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                        汽車虛擬裝配系統設計與開發

                        添加時間:2018/12/21 來源:中北大學 作者:孫漢琴
                        本文為了制作一套完整的汽車虛擬裝配系統,主要研究了系統開發中用到的關鍵技術,并利用關鍵技術設計實現了一個汽車虛擬裝配系統,完成了虛擬裝配系統的開發和發布。
                        以下為本篇論文正文:

                        摘要

                          虛擬裝配技術在虛擬現實領域的研究已經非常廣泛,在工業界,對虛擬裝配的應用也很普遍,構建虛擬裝配平臺對于我國工業的快速發展很有必要。本文為了開發一套完整的汽車虛擬裝配系統,主要研究了系統開發中用到的裝配序列規劃方法和碰撞檢測技術,并利用這兩個關鍵技術設計實現了一個汽車虛擬裝配系統,完成了虛擬裝配系統的開發和發布。

                          首先,闡述了傳統虛擬裝配系統的原理以及存在的問題,從軟件和硬件方面分別對系統的開發環境構成進行了陳列,通過分析目前虛擬裝配的問題從而得出本文系統的設計目標和系統框架,確定了汽車虛擬裝配平臺的總體設計方案。引出該系統中的關鍵技術和相關軟件,選用 Unity3d 平臺和 visual stdio 2015 進行系統軟件的開發。

                          其次,對于汽車虛擬裝配系統中的裝配序列規劃技術,本文使用并介紹了改進的自適應蟻群算法,生成汽車零部件虛擬裝配序列。通過實例分析證明自適應蟻群算法滿足裝配序列評價指標,能夠實現對汽車零部件最優裝配序列的生成和規劃。

                          再次,對于汽車虛擬裝配系統中的碰撞檢測問題,在分析傳統包圍盒算法優缺點的基礎上提出了基于 Sphere 和 k-Dops 的混合包圍盒算法,從混合盒樹的建立和更新上進行了改進。并通過相關的碰撞檢測實驗,證明混合包圍盒算法能夠達到對剛性零件之間進行實時碰撞檢測的效果,尤其在處理對復雜環境的檢測時性能能夠得到充分展現,對系統的合理準確裝配起到了作用,大大提高了虛擬環境中的碰撞檢測效率。

                          最后,綜合需求分析和框架設計等信息,規劃了本系統的開發流程,進行功能設計,通過 unity 3d 和 C#程序結合設計并開發出虛擬裝配平臺,并最終將實現的汽車虛擬裝配系統通過 Unity3d 發布到 Windows 平臺上。

                          關鍵詞:汽車虛擬裝配,裝配序列規劃,碰撞檢測,蟻群算法,包圍盒

                        Abstract

                          Virtual assembly technology has been widely used in the field of virtual reality. In the industrial field, the application of virtual assembly is also very common. It is necessary to build a virtual assembly platform for the rapid development of China's industry. In order to develop a complete set of vehicle virtual assembly system, this paper mainly studies the assembly sequence planning method and collision detection technology, and uses these two key technologies to design and implement a vehicle virtual assembly system, complete the virtual assembly system development and release.

                          Firstly, the principle and existing problems of the traditional virtual assembly system are expounded. The development environment of the system is displayed from the software and hardware respectively. By analyzing the current virtual assembly problem, the design goal and the system framework of the system are obtained. The overall design scheme of the vehicle virtual assembly platform is determined.The key technology and related software of the system are introduced, and the system software is developed by using Unity3d platform and visual stdio 2015.

                          Secondly, for the assembly sequence planning technology of automobile virtual assembly system, this paper uses the improved adaptive ant colony algorithm to generate the virtual assembly sequence.It is proved that the adaptive ant colony algorithm satisfies the evaluation index of the assembly sequence, and the generation and planning of the optimal assembly sequence of the auto parts can be realized.

                          Thirdly, for the collision detection problem in virtual assembly system of automobile, a hybrid bounding box algorithm based on Sphere and k-Dops is proposed based on the analysis of the advantages and disadvantages of the traditional bounding box algorithm, which is improved from the establishment and updating of the hybrid box.And through the relevant collision detection experiments, it is proved that the hybrid bounding box algorithm can achieve the effect of real-time collision detection between rigid parts, especially in dealing with the complex environment, the detection performance can be fully reflected and demonstrated .And it is usable for the reasonable and accurate assembly of the system, greatly improving the efficiency of collision detection in virtual environment.

                          Finally, integrated requirements analysis and framework design information, planning the development process and function design of the system.The virtual assembly platform is designed by combining unity 3d and C # program.And finally the virtual assembly system of the automobile will be released to the Windows platform through Unity3d.

