仿真系统机械工程论文范文第1篇
【摘要】 頻谱资源紧缺已成为限制无线通信技术发展的瓶颈，轨道角动量作为一种新型复用维度，由于其能够实现在同一频率同时传输多路信号，可以有效的提高系统的容量。本文通过对轨道角动量通信系统的误码率进行分析，并在此基础上引入信道编译码，建立了基于轨道角动量的通信系统编译码模型。实验结果表明，高斯噪声环境下，不同调制方式下轨道角动量通信系统误码率与标准通信信道结果相近，相比较2FSK、2PSK而言， 轨道角动量通信系统中QAM调制具有更稳定、更优秀的性能。同时，模型中信道编译码的引入为今后轨道角动量通信系统在提高通信系统容量、解决系统模式串扰等方面建立了研究基础。
【关键词】 轨道角动量 RS码 模式串扰 模型 误码率
随着通信技术的不断发展与更新，频谱资源需求也随之上升，如何能够更有效的利用频谱资源已经成为了人们研究的热点。轨道角动量作（orbital angular momentum ，OAM）为一种与相位、幅度、极化完全不同的新型维度被引入到无线通信中。关于OAM的编码[1]问题，主要有两个方向，一种是对OAM本身进行编码，将不同的模态对应成不同的码字进行传输；另外一种就是将OAM涡旋波作为载体进行信息传输。理论上OAM涡旋波在同一频率的各模态之间是正交的，互不干扰。但是，实际无线通信系统信号在传输过程中，由于涡旋电磁波产生方法存在的一些缺陷，会引起信号的失真、模式串扰等问题[2]，信道编译码技术此时就显得尤为重要。里所（Reed-Solomon，RS）码其纠错能力强、构造方便算法相对简单等优点，逐步成为一种最有效、应用最广泛的信道编码。
本文提出一种基于RS码的多模态OAM通信系统信道编译码的实现方法。首先通过对OAM通信系统的研究，建立相应的模型。然后在此模型中引入RS编译码模块来实现多模态OAM通信系统信道编译码，为解决OAM各个模态串扰、信号失真等建立研究基础。
一、轨道角动量的信道编译码原理
在这一部分，我们提出如何通过在轨道角动量通信系统引入信道编译码来解决系统出现信号的失真、模式串扰等问题。
其中E，B分别为电场强度和磁感应强度， ε0为真空中的介电常数，r为场点的矢径。
SAM只有水平极化、垂直极化和圆极化三种状态，而OAM在理论上是具有无限多个状态的，而这无限多个状态又是相互正交的。
对具有OAM的通信系统进行信道编译码，实现多路信息的同频传输，有利于提高系统性能。图1为OAM通信系统编译码框图，通过在多模态OAM通信系统引入传统的RS码，将RS码与OAM很好的结合在一起，能够有效的降低系统误码率。
RS码的译码是从计算接收码字的伴随式入手。首先通过接收多项式r（x）求得N-K个伴随式。然后通过求解错误位置多项式来求解错误位置，根据错误位置找出错误值，得到实际错误符号个数，确定错误多项式。最后，将错误多项式与接收多项式对应位置相加，完成纠错。
二、通信系统建立
由于涡旋电磁波受相位影响较大，所以假设本文的OAM通信系统的发送端与接收端是视线传播。
本文所讨论的OAM通信系统是采用均匀圆形阵列天线（uniform circular arrays，UCA）产生携带OAM的电磁波。基于UCA的OAM通信系统模型如图2所示。OAM通信系统在发送端和接收端分别采用阵列天线，在发送端，可以通过改变阵元间馈电相位的关系来获得不同模态的OAM波。规则排列的圆形阵列多天线系统，利用电磁波的干涉和叠加原理，控制各个阵元之间馈电的相位差，获得涡旋电磁波的不同模态值。在接收端，系统通过UCA接收涡旋信号，实现涡旋信号的解调后，信息得以恢复。
系统中数字调制与解调主要采用三种方式： FSK，PSK， QAM。仿真系统的构建主要在于两个部分，发送端的螺旋调制器和接收端的螺旋解调器[6]。系统中采用缓存器对数据进行缓存，以此得到一个完整周期的数据。发送端螺旋调制器的功能就是将要传输的信号进行复制和移动相位l？？ false，相当于将一列串联信号转换成并联信号进行发送。其中，φ表示相移的大小。各个相移信号对应一个天线，各个天线的信号相同且独立。要产生l个模态值，需要2l+1个天线。接收端螺旋解调器就是螺旋调制器的反向处理过程。螺旋解调器的作用就是将接收到的涡旋电磁波信号进行相移，使他们具有相同的相位并且叠加，如同并联信号到串联信号的转换。
三、实验结果
本文对所建立的OAM通信系统进行研究，分别对不同调制方式下未引入信道编译码的OAM通信系统与引入信道编译码的OAM通信系统进行了仿真分析。
