仿真技术及其应用精选(九篇)

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第1篇：仿真技术及其应用范文

1.1现阶段维修汽车维修实训教学成本分析

1）实训室成本

现代“理论-实践一体化”汽车维修类专业教学的关键就是将实训室变成教室，而能真实模拟汽车维修企业的实训室由以下几个部分组成，首先是场地，其次是场地装修。对于有些汽车总成或部件，需要对其进行切割改装，这类教学用部件由于额外的改装费用比购买这些总成部件的费用更为昂贵。另外还需要为展示这些教学设备购置如支架，电子操作平台等。除了上述设备外，还需要购置用于检测、拆装和维修的配套工具。主要的检测工具是与车型相匹配的车用检测仪，主要的维修、拆装工具是原厂工具和通用工具。一套完整的检测、维修专用工具价格都在数十万元左右。

2）教学材料成本（日常使用）

教学材料成本主要由油耗和易耗品组成。在油价日益上涨的情况下，成本上升也逐步显现。带有紧固部件的相关配件，如：汽油滤清器、机油滤清器在日常教学中因反复拆装，而导致的损耗也是非常大的。

3）师资成本

在理论教学过程中，一名教师可以完成一个班级的理论讲授。而在进入到实训环节后，往往会将学生分为若干小组，每个小组配备一名专业教师，同时授课，师资成本则相应提高。

1.2传统实训教学中的主要问题在现阶段传统汽车实训教学手段下或多或少都存在以下一些问题：

1）实训设备损耗大，投入成本大

从实训教学的角度来看，学生要掌握汽车维修某一项技能，都要经历“初步认知—基本完成—熟练操作—灵活运用”四个阶段。其中，学生毕业后在生产岗位上经过一定时间的维修经验积累才能达到第四阶段，本文对此暂不做讨论。从上述的成本分析来看，由于维修工艺不熟悉、工具使用不恰当、误操作等原因，使学生在第一、二阶段中必须经过反复多次实际操作才能达到第三阶段水平，因此一、二阶段中所投入的成本是最高的。

2）实训教学安全性不足

由于汽车大多部件为金属材料，且可进行高速的机械运动，加上学生对知识探求而产生的好奇心理，容易导致盲目操作而发生教学事故。另外，由于实训设备有限、学生人数众多，造成教师在教学过程中不能全面管理而产生疏忽导致事故发生。

1.3应用计算机仿真技术优势

随着计算机技术及多媒体技术的发展，计算机辅助教学可以充分发挥其优势，实现资源的优化配置。相关职业院校近年来已经在计算机多媒体教学上取得了一定的成果。各院校大多具备有一定规模的多媒体教学设施，教师可以在教学中使用专业相关的多媒体课件，学生乐于接受多媒体教学这一手段。但是大多数的多媒体教学课件，仅能在教学中起到演示作用，缺乏与学生的互动功能，仅能理解为对传统板书的影像演示。利用计算机仿真手段，制作类似于3D游戏的系统操作界面，使用人机交互的方式，将汽车，如发动机，各个部件的拆卸，检修，装配，调整等实验结合在一起，通过计算机进行虚拟操作。学生通过该平台可模拟汽车发动机拆装检修、整车排故等操作，同时可配备了大量的教学资源以供学生在拆装过程中随时查阅，从而更好的掌握实际操作的要领及操作步骤。由计算机仿真技术开发的模拟系统，可具有较好的扩展性，根据不同的需求，进行相应的修改即。如根据车型更新、等级工考核、企业员工培训等方面的变化进行适时调整。从而为解决教育投入不足，而引起的学生人数与实训设备台套数不匹配等问题提供具有可行性的解决途径。

2可行性分析

2.1计算机仿真实训系统涉众及用户类型分析

1）涉众分析：

该平台的涉众主要包括对应部门管理者，使用的教师及学生。

2）用户分析：

该平台用户类型主要包括学生及教师，用户说明及职责等见表2简述。

2.2系统开发简述

利用AS3作为开发工具，以SWF动画文件的呈现系统界面，稳定性较高。在系统中涉及的零件及工具模型可使用3DMAX三维建模完成，导入flash库中作为元件，立体感强，外形逼真。在开发过程中，类文件独立，分别与源文件绑定，完成相应功能。源代码及源文件建档清晰易查。在系统升级时，类文件以及部分源文件可以继续使用（场景、元件等），进而降低了维护成本。在硬件方面，用户单机版对用户机要求不高，普通的计算机都能够满足需求。

