基于OpenGL的真空机器人三维图形仿真

真空机器人是先进半导体制造行业中不可缺少的重要设备之一。本文介绍了一种并联型真空机器人的运动学模型,以及利用OpenGL和STL格式文件在Visual C++6.0程序界面中实现3D图形仿真的方法,取得了良好的实验效果,为进一步实现上位机实时在线监控奠定了基础。

可重构星球探测机器人的OpenGL仿真实验平台研究

采用基于Visual C++和OpenGL的建模和运动仿真方法,对可重构星球探测机器人系统的三维运动仿真实验平台进行了研究,建立了一个多机器人系统的仿真实验平台。开发的实验平台可用于探索和验证机器人系统的工作原理、工作空间、多机器人协调算法、重构方法、系统集成技术等。在该平台上进行了机器人的运动学仿真和协调运动研究,验证了该仿真平台的有效性和机器人系统体系结构的合理性。

基于OpenGL的交会对接仿真系统

针对基于视觉的空间载体位姿测量很难进行真实实验的特点,提出了一种基于OpenG1的半物理仿真实验方法。该方法通过计算机图形学技术和计算机视觉技术的结合,能够直观、快速地模拟空间载体位姿测量过程。

基于关节的虚拟场景建模及仿真方法

针对虚拟现实技术中场景生成及仿真问题提出了一种基于关节的虚拟场景建模及仿真方法.该方法将场景中实体的位置状态及其基元间的连接关系用统一的关节描述,通过建立场景连接图表述场景结构,在场景更新过程中采用关节驱动基元的方式.在此基础上,我们开发了通用的虚拟场景可视化软件平台,测试证明提出的方法可以有效地提高场景建模及仿真处理的效率.

集成激光制造系统加工过程计算机模拟

激光制造是一种有别于传统方式的先进制造系统.针对集成激光制造系统,在分析其结构组成及激光加工特点的基础上,得到了机器人运动学逆解表达式,提出了一种基于碰撞检测的三角网格简化算法,设计并建立了模拟系统的模块化结构.基于VC开发环境并使用OpenGL图形接口技术开发了集成化激光制造系统加工过程计算机模拟系统,为工艺规划和优化提供有效支持,并实现了系统的通用性、易维护性和可扩展性.

HFFT算法的大规模集群性能评估及基于CUDA的并行化探索

近些年来，随着计算机硬件技术的高速发展，大规模并行集群系统被越来越多地用于各种科研应用等活动中，而随着多核CPU芯片的技术成熟，多核集群系统对于科学计算的处理能力得到了空前的提高，如何对科学计算中海量数据进行高效地并行计算，评估影响算法性能的相应因素，成为了一个很重要的研究方向。 快速傅立叶变换作为上个世纪公认的最重要的基础算法之一，在包括大规模科学计算处理，数字信号处理，图形图像仿真等众多领域有着广泛的应用，对此，本文结合了2008年中国最快的超级计算机曙光5000A与大规模非规则区域上的快速傅立叶变换算法，深入研究分析了该算法应用在超大规模多核并行环境下的可扩展性测试及影响性能的因素。测试结果表明，该算法在现有的超大规模并行环境下具有较好的性能，在曙光5000A上，算法在8192核的加速比达到了277倍。 本文的另一部分研究工作集中在探索现有HFFT算法在GPGPU上的并行化应用。GPU在处理能力和存储器带宽上相对CPU有明显优势，在成本和功耗上也不需要付出太大代价，这从而为并行数据处理问题提供了新的解决方案。由于图形渲染的高度并行性，使得GPU可以通过增加并行处理单元和存储器控制单元的方式提高处理能力和存储器带宽。 在实际应用中，Nvidia公司的CUDA是用于GPU计算的并行开发环境，是一个全新的软硬件架构，这个架构可以使用GPU来解决商业、工业以及科学方面的复杂计算问题。CUDA是一个完整的GPGPU解决方案，它提供了直接访问硬件的接口。由于目前GPU已在科研领域中得到广泛研究，为了利用GPU的并行数据处理能力，本文探索了一种通过GPU计算提高现有HFFT算法执行速度的途径。之后，本文对CUDA并行算法进行了实际测试，实验结果表明，GPU对并行FFT部分具有20%的加速比，而除去I/O传输后，程序的加速比是34.4倍。