3.1 不同调制方式下OAM通信系统的误码率
2FSK调制方式下基带系统的误码率曲线与理论的非相干检测误码率曲线相近。本文分别取本征值为l=2、l=3、l=4，对系统进行了误码率曲线的绘制，结果如图3（a）所示。2PSK调制方式下系统的误码率曲线如图3（b）所示，与2PSK调制下的误码率理论值相比较，当具有高的信噪比的时候OAM通信系统误码率更高，主要是因为OAM通信系统是通过相移操作来达到我们要的效果，所以对相移比较敏感。相比较2FSK、2PSK，无线通信中QAM调制具有更稳定、更优秀的性能。QAM调制比2PSK的具有更高的比特率，比2FSK有更低的错误概率。当QAM调制方式引入到OAM通信系统中，系统的误码率也比传统的QAM调制的误码率理论值更低，如图3（c）所示。仿真中所采用的QAM星座映射方式是最简单的星座映射方式环状8-QAM。
3.2 基于RS碼信道编译码的实现
为了解决因电磁涡旋波产生方法存在的一些缺陷，如涡旋电磁波在发送接收时天线不能对准、信道失真等情况引起的模式串扰等问题，需要在系统中加入信道编译码。
本文采用了多进制编码RS（7，3）码，调制方法采用8-QAM调制，以此来分析基于RS码的OAM通信系统的信道编译码实现。仿真结果如图4所示：
图4中QAM调制方式下，OAM通信系统的性能比理论上的QAM调制下更好。为获得同一误码率，OAM通信系统需要更低的信噪比。同时，在同一信噪比的条件下，OAM通信系统比传统的通信系统具有更低的误码率。
五、结束语
在本文中，我们研究了将OAM作为无线通信中一种调制方式应用RS编译码的一种通信系统。采用门特卡罗仿真来验证OAM应用在无线通信中的可行性，通过分析可以看出实现多路信息在同一频率的传输，可以提高频谱利用率，最终解决频谱资源有限的问题。所以，基于OAM系统的无线通信系统在下一代无线通信技术中具有很大的应用价值。我们可以采用多种方式来解决OAM在无线通信中的模式串扰问题 ，如：均衡技术、OAM时分编码、自适应调制和信道编码等。本文通过在OAM通信系统引入RS码，为今后研究OAM通信系统信道编译码提供了研究基础。RS码是一种特殊的多进制码，它可以解决生成多项式纠错能力的关系问题。并且由于RS码具有纠正多个错误的能力、编码效率高等特点，很适合用作OAM通信系统信道编译码的前期研究，并且可以为后期对OAM通信系统信道编译码的研究建立一定的研究基础。
参 考 文 献
[1] Allen B， Tennant A， Bai Q， et al. Wireless data encoding and decoding using OAM modes. Electronics Letters， 2014， 50（3）： 232-233
[2] Ren Y， Zhang Y， Yue Y， et al. Efficient crosstalk mitigation of OAM based 400-Gbit/s QPSK data transmission in 1.1-km vortex fiber by using soft-decision LDPC codes： CLEO： Science and Innovations ， 2013 .America， 2013： CM2G. 5.
[3] Nevels.R， Kish.L. Twisted waves： concept and limitations[J].Antennas and Propagation Society International Symposium（APSURSI） on IEEE ， 2013，978（1）：1460-1461.
[4] Gaffoglio R， Cagliero A， De Vita A， et al. OAM multiple transmission using uniform circular arrays： numerical modelling and experimental verification with two digital television signals. arXiv preprintar Xiv：1511.02341，2015.
[5] 白婷婷. 高速通信系统中RS编解码的应用. 电子测试，2015，23（02）：57-59.