3小结

第2篇：仿真技术及其应用范文

【 关键词 】 仿真技术；电气信息类专业

Application of Simulation Technology In the Aelectric and Information Specialty

Yang Zeng-zhi

(Hubei Unversity of Technology HubeiWuhan 430068)

【 Abstract 】 With the development of computer simulation software in electronic information specialty, there are a lot of the birth and development of simulation software. The use of simulation software teaching can greatly improve the flexibility of teaching and students' sense of innovation, and the use of simulation software can greatly improve work efficiency, shorten the development cycle. this paper mainly introduces the electrical engineering simulation software, introduces the application of MATLAB in electrical engineering.

【 Keywords 】 simulation technology; electronic information specialty

1 引言

为提高教学质量,针对传统教学方式中所存在的问题,提出了将计算机仿真技术应用于电气信息类专业的理论教学、实践教学和毕业设计等各个环节中。并结合具体的晶闸管-直流电机调速系统实例,对系统的PID控制作用进行了分析。实践证明,恰当、灵活地运用计算机仿真技术,既可丰富教学手段,使抽象的教学形象直观,又可提高教学的综合效益。仿真技术不仅培养了学生独立分析、综合应用和解决实际问题的能力,还对学生创新能力的培养起很好的促进作用,是一种行之有效的现代教育方式。

2 电气工程中所用到的仿真软件

随着计算机事业的不断发展，各个计算机方向也发展迅速，其中仿真方向是近几年的热潮。市面上诞生的仿真软件各种各样，其中电气信息类专业方向所用到的仿真软件有很多，如专门用于危机系列的通用电路分析程序Pspice，用于电路设计的Protel仿真软件，用于电网仿真的Powerworld程序，还有各类的PLC仿真软件、autoCAD仿真软件、Simulink仿真软件等。如图1所示。

3 Matlab在电气信息类专业方面的作用

3.1 Matlab软件介绍

MATLAB是由美国Mathworks公司的一种功能强大的仿真软件。它的版本从Matlab1.0发展到目前的Matlab7.10，功能逐步完善，内容不断更新。Matlab主要针对科学计算的可视化环境，它是交互式的程序设计仿真环境。它将从设计，建模到数据分析与计算等集成在一个大环境中，提供易于使用的视窗环境。适用于非常复杂的非线性动态系统的设计、建模和仿真过程。为与数值计算相关的各个行业领域提供了一种全面便捷的解决方案，如科学研究领域、电力工程领域、电气信息工程领域、模拟仿真领域等。与传统用c、c++等语言编写仿真软件有很大程度上的不同，在Matlab中仅仅可以根据鼠标拖拽控件就可以自动生成对应的代码。

3.2 Matlab的优点

Matlab的界面操作简单，你仅仅在个人计算机中使用，还应用在超级计算机上。Matlab中定义了上百个命令和API调用，还可以根据用户所需进行自定义扩展。Matlab的命令都很强大，在Matlab中通过一个单一命令便可求解线性系统。Matlab有各种工具，如二维图形工具和三维图形工具。Matlab的兼容性很好，能够和其他仿真或非仿真软件一起集成使用。如Matlab可以和VC++集成到一起，也可以和ANSYS 软件进行集成。Matlab的功能特点如图2所示。

3.2 Matlab在电气方面的应用

Matlab在电气信息类专业中的作用主要体现在仿真计算功能上面，在电气项目中，可以利用Matlab搭建系统的模型，然后对系统的物理变量、控制器设计、运动模型等进行计算，Matlab可以为工程人员在控制系统设计时节省大量的时间与人力物力，是一个非常实用的软件。

Matlab可以显示电气工程中的数据走势和一些流程走势。如图3所示。

使用Matlab可以很容易的表现上述两种图，在电气信息专业中，我们可以制作很多仿真课题，来模拟电路设计、建模等环节，将很多由于现有条件不足，不能进行实际试验的电气项目用仿真软件来完成，可以大大提高学生参与度，提高学生创造性。

3.4 simulink在电气信息类专业方面的作用

第3篇：仿真技术及其应用范文

关键词:交通运输;汽车检测诊断技术

Abstract: This article mainly from the automobile examination diagnosis outline， the method and the standard， the application and the development direction carries on the elaboration.