动态地形可视化研究

动态地形是指在视景仿真过程中由于环境变化或仿真模型之间的交互而产生的高程和影像数据变化，它是战场仿真的重要研究对象，对战场仿真的逼真度和可信度有着重要影响，直接决定战场模型和地形之间的相互作用方式，如炮弹爆炸产生弹坑，弹坑影响车辆通行。因此，动态地形研究具有重要意义。 本文在开源地形渲染库libMini基础上对动态地形算法进行了研究。libMini库依据视点距离、视角和地形起伏程度对地形进行渲染，具有很好的细节层次模型连续性和较快的渲染速度，支持多分辨率分块地形，在国际上应用广泛，在此基础上进行算法改进和增强可以达到较好的实际应用效果。 首先介绍了libMini的地形渲染算法，并针对该算法计算地形粗糙度的自上而下方法的弱点，提出了自下而上的动态地形高程局部更新算法，将高程计算和渲染速度大约提高了三个数量级，大大改善了动态地形可视化的实时性。由于libMini缺乏动态地形影像更新功能，因此在OpenGL及S3TC纹理压缩算法的分析基础上设计了一种影像更新算法。然后结合高程和影像更新这两个算法实现了一种完整的能够适应多分辨率分块地形的动态地形可视化算法。 最后以虚拟地形工程为例给出了算法的实际应用过程以及相应的弹坑和堑壕模型的动态渲染结果，验证了算法的有效性、实时性和可用性。

空间环境下成像效果的仿真研究

仿真图像生成技术是计算机图形学研究的一个重要内容，在各个方面都有广泛的应用。在航空航天领域，地面的应用处理常常依赖空间探测器拍摄结果，由于实验成本的昂贵，对探测器拍摄结果进行仿真就显得尤其重要。本文主要关注在宇宙空间这一特殊场景下的仿真图像生成方法。针对在空间环境的特点，在分析星空环境下相机成像机理的基础上，从相机光学系统、光感受器工作特性、光圈衍射、电子线路噪声、空间背景等各个方面对星空环境下的成像系统进行了建模，设计了空间环境下成像效果的仿真方案，提出了对各种成像效果、背景星图、CCD噪声的模拟算法。其中基于OpenGL的方法以简单高效的针孔相机模型为基础，结合后期的图像处理，可以在较短的时间内生成仿真结果图像，并能反映拍摄场景下的主要成像效果，在仿真的实时性和结果的真实性之间取得了平衡，而基于物理的渲染方法则精确模拟了成像过程中光线传播的物理过程，能够很好的体现成像系统的光学特征，虽然耗时较长，但是可以生成真实感很强的结果。 基于这些模型和算法，本文还设计并实现了空间环境下的成像仿真系统。用户可以通过该系统来配置空间探测器的任务流程、拍摄参数，来模拟探测器对宇宙目标及背景星空的拍摄结果。由于针对不同拍摄场景设计的各种仿真实验结果均证实了算法和模型的有效性，因此该仿真系统的结果可以作为地面后期应用处理的输入，而本文的研究内容对空间环境中的数据压缩、地面恢复、天文定位、恒星识别等都有重要意义。

基于等高线的黄土高原小流域地形虚拟

黄土高原地形三维虚拟是"数字黄土高原"的基础,可为区域水土保持生态建设提供科技支撑。针对直接在地理信息系统软件中观察三维场景存在的控制交互能力不足问题,提出综合利用地理信息系统软件的地形插值算法,基于MFC框架下的OpenGL程序设计的思路,实现地形的真实感三维虚拟。以黄土丘陵沟壑区康家沟小流域为例,等高线数据在AutoCAD和ArcView软件中处理,生成ASCII格式的规则网格DEM数据,依据它们绘制三角形带,采用加权平均法求得各点的法向量,设置光照与材质模式,添加动态天空背景,实现了该流域地形的真实感三维虚拟,并增加交互能力,完成自由漫游与多角度观察。

图形处理器通用计算的实现与验证

讨论了显示卡用于通用科学计算的问题,并以大型矩阵的基本运算问题详细比较了CPU和GPU计算之间的差别。在基本的矩阵运算中,运用适当的矩阵分块,GPU的计算速度比CPU快50倍左右。而且,显示卡低廉的价格为更多科研工作者实现大规模运算提供了可能。

真空机器人传输模组软件控制平台的构建

论文来源于新松公司的科技部超大规模集成电路制造装备重大专项：300mm智能真空机械手关键技术及样机研制。在查阅了大量资料的基础上，进一步研究了集束型设备传输模组控制软件的功能分区、作动机制及实现方法，最终完成了真空机械手上位机控制程序和集束型设备图形仿真程序的设计。 在本论文中，笔者首先提出了集束型设备控制软件以及仿真软件的架构方案，其次，规划了真空机械手的指令集合、串口通信协议与命令应答格式，编写了基于串口通信的控制界面程序，并给出了传输模组控制软件系统层的整合方案。在此基础上，建立真空机械手的运动学模型，利用CAD建模工具及OpenGL图形库编写了能够完全再现集束型设备运转情形的图形仿真程序，并使图形能够与机械手本体实时联动。此外，研究了不同晶圆流程模式下的集束型设备时间调度算法，为实现可编程化控制奠定了基础。

