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系统仿真学报 2004年第10期16卷 2237-2240,2244页

作者：何其昌范秀敏马登哲陈聪上海交通大学CIM研究所工程虚拟现实实验室上海200030

交互式自行车模拟器是集动感及力觉提示、力学仿真以及计算机图形学等技术于一体的动感模拟器系统,自行车动力学仿真模块是其仿真软件系统的核心。本文从分析自行车动力学特点入手,提出了两个弱耦合的动力学子模型——稳定性模型和振动... 详细信息

交互式自行车模拟器是集动感及力觉提示、力学仿真以及计算机图形学等技术于一体的动感模拟器系统,自行车动力学仿真模块是其仿真软件系统的核心。本文从分析自行车动力学特点入手,提出了两个弱耦合的动力学子模型——稳定性模型和振动模型来描述自行车在复杂路况下的运动,并研究了在模拟器环境下模型关键输入数据的获取方法。

关键词：交互式自行车模拟器自行车动力学稳定模型振动模型

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任意曲面上的自行车动力学

任意曲面上的自行车动力学

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第十届全国多体动力学与控制暨第五届全国航天动力学与控制学术会议

作者：熊佳铭王囡囡刘才山北京大学工学院

自行车是日常生活中的常用交通工具,作为典型的多体系统,这一简单的结构表现出丰富的动力学现象。关于自行车动力学的研究可以追溯到19世纪末期,很多学者关于自行车直立前行运动[1]以及圆周运动[2]的稳定性进行了系统的研究。但是这些... 详细信息

自行车是日常生活中的常用交通工具,作为典型的多体系统,这一简单的结构表现出丰富的动力学现象。关于自行车动力学的研究可以追溯到19世纪末期,很多学者关于自行车直立前行运动[1]以及圆周运动[2]的稳定性进行了系统的研究。但是这些研究都是基于水平路面假设,具有一定的局限性。本文考虑路面几何形态为任意曲面时,对自行车动力学进行了研究。基于经典的Carvallo-Whipple自行车模型,即自行车由四个刚体组成:前框架、后框架包括骑车者、前轮和后轮,同时引入9个广义坐标来描述自行车的空间位置。首先,选取Lagrange方程组为控制方程组,推导了自行车系统的Lagrange函数;然后,考虑车轮与路面的曲线与曲面接触情况,通过6个曲线和曲面参数描述前、后车轮与路面接触点的位置。最后,在车轮纯滚动假设条件下,结合两刚体接触约束方程的一般求法[3],得到6个一阶线性约束方程,其中包括2个完整约束方程,因此,得到自行车系统的带乘子的Lagrange方程组。此外,本文分析了6个Lagrange乘子与自行车前后轮所受路面约束力分量之间的关系,结果表明它们分别等于前后轮所受约束力在各自对偶坐标架中的分量,由此推导了前、后车轮纯滚动条件是否满足的判断公式,以及纯滚动条件破坏时的动力学方程组。本文得到的自行车在任意曲面上运动的动力学方程组共包含9个二阶微分方程、6个一阶线性约束方程以及6个代数方程,共具有21个未知量,因此是封闭的,以路面为旋转抛物面为例,利用数值求解法给出了相关结果。

关键词：自行车动力学任意路面约束 Lagrange方程组

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旋转抛物面上的自行车动力学及稳定性分析

旋转抛物面上的自行车动力学及稳定性分析

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北京力学会第二十五届学术年会

作者：熊佳铭王囡囡刘才山北京大学工学院湍流与复杂系统国家重点实验室

本文研究了自行车在旋转抛物面上的动力学,推导出了自行车的两个完整约束方程和四个非完整约束方程。基于Lagrange方程组,建立了自行车运动的控制方程组,并具体研究了自行车的圆周解,分析了圆周解的稳定性。

关键词：自行车动力学旋转抛物面非完整约束圆周解稳定性

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无人骑行自行车斜面运动的动力学建模与控制研究

无人骑行自行车斜面运动的动力学建模与控制研究

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作者：刘根山东建筑大学

学位级别：硕士

随着无人智能驾驶技术的发展,无人骑行自行车在运载货物、抢险救援等方面具有良好的应用前景,近年来成为国内外诸多学者的研究热点。自行车虽然结构简单,但是作为典型的非线性、强耦合的多刚体系统,蕴含着丰富的动力学行为。本文从动力... 详细信息