Key words: transportation; automobile examination diagnosis technology

汽车检测诊断技术是指在整车不解体情况下，通过对汽车进行检查、测试、分析，确定汽车的技术状况，查明故障原因和故障部位的汽车应用技术，包括汽车故障诊断技术和检测技术。近年来，随着我国汽车业和交通运输业迅猛不断地发展，汽车已成为人们工作、学习、生活不可缺少的运载工具。现代汽车状况检测诊断技术广泛应用就显得尤为重要，为汽车安全提供了保障。尤其是我国检测诊断技术的研发，设备的规格，品种较为齐全，性能优良可靠，它促进了我国汽车检测技术的水平进一步提高。为此，本文将重点谈谈汽车检测诊断技术的应用。

1汽车检测诊断概述

1.1汽车检测诊断技术的地位

汽车检测诊断技术，是检查、鉴定车辆技术状况和维修质量的重要手段;是促进维修技术发展，实现视情修理的重要保证;是提高维修效率、监督维修质量的迫切需要;是确保行车安全的重要手段。

1.2汽车检测诊断技术的目的

1.2.1安全环保检测

其目的是在汽车不解体的情况下，建立安全和公害监控体系，确保汽车具有符合要求的外观、良好的安全性能和符合污染物排放标准的排放性能，在安全、高效和低污染下运行。

1.2.2综合性能检测

其目的是在汽车不解体的情况下，确保运输车辆的工作能力和技术状况，对维修车辆实行质量监督，以保证运输车辆的安全运行，提高运输效能及降低消耗，使运输车辆具有良好的经济效益和社会效益。

1.2.3故障的检测诊断

其目的是在不解体的情况下，对运行车辆查明故障部位、故障原因进行的检查、测量、分析和判断。故障被诊断出来后，通过调整和修理的方法排除，以确保车辆在良好的技术状况下运行。

1.2.4汽车维修时的检测

其目的是找出汽车技术状况与标准值相差的程度，以便视情维修;确诊故障的部位和原因，提高维修质量及维修效率;检测汽车的使用性能是否得到恢复，控制维修质量。

2汽车检测诊断的方法及标准

2.1汽车检测诊断的方法

(1)人工经验诊断法:不需专用的仪器设备，但对诊断人员的经验依赖性强，诊断速度慢，准确性差，不能定量分析。

(2)现代仪器设备诊断法:其诊断速度快、准确性高、能定量分析，但该方法需占厂房，投资过大。

(3)自诊断法:是利用汽车电控单元的自诊断功能，通过故障代码的输出表征故障的部位的一种方法。

2.2汽车检验标准

(1)侧滑:机动车转向轮的横向侧滑量，用侧滑仪检测时，其值不得超过5 m/km。

(2)车速表:车速表允许误差范围为-5 %～+20 %。即当实际车速为40 km/h，汽车车速表指示值应为38 km/h～48 km/h。超出上述范围车速表的指示为不合格。

(3)转向:汽车方向盘应转动灵活、操纵方便、无阻滞现象;汽车在平坦、硬实、干燥、清洁的水泥或沥青路面上，应以10 km/h速度在5 s内由直线行驶过度到直径为24 m的圆周行驶，其施加于方向盘外缘的最大圆周力应小于等于245 N。

(4)发动机:应动力性能良好，运转平稳，怠速稳定，无异响，机油压力正常。发动机功率不允许小于标牌(或产品使用说明书) 标明的发动机功率的75 %。

(5)噪声:车内最大允许噪声级不大于82 dB;汽车驾驶员耳旁噪声级应不大于90 dB;机动车喇叭声级在距车前2 m、离地高1.2 m处测量时，其值应为90 dB～115 dB。

3汽车检测诊断技术应用的主要内容

汽车检测诊断技术的应用须运用汽车检测诊断设备来完成和实现，通过汽车综合性能检测站来进行不解体减压和测试。则其应用的主要内容有:

3.1安全性

(1)制动力检测程序:采用汽车制动试验台，当电脑确定汽车进入制动试验台后，采集汽车左右车轮的最大制动力，然后通过电脑将采集到的数据进行计算，并与国家标准进行比较，以判断制动是否合格。

(2)侧滑:汽车以3 km/h～5 km/h的速度垂直侧滑板驶向侧滑试验台，使前轮平稳通过滑动板;当前轮完全通过滑动板后，从指示装置上观察侧滑方向并读取、打印最大侧滑量。

(3)转向:做转向试验，进行转向沉重的故障确诊;检查轮胎气压是否充足;检查转向器及转向节衬套、轴承和纵、横拉杆各连接处的情况;检查转向器有无故障;检查转向节与主销;用四轮定位仪检查前轮定位参数;当动力转向系统出现转向沉重的故障时，应先检查油泵传动皮带的松紧度和供油量，必要时再拆检或更换动力转向油泵等。

(4)前照灯:采用前照灯检验仪对前右灯和前左灯进行发光强度和光速照射方向的检测，从前照灯检测仪的显示屏上分别测量左右远、近光束的水平和垂直照射方位的偏移值。

3.2可靠性

汽车的可靠性的检测主要包括汽车的异响、磨损、变形、裂纹等检测。

3.3动力性

(1)检测车速。将汽车开上车速表试验台，待汽车的驱动轮在滚筒上稳定后，挂入最高档，松开驻车制动器，踩下加速踏板使驱动轮带动滚筒平稳地加速运转;当汽车车速表的指示值达到规定检测车速(40 km/h)时，读出试验台速度指示仪表的指示值;或当试验台速度指示仪表的指示值达到检测车速时，读取车速表的指示值。

(2)检测加速能力。

(3)检测底盘输出功率。

(4)检测发动机功率。发动机技术状况变化的主要外观症状有:动力性下降，燃料与油消耗量增加，起动困难，漏水、漏油、漏气、漏电以及运转中有异常响声等。

(5)检测扭矩和供给系。

(6)检测点火系状况。点火系的主要故障有无火、缺火、乱火、火弱及点火正时失准等，检测时，主要是对点火系线路和点火控制器进行检测。

点火系线路检测:检测时使用万用表，采用逐点搭铁检测法可确诊断路部位，采用依次拆断检测法可确诊短路搭铁部位。检测程序可从前向后，也可从后向前，或从中间向前、向后依次选择各个节点进行。重点检测低压线路，包括点火控制器和霍尔信号发生器的检测;检测高压线路时，主要是用万用表检测高压线的通断、阻值以及其连接接头情况。

点火控制器检查:应进行点火控制器电源电压检查、通断检查、输出电压检查和霍尔信号发生器检查。

3.4经济性

主要指车辆的燃油消耗，常通过燃油消耗检测仪测定燃油消耗量的容积或质量来表示，以此来评价在用汽车状况和维修质量的综合性参数。

3.5噪声和废气排放状况

(1)汽车噪声的检测:采用声级计进行汽车噪声检测。

(2)检测汽车废气。汽油车排气污染物的测量，采用怠速法或双怠速法，规定各排气组分均应采用不分光共外线吸收型(NDIR)监测仪进行;柴油车自由加速烟度的测量，采用滤纸烟度法，规定采用滤纸式烟度计进行等。

4汽车检测诊断技术的发展方向

4.1汽车检测技术基础规范化

随着汽车业和交通业的不断发展，汽车检测诊断技术的不断完善，将来应重点开展汽车检测技术的基础规范化，进一步完善与硬件相配套的检测技术软件，如制定和完善汽车检测项目的检测方法和限值标准;制定营运汽车技术状况检测评定细则，统一规范全国各地的检测要求和操作技术;制定用于综合性能检测站的大型检测设备的形式认证规则，以保证综合性能检测站履行其职责。

4.2加快高新技术在汽车检测诊断上的应用步伐

4.2.1光电技术和计算机处理技术的运用

目前国外的汽车检测设备已大量应用光、机、电一体化技术，并采用计算机测控，能对汽车技术状况进行自动识别检测，并能诊断出汽车故障发生的部位和原因，引导维修人员迅速排除故障。因此，我国应尽快将光电技术和计算机处理技术运用于汽车检测诊断技术上，如将光电技术运用于前照灯的检测上，以提高光轴定位，光度测试的精度。