工业机器人离线编程仿真平台的研究与实现

现代计算机软硬件技术、计算机图形技术高速发展，以及数字仿真技术的广泛应用，为工业机器人离线编程技术的实际应用提供了有利条件。同时，现代生产的高效率、柔性化需求也促使了工业机器人离线编程软件产品的产生。机器人离线编程系统，是利用计算机图形学技术，建立起机器人及其工作环境的模型，利用机器人语言及相关算法，通过对图形的控制和操作在离线的情况下进行轨迹规划。离线编程技术具有传统的在线示教技术无法比拟的优势，比如：可减少停机时间、可提前验证作业程序，进行复杂的轨迹规划等。 国外的机器人离线编程软件功能已经很强大，但是只是针对特有的机器人，还不能做到像办公软件那样通用化。新松机器人公司是国内为数不多的具有自主开发工业机器人能力的公司之一，已成功开发了多款工业机器人产品，为开发自己的离线编程软件提供了客观条件，也提出了客观需求。以此为背景，本文按照软件工程的设计思想，设计了离线编程软件的框架，详细阐述了各个模块的设计原理、运行流程，对涉及到的关键技术问题，从理论、实践两个方面做了较为详细的介绍。最后，针对各个功能做了验证工作。离线编程软件系统，首先需要一个虚拟的3D仿真环境，通过该虚拟仿真环境，显示机器人的运动效果，同时为作业编程点的获取提供可视化的环境。为了提高虚拟仿真的真实程度，需要实现碰撞检测功能，并且精度和速度都要满足要求。为了便于操纵虚拟机器人，需要一个模拟示教盒的软件，以及虚拟控制器软件。为了实现多个软件之间的协作，需要传递控制流与数据流数据。 本文主要解决了整个离线编程软件系统开发过程中遇到的下列问题： (1)3D图形仿真环境的建立。本设计采用了OpenGL作为底层的图形API，并对图形显示模块做了封装，提供一组简单、方便的接口。 (2)数据结构的定义和资源管理。涉及到图形资源、抽象的仿真对象资源。为了实现多个类型的机器人能在同一仿真环境下运行，需要建立一个机器人类型库，采用了基于“抽象工厂设计”这种设计模式解决这个问题。 (3)基于3D空间的碰撞检测技术。主要采用了基于AABB包围盒和分离轴检测的技术(SAT)，实现两级计算，先粗后精。 (4)仿真环境和实际环境之间的工件标定技术。 (5)虚拟作业的建立。包括根据矩阵方法用鼠标选取操作来获取示教点，设计虚拟示教盒软件，生成作业文件。 (6)多个软件之间的通信及协议制定。

轮式移动机器人与地形交互运动仿真研究

分析了轮式移动机器人(WMR)在不平坦的三维地形上运动的运动学模型.利用速度投影法,得到了WMR运动模型的一种新形式.基于虚拟现实技术,利用VC++OpenGL实现了WMR虚拟漫游系统.该系统具有较强的交互性和实时性,为星球探测机器人的虚拟导航、遥操作等提供了验证平台.

基于立体视觉的虚拟机械臂平面定位研究

结合星球探测的应用背景,对漫游车的工作方式进行了研究,针对车载机械臂开发了一套基于立体视觉的机械臂平面定位仿真系统。该系统依靠虚拟现实技术,通过虚拟机械臂对三维重建得到的平整物体表面的定位仿真得到机械臂的各关节参数,以此指导真实机械臂的运动。论述了基于立体视觉的机械臂定位机理和基于OpenGL的虚拟机械臂的实现过程。采用VC++构建了仿真实验平台,进行了定位实验,获得了较高的定位精度。

可重构星球探测机器人的运动学建模及轨迹规划

提出了可重构星球探测机器人的概念,对系统中子机器人的研究进行了重点论述.通过设计恰当的子机器人连杆坐标系,利用Denavit Hartenberg方法完成了子机器人的运动学建模,并直接给出了子机器人的运动学正解模型.由于使用单一的求解算法不能求出工作空间的封闭解,因此综合利用代数法、几何法原理及空间投影关系,结合子机器人的结构特殊性推导出了运动学逆解,从而得到了工作空间内的所有解.在此基础上,考虑结构间的约束关系,给出了子机器人的工作空间及轨迹规划方法.最后,使用OpenGL对设计的子机器人系统进行了运动学仿真实验,实验以末端操作器的直线运动为例,充分考虑空间几何的关系,其结果有效地证明了建模及轨迹规划的正确性.