[6] Gaffoglio R， Cagliero A， De Vita A， et al. OAM multiple transmission using uniform circular arrays： numerical modelling and experimental verification with two digital television signals. arXiv preprintar Xiv：1511.02341，2015
仿真系统机械工程论文范文第2篇
1 井架起升液压系统模型的建立和仿真
1.1 井架起升液压系统工作原理简介
图1为A型井架示意图, 1为伸缩缸即推力液压缸, 内外两侧各有一个, 推动整个井架上升或下降。图2为井架起升液压系统原理图, 其中比例换向阀可以控制液压缸的运动方向和快慢;液压缸停止运动时, 依靠平衡阀的单向密封性, 能锁紧运动部件, 防止自行滑落;同时平衡阀还可以起到控制活塞下行速度的作用, 以防止液压缸下行速度过快时产生冲击及振荡。
1.2 AMESim中仿真模型的建立和仿真
在AMESim软件中建立井架起升液压系统模型草图, 并连接各元件如图3所示。然后选择子模型, 设置模型参数。其中部分参数设置如下:泵转速1000rev/min, 排量100cc/rev;增益K200;位移信号为0.1m;液压缸最大行程0.3m。在运行模式下设置仿真运行时间, 最小采样时间等参数, 最后运行仿真。若在运行过程中出现提示或错误可适当修改部分模型或更改参数大小。
2 仿真结果分析
当两路推力液压缸所加负载F=F=1000N时, 它们的运行位移和速度曲线分别如图4、图5所示。由位移和速度变化曲线可知, 两推力液压缸的运动完全是同步的。
当两路推力液压缸所加负载不相同即F=1000N不变, F分别为500N和100N时, 它们的位移和速度对比曲线如图6所示。可知, 两推力液压缸的运动也具有很高的同步性。
3 结语
根据以上仿真结果分析可得到以下结论。
(1) 当两路推力液压缸所加负载相同时, 两液压缸的位移和速度有很好的同步性。
(2) 当两路推力液压缸所加负载不相同时, 两液压缸的位移和速度也有很好的同步性。
(3) 给定一个输入位移, 通过闭环反馈比例控制, 最后能实现对液压缸位移的较精确控制。
因此, 通过在AMESim软件中建模仿真证实了井架起升液压系统完全可以满足实际需要, 有良好的同步性, 从而保证两路液压缸等速平稳推动井架上升或下降。
摘要：为了验证井架起升液压系统的实际可行性, 并了解两路液压缸同步等速平稳推动井架上升或下降的实际效果, 在液压仿真软件AMESim中建立井架起升液压系统模型、设置参数、进行仿真, 最后得到一系列变化曲线。通过分析两液压缸的速度和位移变化曲线可以知道, 该系统具有很好的同步性, 可以充分满足实际要求。
关键词：井架起升,AMESim,同步控制,仿真
参考文献
[1] AMESim8.0a用户手册[S].
[2] 王守城, 容一鸣.液压传动[M].北京:中国林业出版社, 北京大学出版社, 2006.
[3] 付永领, 祁晓野.AMESim系统建模和仿真[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2006.
[4] 雷金柱, 杨非, 贾建涛.基于AMESim和MATLAB的液压同步系统的仿真分析[J].中国水运 (下半月) , 2008 (3) :175～176.
[5] 王世明, 陈传宁, 李天石.双缸同步系统的自学习控制[J].液压气动与密封, 1999 (3) :25～27.
[6] 李永堂, 雷步芳, 高雨茁.液压系统建模与仿真[M].北京:冶金工业出版社, 2003.
[7] 机械设计手册编委会.机械设计手册 (第4卷) [S].北京:机械工业出版社, 2004.
