤层模型中通过三角面片变形实现关节旋转，在所述规则控制层(4)输出数据驱动下控制虚拟航天员显示层模型运动，用于最终效果展示，并进行编辑动画控制。