移动机器人3D仿真软件的设计

在机器人技术研究中，为了提高机器人控制算法的开发效率，提出移动机器人三维仿真软件的设计方案并加以实现。该软件采用ODE物理引擎生成动力学世界和实现碰撞检测，提高了仿真速度和精确度，同时采用OpenGL绘制三维图形，改善了图形显示效果。仿真实例证明，该软件具有一定的实用价值。

　　1 软件特性

　　(1)采用基于面向对象技术实现，软件操作简单，易于维护和功能扩展;

　　(2)可以导入x格式和3ds格式的三维模型文件;

　　(3)允许物体同时实现多个移动操作，在每个运动方向都有加速度、减速度和最大速度等运动属性;实现碰撞检测、移动机器人和虚拟场景的图形化显示;

　　(4)支持实时调试功能; 3D动画和仿真计算结果同步且真实对应;绘制仿真环境的二维地图和物体运动轨迹。

　　(5)提供与外部软件连接的接口，即可以通过ODBC与外部数据库相连，或通过Socket接口与外部设备相连，实现进程之间的通信;

　　(6)软件接口的多样性和扩展性,即可通过游戏手柄、键盘来输入控制信息、模型参数和仿真参数等;仿真数据的保存输出。

　　其中，速度比例系数k=0.035，线速度单位为m/s，角速度单位为rad/s。

2.2 三维物体建模

　　ODE物理引擎提供球体、盒子、胶囊、平面和圆柱等几何体。在创建出一个几何体后，其中心一般落在仿真环境坐标系的原点上。在对移动机器人进行建模时，需要使用盒子和圆柱两种几何体，盒子需要指定3个参数，即长、高、宽;对于圆柱而言，则需指定长度和半径2个参数。在动力学世界中，以Geom代表物体几何体，以Body代表虚拟场景中的对象。软件可以通过调用ODE内部函数来检测几何体和对象的对应关系，也有函数用于检测对象之间是否存在连接。下面以创建盒子物体为例，说明单个物体的建模方法。

　　首先调用dBodyCreate函数创建出给定空间中的刚体对象,再调用dBodySetPosition和dBodySetRotation两个函数，调整该对象在空间中的位姿,接着调用dMassSetBoxTotal和dBodySetMass两个函数设定该对象的质量属性,最后调用dCreateBox函数创建相应尺寸的盒子几何体,并调用dGeomSetBody函数将该几何体与对象关联起来。

　　在创建出单个对象后，往往需要利用各种关节将不同对象连接起来。ODE物理引擎提供5种类型的关节，分别为铰链型、球-球窝型、滑竿柱型、固定型和铰链2型等。其中铰链型为合页关节，滑竿柱型为插销关节，铰链2型则是带有轴的关节，这些关节都有内置的马达。本文选用铰链关节来连接驱动轮和机器人车体，采用固定关节构建机器人车体结构。下面以使用铰链关节连接两个对象为例，说明创建关节的方法。

　　在调用dJointCreateHinge函数创建铰链关节对象后，再调用dJointAttach函数指定用该关节连接的两个物体对象，然后调用dJointSetHingeAnchor函数设定旋转轴的中心点坐标，并调用dJointSetHingeAxis设定旋转轴的方向。

　　为了让刚体对象能够在仿真环境中运动起来，ODE提供了3种方法： (1)调用dBodyAddForce、dBodyAddTorque等函数给刚体施加力的作用; (2)调用dJointSetHingeParam

　　函数来改变内置马达的转速，同时需指定该函数的第二个输入参数为dParamVel; (3)调用dBodySetLinearVel和dBodySetAngularVel两个函数直接给物体设定线速度和角速度。

　　此外，在ODE仿真环境中，可通过两种方式来模拟弹簧-阻尼系统: (1)通过设置ERP(Error Reduction Parameter)和CFM(Constraint Force Mixing)两个参数来实现，ERP为每一仿真循环中的修正误差，取值范围为0~0.8，默认取值为0.2;CFM代表物理引擎的全局混合约束力，它反映物体表面的柔软程度，其取值范围为10e-9~1;(2)利用动力学方程来求解，即胡克定律:

　　其中γ为阻尼系数,它与物体的形状以及周围性质有关。

　　综上所述，典型ODE仿真过程为[6]：

　　(1)生成一个动力学世界，并在该世界中创建物体;

　　(2)设置物体状态(如质量、质心位置和姿态等)，并在动力学世界中创建关节;

　　(3)将关节与物体绑定起来,为所有的关节设置参数;

　　(4)生成碰撞检测空间，并为需要作碰撞检测的物体生成碰撞几何体;创建一个容纳关节的关节组;

　　(5)循环处理过程:

　　①在物体上施加力;

　　②根据需要调整关节参数;

　　③调用碰撞检测，得到碰撞点和碰撞的物体;

　　④为每个碰撞点的碰撞创建一个接触关节，并将其放入关节组;

　　⑤执行一个仿真步骤;

　　⑥清空接触关节组中的关节;

　　(6)销毁动力学世界和碰撞世界。

　　2.3 三维图形的绘制

　　OpenGL绘制图形的基本操作步骤[4]：

　　(1)设置像素格式：设定OpenGL绘制风格、颜色模式和颜色位数等重要信息。

　　(2)建立模型：根据基本图元建立景物的三维模型，并对模型进行数学描述。

　　(3)舞台布置：把景物放置在三维空间的适当位置，设置视点、视角和投影模型等。

　　(4)效果处理：设置物体的材质，加入光照及光照条件。

　　(5)光栅化：把景物及其颜色信息转化为可在计算机屏幕上显示的像素信息。

　　在绘制图形时，需注意坐标系的变换，否则很容易导致绘制失败。OpenGL定义了两个坐标系：世界坐标系和当前绘图坐标系。世界坐标系是固定不变的，规定以屏幕中心为原点，面对显示终端，向右为x正轴，向上为y正轴，向终端外面为z正轴。当前绘图坐标系是绘制物体时的参考坐标系。仿真软件完成初始化后，世界坐标系与当前绘图坐标系是重合的。在调用glTranslatef、glRotate等变换函数对绘图坐标系进行平移和旋转后，绘图坐标系会在原来的基础上做出相应改变。此时，若调用gluSphere、glVertex3f等绘图函数，绘图函数是在改变之后的绘图坐标系上进行绘制。如若要让绘图坐标系与世界坐标系再次重合，可以调用glLoadIdentity函数。此外，可以调用glColor3f(r，g，b)函数设置绘图函数所使用的颜色，如果没有再次调用该函数，则绘制出的图形颜色将保持原先颜色不变，rgb三个颜色分量的取值范围为0.0~1.0。

　　3 软件框架

　　软件框架及其处理流程如图2所示，软件仿真循环的处理流程如图3所示，下面简述主要处理过程的实现思路及方法：

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