仿真系统机械工程论文范文第3篇
1 现有仿真软件
随着计算机技术的发展, 仿真已成为混合动力汽车重要的分析手段, 推出了多种混合动力力仿真软件。
目前有代表性的软件有德国d Space公司开发的ASM (Automotive Simulation Models) 仿真模型库、美国国家再生能源实验室 (National Renewable Energy Laboratory, 简称NREL) 开发的ADVISOR (Advanced Vehicle Simulator, 先进汽车模拟程序) 、奥地利AVL公司研究开发的CRUISE仿真分析软件、基于MAT-LAB电力系统分析工具包PSAT稳态仿真软件、奥地利AVL公司研究开发的CRUISE仿真分析软件等。
但上述已有的混合动力仿真软件或实时性差、或与控制逻辑对接能力差、或开放性差, 尤其是发动机模型, 不能满足本研究的要求, 需要自主开发。
2 仿真方法
根据仿真方法信息流向的不同, 混合动力系统仿真方法可以分为前向仿真和逆向仿真两种。
(1) 前向仿真, 以驾驶员的意图为输入, 计算在驾驶循环操作下仿真系统运行状态, 所以数据流向与实车操作过程中的能量流方向相同, 计算过程与汽车行驶时各部件的实际工作过程相一致。在前向仿真中, 驾驶员模型是数据流的输入, 整车控制器从驾驶员模型得到油门开度和制动踏板开度, 然后由整车控制器根据控制策略进行转矩需求和能量分配, 将转矩需求和状态参数发送给各个子系统。
由于前向仿真以驾驶员的意图体现路况需求, 而驾驶员的意图直接作为控制系统驾驶循环的输入, 它对控制逻辑的调用过程和实车在路上的状态一致, 所以前向仿真对系统控制逻辑开发更有利, 更直接。
(2) 逆向仿真, 以系统的需求对象为输入条件, 即将假定的驾驶循环路况特征为系统输入, 根据工况需求仿真得到系统工作需求和各子系统的状态需求。逆向仿真更着重于系统性能的体现。在仿真过程中, 以系统需求为输入, 根据各子系统的性能参数和工况特性, 如驱动系统各部件必须具备和可以得到的转矩、转速、功率等信息, 得到各子系统所需的能量消耗, 进而得到整车系统在设定的行驶循环工况下的燃油消耗和电池电量消耗。
逆向仿真模型结构简单, 模型运行时间短, 能较好地反映系统性能特征, 当在特征路况下进行系统设计、性能匹配等工作时, 逆向仿真可以提供有效支持。
3 建模方法
仿真系统从使用的建模方法又可以分为实验数据法、理论机理法以及两种模式结合的复合仿真。在混合动力系统中发动机模型构造复杂, 很难线形化, 所以混合动力系统中发动机采用的仿真建模方法通常直接决定了系统的建模方法。
(1) 实验数据仿真法, 根据大量的台架实验数据, 以经验MAP或者数据拟合公式的方式确定某一款发动机输入输出特性。该方法建立的模型主要由实验得来的经验MAP和数据参数构成。
(2) 理论机理仿真法, 依托动力学原理、流体力学知识、燃烧理论和热传导理论等, 分析发动机的工作过程, 将发动机的物理实物公式化, 建立运动机构的动力学方程。
(3) 复合仿真法, 结合试验数据和理论公式。一方面, 利用试验数据得出简化的特性数据, 完成难以公式归纳和有大量闭环迭代的仿真部分, 满足理论公式边界条件要求;另一方面, 需要将理论公式与试验数据接合, 用离散化方法消除其可能存在的迭代收敛影响, 将复杂的数学问题简化成可执行的仿真逻辑构架。该仿真方式偶尔在复杂的电控系统控制逻辑中见到, 其仿真模型通常用于计算目标设定值和估算值。
实验数据法, 仿真模型简单, 仅依靠一个或几个经验数据函数就可以完成混合动力发动机的仿真模型, 其优越性在混合动力整车性能分析过程中得到体现。但难以描述发动机的实时特性, 无法与控制逻辑连接, 也体现不出发动机控制系统参数变化引起的系统性能变化。理论仿真模型计算时间长, 需要大量的外边界条件, 迭代计算过程与真实电控制系统控制过程不同, 造成仿真与实际控制输入信号无法兼容。
仅单独使用试验数据法、理论机理法, 或者两种方法建立的模块简单拼接都不满足系统实时性以及与和真实控制逻辑连接的需求。而使用复合仿真模式搭建动态发动机模型, 虽然理论理解能力要求高——需要对多处收敛公式进行解环处理, 工作量大——大量的数据分析和边界条件规划, 但却是建立实时性发动机瞬态特性数据仿真模型, 并与真实控制策略对接的唯一手段。
4 结语
通过分析已有的仿真软件、仿真方法和建模方法, 本文建立自主开发的混合动力柴油机瞬态仿真模型, 并在此基础上通过前向仿真方式完成混合动力系统模型及数据分析处理软件。
摘要：通过对混合动力柴油机仿真软件、仿真方法和建模方法的分析, 发现现有仿真软件的不足, 需要通过前向仿真方式自主开发混合动力系统模型及数据分析处理软件。
关键词：混合动力柴油机,仿真,建模
参考文献
仿真系统机械工程论文范文第4篇
1 新的教学理念和教学手段
采用通过实践以学习的教学理念, 激发学生探索创造的积极性, 真正提高学生的动手能力和综合能力。从学生角度, 通信系统仿真课程不再是单纯的概念和思想的传授, 而是自己主动性地介入到通信系统仿真的理解当中;从教师角度, 通信系统仿真课程不再是经典的教学结论, 而是不断探索并与学生同成长的过程;从教学手段上来说, 改变传统教学方法, 形成以项目来驱动, 以案例为导向的教学方法。同时, 针对不同专业方向, 不同接受能力的同学, 因材施教, 采用不同级别的案例教学。