                          Keywords: virtual assembly,assembly sequence planning, collision detection, ant colony algorithm, bounding box

                          “莊周夢蝶”的故事已不再虛幻飄渺,在現代科技飛速發展的步伐下,這種“虛”與“實”得到了科學的詮釋。虛擬現實就是利用計算機技術模仿制作現實生活中的發生的事情和物體,通過計算機對復雜數據進行可視化處理和交互的一種全新的方式,給人以真實感。人們通過身臨其境地操作計算機控制系統和外部硬件設備,達到學習、訓練、觀看、評估的目的。虛擬現實不光可以模仿事物的流程,就連聲音、氣味、思想這些看不見摸不著的東西都可以模擬。在生活中的方方面面都可以用到虛擬現實技術,虛擬現實技術在日常生活中也越來越普及,與此同時,人們越來越追求高效率的產品,面對人們的要求不斷提高和市場的競爭日漸激烈,相關技術的研發必須努力順應社會的發展,滿足人們的要求,投入新的研發理念和新的制造手段,研發制造各種新興高科技產品。

                          在工業領域,虛擬現實技術已經應用頗深,在工業上,傳統的笨重又昂貴的機器已經不能滿足人們的需求,一方面,操作起來很不方便,維修起來也不方便,不利于靈活操作和學習;另一方面,更新換代太過于浪費,一旦一個器件需要更換,相關的一系列都得更換,操作系統的更新也不方便,滿足不了時代的進步。各方面的要求都促使了虛擬技術的發展和使用,裝配階段是產品制造的末枝階段,裝配的質量好壞和效率直接影響產品的好壞。虛擬裝配技術不但可以讓裝配過程重現,及時發現裝配中出現的錯誤,還能夠提高裝配效率。對于產品重復的裝配過程,有了虛擬裝配,省去了很多勞動力的無限重復,對于產品的開發起著很重要的作用,對于虛擬制造效率和質量的提高至關重要,為產品的制造奠定了扎實的基礎。

                          傳統的裝配訓練只能在實際車輛上進行,每次都要對車輛進行檢查、維修、清洗,還要有專業人員指導。模擬器占用空間大,不易攜帶,花費大,實際操作有時空局限。如果每次都實際操作演練,無疑增加了不少不必要的開銷,浪費了很多時間和成本。際裝配訓練對各方面要求都很高,是一項復雜而嚴苛的工程。這是因為前期的測試裝配是成功裝配的前提,因此對參訓人員有著嚴格要求,他們必須認真學習一些系統關鍵技術和操作原理,并要反復訓練設備操作能力,以保證實際裝配時做到萬無一失,否則任何一點細微的失誤都可能帶來整個任務的失敗[1]。裝配序列也是通過專業人員的記憶來傳授,一步錯了只能拆了重新裝,不會及時給出提示。所以,為了實現準確裝配,避免出現失誤,必須要有相當成熟可靠的理論背景作支持。

                          虛擬裝配技術的提出是為了提高產品開發效率和質量,構建一個具有真實感的虛擬系統,用戶可以在虛擬系統中進行真實的裝配操作和規劃,對產品的裝配性能進行測試和評估,并制定合理的裝配程序[2]。對于產品模型的復雜部件,使用虛擬裝配技術可以優化產品設計,減少甚至避免物理模型的重復,可視化裝配過程的交互式形式,以及時發現裝配問題和缺點,從而使零件模型或組裝方式跟進,實現并行開發,不但加快了產品的開發,還能保證產品的組裝質量[3]。

                          虛擬裝配技術從 20 世紀 90 年代中期演變到現在,前后已經經歷了三個階段:第一階段是提出理論和改進階段;第二階段是自主研發階段;第三階段是在行業中投入使用階段。有人參與或者主導開發的虛擬裝配系統已經投入使用,小到小零件的裝配,大到通信衛星的裝配,一次次成功證明了虛擬裝配的重要性和重要意義和價值。裝配技術也體現了一個公司乃至國家的產品研發綜合實力,在重要產品中,一個很小的微不足道的問題,甚至肉眼觀察根本發現不了的問題都可能成為產品失敗的重要原因,釀成嚴重的錯誤和后果。

                          國外的虛擬現實研究比國內要起步早很多,主要以美國為代表,德國、日本等國家也在虛擬技術上取得了一些成果。國外的虛擬現實研究也大部分集中在高校,研究比較出色的大學以麻省理工學院和華盛頓大學為首,已經取得了舉世的成果。在各個領域都有著不可超越性的研究成果,對虛擬建模、虛擬手、虛擬交互等不同方面都進行了研究,領域包括虛擬手術、衛星虛擬訓練、虛擬建筑、虛擬工業系統、虛擬廚房等等,涵蓋了生活的所有方面。福特公司開發了虛擬研制車輛的虛擬環境系統,通過在虛擬環境中裝配零部件,發現問題,總結經驗,得出結論,這種研發手段大大縮短了研發周期,并且裝配精準、高效。