随着无人智能驾驶技术的发展,无人骑行自行车在运载货物、抢险救援等方面具有良好的应用前景,近年来成为国内外诸多学者的研究热点。自行车虽然结构简单,但是作为典型的非线性、强耦合的多刚体系统,蕴含着丰富的动力学行为。本文从动力学建模、控制器设计及仿真分析等方面开展了倾斜路面上无人骑行自行车的自稳定及控制研究。以具有动量轮结构的自行车为研究对象。针对其在斜面的运动学特性,在自行车系统的五个刚体上分别建立了相应的坐标系,选取了描述自行车系统运动姿态的广义坐标。针对自行车与斜面接触时所受的非完整约束问题,推导了其在倾斜路面上运动时的一阶线性速度约束方程。针对自行车无外界约束的情况,通过分析自行车中五个刚体的运动,依次建立了各刚体的拉格朗日函数。基于拉格朗日方法,建立了含拉格朗日乘子的自行车系统的非线性动力学方程。针对该动力学模型,基于泰勒级数在系统平衡点附近作近似线性化处理,得到了自行车系统的线性化动力学方程,并对该模型的稳定性和可控性进行了分析。基于自行车系统四个参数之间的耦合关系,分别设计了自行车在倾斜路面上匀速直线运动时的串级PID控制器和模糊PID控制器。通过MATLAB/Simulink模块分别对两种控制器进行了建模仿真,分析了两种控制器对自行车斜面运动的控制效果。仿真结果表明,所设计的串级PID控制器以及模糊PID控制器均可以实现自行车在斜面上的匀速直线稳定运行。但是,模糊PID控制方式下自行车系统的超调量相较于串级PID控制方式有所减小,体现了模糊PID控制器较好的响应性能。

关键词：自行车动力学倾斜路面拉格朗日方法模糊控制

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交互式自行车模拟器中的力觉反馈研究

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系统仿真学报 2005年第4期17卷 795-797,805页

作者：何其昌范秀敏马登哲张崇明上海交通大学CIM研究所工程虚拟现实实验室上海200030

力觉反馈系统是交互式自行车模拟器的重要组成部分,它主要模拟真实环境骑车过程中手把及脚踏板对骑车者产生的力反馈,使骑车者通过模拟器体验到真实骑车环境中的力觉。从骑车过程中骑车者的受力分析入手,设计了一套适合于交互式模拟器... 详细信息

力觉反馈系统是交互式自行车模拟器的重要组成部分,它主要模拟真实环境骑车过程中手把及脚踏板对骑车者产生的力反馈,使骑车者通过模拟器体验到真实骑车环境中的力觉。从骑车过程中骑车者的受力分析入手,设计了一套适合于交互式模拟器的力反馈软硬件,并着重分析了将虚拟环境中的自行车与模拟器力反馈硬件系统之间的反馈力准确映射方法。

关键词：交互式自行车模拟器力觉反馈系统力反馈自行车动力学

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自行车运动虚拟环境的研究

自行车运动虚拟环境的研究

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作者：杨海涛华中科技大学

学位级别：硕士

虚拟现实技术与人机交互技术,使得体育运动可以在计算机上开展。基于这类技术的自行车运动互动系统,可以将自行车运动从室外搬到室内,并将其过程用计算机来模拟,其应用范围包括:训练、医疗、娱乐等。近年来,国内外有很多大学开展了对自... 详细信息

虚拟现实技术与人机交互技术,使得体育运动可以在计算机上开展。基于这类技术的自行车运动互动系统,可以将自行车运动从室外搬到室内,并将其过程用计算机来模拟,其应用范围包括:训练、医疗、娱乐等。近年来,国内外有很多大学开展了对自行车模拟器的研究。本文研究的用于自行车运动的虚拟环境和设备,着重对其中的力反馈,动力学模拟,与虚拟现实技术的结合等问题进行了探讨,分析了对系统性能有关的指标,提出了一些解决的方案。研究工作大体如下: 从自行车运动环境虚拟化的应用需求出发,首先分析了场景建模中IBR技术与传统几何信息的建模方式的优缺点,然后给出了软件渲染的实现。建立了自行车的简化模型,自行车连体基,在三个正交方向上分析了自行车的运动。着重介绍在行进方向上的运动、力反馈、保持平衡的模拟计算,并在软件上得到了实施。同时人机交互的性能对系统的整体性能有较大影响,人的触觉灵敏度高于视觉灵敏度,用户的操作需要快速响应。本文中考虑到系统更新与伺服频率的要求,提出了对于力反馈系统的性能指标。采用伺服电机作为力执行器,用微处理器产生PWM信号驱动主电路,将力的感觉输出。微处理器的控制信号采用惯性模拟算法获得,使得力矩输出符合自行车惯性、风阻等力学特点。传感器则主要考虑稳定性和精度的要求,针对于自行车运动的应用,采用编码器作为角度与速度传感器,并给出了检测方法。最后在系统集成阶段,介绍了外界的输入输出设备与虚拟现实系统的结合。建立用户输入信息上行通信信道,和计算机输出下行通信信道,实现信息的双向流动。该系统经过验证,满足自行车虚拟骑行的要求,使用户产生如同在真实场景中运动的感受。