2 构建体系化的通信系统仿真课程系列
通信系统仿真课程涵盖的知识面很宽, 涉及的课程较多, 学院以通信系统仿真课程为基础的课程体系, 起到“承前启后”的作用, 即除了本学科体系外, 也包括相关的课程体系, 如《EDA及VHDL语言》《DSP》《ADS》《射频仿真设计软件—以Agilent EEsof EDA为例》《Matlab语言/Simulink图形化仿真》《System View》《通信网络仿真》等课程体系, 这些课程体系将加速通信系统从概念、仿真到实现的优化设计过程。通过课程体系的研究及梳理, 如果这些课程得到系统开展, 将可以极大的提升学生学习的科学性、系统性以及实用性。同时, 各相关课程也通过通信系统仿真课程实现了理论与实践的结合。
3 创新的实验手段
原来教学活动中主要采用Math Works公司开发的Matlab语言作为仿真工具[2], 但其存在着可读性、可重用性和可扩展性差, 人机界面不友好, 维护困难等缺点, 即便通信工程师在Simulink仿真环境下搭建仿真模块实现通信系统的分析和仿真, 也多数是针对具体问题搭建若干具体的仿真模块。学生使用这一仿真平台时, 编写通信仿真程序时必须考虑代码方面的问题, 再加上如果对专业课程理解不深刻, 就会感觉吃力。从而影响到对专业课程的学习兴趣以及对内容的理解, 因此, 为提高课程设计的教学效果, 将Systemview[3]等软件引入到通信系统仿真课程设计中, 有效的解决以上问题。
4 教学方式和内容改革
通信系统仿真研究生课程是通信学院2000年开设, 初期课程过多、偏重于理论的教学, 并且仿真实验内容大部分为验证实验, 学生创新的环节很少, 而且由于条件限制, 都要求学生在堂下自己进行。将课程理论与实践完美, 需要从教学方式和内容上有所改进。2010年根据研究生创新教育的培养模式转变改为结合理论和实验, 以实验为主的研究生专业课程, 将通信系统仿真课程从理论课教学改为实验室课程。
通信系统仿真课程教学分为三个阶段, 即:理论教学+典型仿真实践+案例设计, 其中, 理论环节是基础, 典型仿真实践是过渡, 案例设计达到目标。理论教学阶段, 通过讲解通信系统仿真理论使学生掌握通信系统仿真的知识体系架构、各个关键子系统及大系统的建模与仿真的基本原理和设计方法;典型仿真实验阶段, 学生可以通过完成软件包提供的实验加深对典型通信系统仿真的了解, 提高动手能力和学习初步的开发技能和技巧;案例仿真设计阶段为提高阶段, 由学生自主设计实验案例, 组成包括仿真预处理、仿真引擎、仿真后处理等模块的较完整仿真案例, 然后在大的通信系统仿真试验中使用自己的模块完成不同研究方向的开放性课题的实际功能验证, 提高学生的创新能力。
在实验内容的筛选上, 将典型通信系统与当前复杂的通信新技术融合起来, 实现实验内容传统性和时效性的紧密结合。基本通信理论仿真题目主要包含各种调制与解调方法、信道编码、PCM编码与传输等内容。教师给出课题要完成的各项指标, 要求学生自行设计、实施、调试及仿真时序波形, 分析、总结课题中的问题, 既体现了设计的灵活性, 也给学生留下了创新机会, 使学生初步掌握现代数字通信系统的基础理论以及仿真方法。典型通信系统综合性实验综合了各通信模块单元的实验内容, 将模拟信号数字化、编码解码、时分复用、各种调制解调 (如QPSK, QAM) 、滤波等多个环节结合在一起, 培养学生综合运用所学知识的能力。融合了通信系统原理、数字通信原理、信号与系统、数字信号处理等课程, 在复杂性实验环节中, 我们结合目前现代通信理论和新技术, 围绕数字视频广播DVB、基于无线局域网技术的OFDM、蓝牙等技术展开研究和实验, 学生自由选取实验内容, 通过查阅文献设计通信系统, 计算实验参数, 最终完成总体设计。使得学生在已有知识的基础上, 扩展知识结构、跟踪科技前沿, 充分了解和掌握现代通信技术。在新技术实验环节方面, 围绕宽带CDMA/MIMO-OFDM通信的上行链路、下行链路以及各种信道特性进行仿真。深刻理解3G/B3G技术内涵, 把握通信新技术的发展方向。经过两年的建设, 通信系统仿真课程设计建立了如图1所示:通信基本理论实验→典型通信系统设计→复杂通信系统设计→新技术应用→创新实践等多层次实践体系。体现了基本途径与综合途径相结合, 课内与课外相结合, 知识学习与经验积累相结合的立体化体系特点。
5 结束语
针对研究生创新型通信系统仿真课程教学的特点, 制定合理的教学内容, 采用科学的教学方法, 提供先进的教学条件, 在培养创新型研究生上进行了有益的探索, 从而最终取得良好的教学效果。所培养研究生先后在挑战杯赛中获得全国二等奖、研究生电子设计竞赛中获得西南赛区二等奖等。
摘要：对本校“通信系统仿真”课程进行创新性改革。采用新的教学理念和教学手段, 构建体系化的通信系统课程系列, 形成了多层次实验内容和仿真实验手段。通过理论教学阶段、典型通信系统模块及仿真阶段、案例仿真设计阶段三个阶段的衔接, 培养学生创新性开发设计的意识和能力。实践表明, 教学改革取得了显著的效果。
关键词：通信系统仿真,创新性改革,仿真实验
参考文献
[1] 张素香, 李保罡, 王雅宁.基于创新型人才培养的通信系统仿真课程教学研究[J].中国现代教育装备, 2011 (17) .