                          參考文獻[4]的作者 Jayaram 等人研究開發了虛擬裝配系統 VADE,系統主要研究了裝配系統的交互,提供了兩種交互方式:“虛擬手—裝配工具—零件”以及“虛擬手—零件”[4]。參考文獻[5]的作者 Yong Wang 等人研究開發的虛擬裝配系統完成了實際裝配過程仿真,充分考慮到了其它裝配條件對裝配操作的影響[5]。

                          美國亞利桑那州立大學的Ye[6]等人和英國伯明翰大學的Bound等人進行的試驗結果表明,通過在虛擬環境下操作,能提高用戶的注意力,加快裝配過程的學習和完成。Bonnevil、Sebaaly F 和 Lazzerini[7]等提出使用遺傳算法以及改進的基于分段編碼的遺傳算法求解裝配序列規劃問題中的組合爆炸問題。Cem、Chen[7,8]等人提出一種具有復雜結構的三層神經網絡結構來解決虛擬裝配序列。Ong[9]等人提出了一種具有較強局部搜索能力的模擬退火算法,但該算法對于復雜產品的裝配序列規劃,其全局搜索能力和整體裝配效率不高。Lazzerini、Marcelloni、Guan[10,11]等人用遺傳算法(GA)確定最佳的裝配順序。Moore 和 Wilhelems 提出了一種凸多面體間的碰撞檢測算法。

                          Hubbard 為了確保交互提出了一種碰撞檢測算法,他使用“時空定義(時空界限)”四維結構,使測試程序可以根據實時交互的需要動態調整碰撞檢測精度,計算所需的實時交互時間。日本在虛擬現實技術方面,在一些領域上也是有比較突出的成果的,他們研究的虛擬模型以及虛擬環境下對模型的處理很出色。日本的 N.Abe 等人研究開發了基于CATIA 平臺的汽車可視化裝配系統。德國研究建立了一套虛擬裝配規劃體系,利用虛擬技術很好的進行了汽車裝配,并對汽車裝配作了評價。

                          汽車虛擬裝配系統模塊設計:

                        基于 3d Max 創建的汽車模型
                        基于 3d Max 創建的汽車模型

                        Unity3d 中的零件模型
                        Unity3d 中的零件模型

                        Unity3d 中的零件材質
                        Unity3d 中的零件材質

                        系統登錄界面
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                        提示輸入錯誤的用戶名或密碼
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                        系統主界面
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                        裝配主界面
                        裝配主界面

                        三維零部件模塊
                        三維零部件模塊

                        發動機展示
                        發動機展示

                        零件列表高亮顯示
                        零件列表高亮顯示

                        目 錄

                          1 緒 論
                            1.1 研究背景與意義
                            1.2 國內外研究現狀
                              1.2.1 國外研究狀況
                              1.2.2 國內研究狀況
                            1.3 本文的主要研究內容
                            1.4 本文章節安排
                          2 汽車虛擬裝配系統總體設計
                            2.1 系統開發環境
                            2.2 系統設計目標
                            2.3 系統框架結構
                            2.4 系統關鍵技術
                              2.4.1 裝配序列規劃方法
                              2.4.2 碰撞檢測技術
                            2.5 本章小結
                          3 基于改進蟻群算法的裝配序列規劃
                            3.1 蟻群算法的基本原理
                            3.2 蟻群算法的特點
                            3.3 改進的蟻群算法在 ASP 中的應用
                              3.3.1 裝配轉移概率的設置
                              3.3.2 自適應信息素更新策略
                            3.4 裝配序列的評價及優化
                              3.4.1 影響裝配的主要因素
                              3.4.2 裝配序列評價指標
                              3.4.3 裝配序列解的優化
                            3.5 實驗結果及分析
                            3.6 本章小結
                          4 基于 Sphere 和 K-Dops 的碰撞檢測算法
                            4.1 碰撞檢測的基本算法
                            4.2 基于 Sphere 和 K-Dops 的混合層次包圍盒算法
                              4.2.1 混合包圍盒樹的構造
                              4.2.2 混合包圍盒樹的更新
                            4.3 混合包圍盒的算法流程
                            4.4 實驗結果及結論分析
                            4.5 本章小結
                          5 汽車虛擬裝配系統的設計與實現
                            5.1 系統開發流程
                            5.2 系統功能模塊設計
                            5.3 系統的實現過程
                              5.3.1 場景模型的制作
                              5.3.2 用戶界面的制作
                              5.3.3 三維零部件的設計
                              5.3.4 虛擬裝配過程的實現
                              5.3.5 碰撞檢測的實現
                              5.3.6 考核的設計
                              5.3.7 虛擬裝配系統軟件的發布
                            5.4 本章小結
                          6 總結與展望
                            6.1 全文總結
                            6.2 展望
                          參考文獻
                          致 謝

                        (如您需要查看本篇畢業設計全文,請您聯系客服索。

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