关键词：虚拟现实人机交互自行车模拟器场景建模自行车动力学力反馈力矩控制

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自行车自动驾驶系统关键技术研究

自行车自动驾驶系统关键技术研究

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作者：彭椿皓山东大学

学位级别：硕士

随着人工智能的提出,以及大数据、物联网、云计算、计算机视觉等技术的迅速发展,自动驾驶汽车逐渐成为了人工智能应用的典型,体现出了自动驾驶技术的发展潜能和社会需求。与自动驾驶汽车相比,自行车更加灵活,可以自由通过街巷、狭窄道... 详细信息

随着人工智能的提出,以及大数据、物联网、云计算、计算机视觉等技术的迅速发展,自动驾驶汽车逐渐成为了人工智能应用的典型,体现出了自动驾驶技术的发展潜能和社会需求。与自动驾驶汽车相比,自行车更加灵活,可以自由通过街巷、狭窄道路或其他汽车不易通过的地方。在绿色出行理念逐渐兴起的背景下,自行车的自动驾驶不仅可以带来高效、灵活、便捷的出行方式,同样为环境、社会、人类健康带来益处。实现自行车的自动驾驶,对于交通出行以及环境保护都具有十分重要的应用价值和实际意义。实现自行车的自平衡是实现自行车自动驾驶的关键技术,目前在自行车自平衡的领域存在一系列问题,距离自行车在各种复杂环境下的灵活自动驾驶还有较大的差距。本文针对目前在自行车自动驾驶领域存在的主要问题,依据现有的自平衡理论对自行车自动驾驶的实现系统进行了研究。针对于自行车自动驾驶过程中的控制问题,从自行车自动驾驶控制器的速度适应性入手,设计了基于专家经验的模糊PID控制器;从控制器的动态响应入手,设计了自行车车身倾角和车把转角的双位置环控制器。为验证控制器的有效性,搭建了自行车自动驾驶实验系统,并在该实验系统上进行了实验验证,最终实现了自行车的匀速直线与匀速圆周自动驾驶,验证了本研究提出的控制器的有效性,达到了研究目的。

关键词：自行车动力学自动驾驶模糊控制

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交互式自行车模拟器体感模拟研究

交互式自行车模拟器体感模拟研究

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'2005系统仿真技术及其应用学术交流会

作者：何其昌范秀敏马登哲付百川上海交通大学CIM研究所工程虚拟现实实验室上海交通大学CIM研究所工程虚拟现实实验室上海交通大学CIM研究所工程虚拟现实实验室上海交通大学CIM研究所工程虚拟现实实验室

体感模拟算法是具有运动平台的交互式自行车模拟器系统获得真实体感的重要来源,其保证运动平台在有限的运动空间内模拟自行车的线性加速度以及角速度。算法在分析自行车动力学以及运动平台空间基础上,采用多个滤波器的组合实现。算法在... 详细信息

体感模拟算法是具有运动平台的交互式自行车模拟器系统获得真实体感的重要来源,其保证运动平台在有限的运动空间内模拟自行车的线性加速度以及角速度。算法在分析自行车动力学以及运动平台空间基础上,采用多个滤波器的组合实现。算法在平台运动空间内直接模拟高频的加速度,而低频的加速度通过倾斜平台,利用重力加速度的分量来模拟。经典算法在模拟急刹车加速度时,由于滤波器的特性,会产生反冲运动,算法通过预处理模块来控制平台的反冲,消除了不真实的体感。

关键词：交互式自行车模拟器体感模拟算法自行车动力学滤波器比力

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