[2] 邵玉斌.Matlab/Simulink通信系统建模与仿真实例分析[M].清华大学出版社, 2008.
仿真系统机械工程论文范文第5篇
1.1 医学数据处理
主要包括数据存取数据预处理。对于医学仿真系统来说, 医学数据存取I/O模块是进一步数据处理的基础。I/O模块需要对常见的医学图像种类提供存取和显示功能。在I/O模块存取医学图像之后需要对原始图像中感兴趣的部分进行提取和数据预处理, 然后才能进行下一步的三维重建和可视化处理。这里需要一些预处理技术, 比如图像增强、边界提取、分割和配准等等。Insight Segmentation and Registration Toolkit (ITK) [2], 是一个开源软件系统, 广泛的用于医学图像数据集的分割和配准。
1.2 三维重建
经过数据预处理阶段以后, 需要进行进行三维体数据可视化。最常用的绘制技术包括面绘制和体绘制。面绘制根据采样值的分布变化确定物体的边界, 然后用适当的数学方法描述物体表面, 进而表现器官和软组织表面特征。体绘制在不构造物体表面几何描述的情况下, 直接对体数据进行显示, 可以不同的程度表现物体的细微结构变化[3,4]。面绘制通常比体绘制速度要快, 但需要避免出现一些绘制错误的发生。常用的算法是移动立方体Marching Cubes[5]及其变形。Visualization Toolkit (VTK) [6]是一个常用的三维数据可视化显示的开源工具库。
1.3 变形模型
仿真的真实感很大程度上取决于仿真的准确性和变形模型下的计算效率。变形模型应该能够准确的模拟器官和软组织被刺戳、拉伸、切割时引起的形变, 并在绘制的时候保持必要的实时性。物理模型能够体现物理的材料特性。在手术仿真中, 质点弹簧模型和有限元模型是最经常使用的两种三算法。离散的质点弹簧模型计算复杂度低且易于实现。有限元模型对连续特征进行严格的数学分析来进行机械建模, 从而得到了较好的仿真精度, 但是会产生较大的计算量。
1.4 碰撞检测
在手术仿真过程中, 虚拟手术器械和虚拟器官之间的碰撞检测至关重要。层次包围盒方法经常用于碰撞检测, 包括沿坐标轴的包围盒 (AABB) 、包围球 (SBB) 、方向包围盒 (OBB) 等。为了保证碰撞检测的实时性和精确性, 在此可以考虑采用混合模型算法, 将OBB和AABB结合起来发挥各自不同的优点。AABB首先用来初步检测碰撞是否发生, 如果发生了碰撞再用OBB进行精确检测。否则, 在采用OBB算法之前碰撞检测结束。
1.5 虚拟切割
在仿真手术过程中, 对虚拟手术刀、超声波刀这些虚拟手术器械的使用无疑将会对医科学生或者新医师在今后实际手术操作中起到极大的帮助作用。通常虚拟切割分为累进切割和非累进切割两种。非累进切割在手术刀切割并离开伤口后才将伤口割开, 而在从开始切割到手术刀离开之前的过程中不显示伤口被且隔开的效果。所以在手术刀运动位置和切割效果之间产生了一个较为明显的延迟。累进切割解决了这个延迟的产生, 它在切割过程中实时的显示出伤口切开的效果。但是也随之增加了时间复杂度和对临时分割的存储管理的复杂度。将累进切割和非累进切割结合起来发挥它们各自的优势, 将会成为设计虚拟切割算法的一个不错的选择。
1.6 触觉反馈
同任意物体的触觉交互是手术仿真的一个不可或缺的基本功能。通过触觉反馈界面, 训练者可以在手术仿真过程中感觉到接触或者力反馈的效果。这样, 训练者就会在一个由计算机和专业设备搭建的虚拟手术环境中体会到了同真实手术一样的触觉效果。目前, 触觉反馈设备已经用来进行更真实和实时的模拟操作。VR系统中常用的触觉反馈设备有Sensable公司的PHAN-TOM和3Dimmersion公司的CyberForce等等。通常, 采用PHANTOM设备, 和其提供的GHOST API来产生对三维可变形器官和软组织的切割产生的触觉反馈效果, 这样的设备能提供1kHz的触觉反馈更新输出。
1.7 仿真内核
在手术仿真过程中, 各种任务将协同工作, 仿真内核在其中起到了一个控制中心的作用。仿真内核的主要作用包括任务调度、协调交互操作、模块之间的交流信息分发以及资源配置管理等等。这些需要建立执行顺序、各个模块之间的同步和连接并且需要明确制定出模块间的接口。
2 总结和展望
准确性和实时性是虚拟手术系统至关重要的性能指标, 良好的系统架构和功能模块的设计将为此提供必要的保障。最后设计的测试计划, 将从系统的可用性和效果进行评价。进一步的系统开发是我们接下来的工作, 我们相信虚拟手术必将会为外科手术训练和制定术前计划提供积极的帮助作用。
摘要：虚拟手术仿真系统由于其显而易见的重要性得到了医学界的广泛重视, 本文对虚拟手术系统的关键技术进行了深入研究, 对其系统架构、主要功能模块进行了论述。相信该研究工作将能够为搭建虚拟手术系统平台提供重要的技术支持。
关键词：研究,虚拟手术,仿真
参考文献
[1] Lange T, Indelicato DJ, and Rosen JM.Virtual reality in surgical training[M].Surg Oncol Clin N Amer, Jan2000, 9 (1) :61～79.
[2] ITK insight segmentation and regis-tration toolkit.[Online].Available:h t t p://w w w.i t k.o r g/
[3] Levoy M.Display of surfaces from volume data[J].IEEE Computer Graphics and Applications, 8[3], May1988:29～37.
[4] Westover LA.Footprint evaluation for volume rendering[J].ACM SIGGRAPH Computer Graphics, 24[4], 1990:367～376.
[5] LORENSEN W.E., and CLINE H.E.Marching cubes:A high resolution3d surface construction algorithm:Proc of SIGGRAPH'87[C], ACM Press, 21 (4) , July1987:163～169.
仿真系统机械工程论文范文第6篇
1.1 研究目的
机器人手是结构与功能上模仿人手臂的一种机械手, 具有一定的灵活性, 它可以通过对空间位置的把握、手臂与目标形状的匹配、手臂间的协调控制, 完成一些精细的操作。因此机器人手臂被广泛应用于各种场合。
在近些年, 迅速发展的仿真技术为机器人手臂系统提供了新的研究平台。人们开始用仿真平台研究动态拟实操作过程的“物理模型”, 以便了解对刚体和变形体操作时的动态特性。
机器人手臂的一个重要特点是手臂的灵活性, 主要表现在机器人手臂运动的灵活性和功能的灵活性, 如实现抓取, 抬举等类似人手的基本功能。将关节机器人的手臂等效为多质量弹性扭转系统, 研究其运动传递规律, 并利用MATLAB进行仿真, 通过MATLAB仿真可得到机器人大小臂在一个运动周期内的角度、角速度和角加速度变化曲线。从而, 为实现其控制, 提高其运动精度和速度提供理论支持。最后, 达到控制机器人手臂并提高其灵活性的目的。
1.2 研究意义
机器人手臂系统的仿真实现对机器人手臂系统的发展有很大的意义。目前, 在机器人手臂研究中, 现实中的手臂系统硬件容易毁坏, 多次试验也将影响试验的精度和要求, 从而影响研究的进展。机器人手臂系统仿真的研究有助于解决上述问题, 因为在虚拟环境下, 对机器人手臂系统的研究可以完全独立于硬件环境, 很方便地改变机器人手臂系统的材料、结构、尺寸等, 并能方便、直观的对其运动学动力学特性进行分析, 这将大大节省机器人手臂系统开发的时间和资源代价。
2 机器人手臂与多质量弹性扭转系统
本文建立的机器人手臂系统的模型并完成仿真, 将关节机器人的手臂等效为多质量弹性扭转系统, 保证机器人手臂系统运动更接近真实情况, 对研究机器人手臂系统的各种性能有相当大的作用。机器人的手臂动作主要包括了伸手、移动、提举、放下、推、拉等动作。其手臂链构成为:肩部-上臂-前臂-手掌, 通过圆筒坐标关节式搬运机器人手臂的结构及运动学分析, 对圆筒坐标关节式搬运机器人手臂结构进行简化, 等效为多质量弹性扭转系统。首先对多质量弹性扭转系统的各个零件添加约束:系统的底座要求固定, 所以在底座和试验台之间采用固定副;机器人大臂与肩之间采用固定副;机器人的关节采用旋转关节, 小臂和大臂之间采用旋转副, 然后对大臂添加驱动。给大臂一个转速可得小臂在稳定之前的角度、角速度和角加速度变化曲线。得到大小臂关节在各段的角度、角速度和角加速度变化曲线。根据大臂关节的角度、角速度和角加速度的连续变化, 得到小臂关节的角度、角速度和角加速度的变化, 并且对角度、角速度和角加速度的变化以线性描述。如果该机械手的位移曲线平滑, 速度和加速度曲线连续说明在此工作过程中机械手的运行比较平稳, 整个结构不会产生较大振动。从而提高机器人手臂在动作过程中的精度和准确性。
仿人机器人现在是国内外的研究热点。其研发的最终目标是服务于人类, 机械臂目标操作作业的实现可以帮助仿人机器人更好地服务于人类。因此手臂机构设计是机器人研发的关键技术。机器人可以端起茶杯递给顾客, 机器人可以打开冰箱取食物。这些作业任务对机械臂重量、刚度方面的要求不高。但对于一些复杂运动的执行, 如高速运动目标的抓取等, 手臂的性能就显得十分关键。今天我们所看到的工业机器人多数有机械臂和末端执行器组成。机械臂和末端执行器的分工有些类似人的臂与手的分工, 前者主要提供大范围的运动与定位, 后者与环境和对象作用, 执行预期的任务。工业机器人的末端执行器种类繁多, 依用途而已。机械臂自然的作业姿态是机器人的重要指标之一。7自由度机械臂可以较容易地避开障碍物, 具有较大的工作空间, 且动作可以更加自然。但其末端位姿仅占用6维空间, 所以这种冗余结构机械臂的逆运动学不能单纯由解析方法直接得到。通过几何分析, 得到空间中具有物理意义的7个独立变量。这种方法便于求解, 且解是精确的;但所解物理量不是各关节角度, 不能直接应用于机械臂的控制。采用示教方法来实现对机械臂规划位姿的再现。该方法只是对已规划数据的重复, 机械臂的运动范围极其有限。为扩大机器人手臂作业空间, 增强机器人手臂作业能力, 提高机器人作业舒适度, 可以采用动力学仿真、有限元分析与实验测试相结合的方法并根据人体手臂结构设计出机器人轻型高刚度7自由度机械臂。同时, 结合查询数据库和逆运动学求解的方法, 通过模仿人类手臂姿态进行手臂规划, 解决冗余自由度带来的逆运动学多解的问题。利用所设计的7自由度机械臂平台进行实验, 该方法不仅可以实时得到各关节角度的精确解, 而且可以使机械臂作业姿态达到自然和类人的效果。
3 研究展望
国内对机器人展开了一定的研究, 但对圆筒坐标关节式搬运机器人及其部件的结构及制造工艺等进行的研究不够深入, 本文把机器人手臂等效为多质量弹性扭转系统并深入进行系统研究。
对圆筒坐标关节式搬运机器人的研究主要集中在提高其负载能力和工作速度, 其核心是控制系统的控制算法和驱动系统。把机器人手臂等效为多质量弹性扭转系统并进行研究, 可以为设计驱动系统和优化控制系统的控制算法提供理论指导, 是机器人研究的方向之一。
摘要：机器人的手臂动作主要包括了伸手、移动、提举、放下、推、拉等动作。其手臂链构成为:肩部-上臂-前臂-手掌, 通过圆筒坐标关节式搬运机器人手臂的结构及运动学分析, 对圆筒坐标关节式搬运机器人手臂结构进行简化, 等效为多质量弹性扭转系统。