4.2.2汽车检测设备智能化

国外的有些汽车检测设备具有专家系统和智能化功能，而目前我国的汽车检测设备在采用专家系统和智能化诊断方面与国外相比还存在较大差距，如四轮定位检测系统，电喷发动机综合检测仪等，还主要依靠进口。因此，今后我们要在汽车检测设备智能化方面加快发展速度。

4.2.3显示技术、高精度传感器的应用

在汽车制动试验台的设计上，已完全淘汰了测力弹簧，而代之高精度的应变计(压力传感器)，具有很高的现行精度。而这种高精度传感器，由于其通用化、标准化、清晰化程度大大提高，已成为检测设备显示方式今后的发展方向。随着显示技术的进一步计算机化，通过图形、数据来动态显示测量值的方式，将使得人们更为直观、清晰的理解检测数据。

4.2.4向综合化方向发展

为了节省汽车检测的费用、场地、人员和提高汽车的检测效率，当前汽车检测设备的功能正从单机单功能向单机多功能的综合测试台方向发展。

4.3监控和汽车技术状况的预测

现在国外已经在汽车技术状况监控和预测方面进行研究，如预测汽车制动鼓、制动蹄的配合、汽缸活塞、活塞环的配合状态方面，不久将会有新的进展和突破，并将会进一步扩展到系统状态和元件状态的预测。因此，当前我国也应向监控和汽车技术状况的预测方向发展，以提高汽车的综合性能，延长汽车的使用寿命。

4.4汽车检测管理网络化

目前我国的汽车综合性能检测站已实现了计算机管理系统检测，但由于各个站的计算机测控方式千差万别，尤其是数据接口不统一，不符合全国检测行业大网络的要求。因此，随着现代技术和管理的进步，汽车检测要利用好信息高速的平台，真正实现网络化(局域网)，从而做到信息资源共享、硬件资源共享、软件资源共享，提高检测网络化管理效率。

参考文献

1 陈良清.浅析汽车检测诊断技术的应用和发展方向[J].实用汽车技术，2008(1)

第4篇：仿真技术及其应用范文

小儿气管、支气管异物多发生于5岁以下儿童，是耳鼻喉科较为常见的疾病之一，占全部气管异物患者的80%～90%[1]。如果治疗不够及时，严重者可引发死亡。因此，小儿气管、支气管异物的检出率和正确率是降低意外事故发生率的关键所在。随着医学影像技术的技术日益完善，放射影像技术在小儿气管、支气管异物诊断中得到了广泛的应用。我们对2014年1月-2016年1月我院收治的小儿气管、支气管异物患儿采用CT扫描和X线检查法，现报道如下。

1.资料与方法

1.1 一般资料：对2014年1月-2016年1月我院收治的96例小儿气管、支气管异物患儿的临床资料进行分析，其中男56例，女40 例。年龄1岁-8岁，平均年龄（5.3±1.1）岁；发病距就诊时间 1h-4d，平均距就诊时间（1.5±0.5）d；患儿临床表现为呛咳、阵发性咳嗽、喘憋和呼吸困难等。将96例患者随机分为两组，每组各48例，即观察组和对照组。两组患儿在年龄、性别和症状等方面无统计学差异（P>0.05），具有可比性。所有患儿的诊断及治疗方法均取得家长知情同意。

1.2 检查方法：所有患儿在检查4h前禁食，观察组患者采用常规CT扫描检查，对照组患者采用手术前透视检查和X线检查法。检查时注意安抚患儿情绪，所有患儿取仰卧位，对患儿肺部、气管和支气管位置等位置进行检查。比较两患儿的检出率及异物间接征象。所采集的图像由3名副主任医师共同分析，当有2 名或 2 名以上的医师诊断结果一致时，确定诊断结果。

1.3 统计学处理：采用统计学软件SPSS 19.0 进行数据处理和分析。计数资料采用均数±标准差（±s）表示，量资料比较采用t 检验， P

2.结果

2.1 两组患儿异物检出率比较：患儿异物大多为花生、瓜子、四季豆、鸡肉和笔帽等。对照组患儿有40例检出异物，检出率为83.3%，直接提示异物和间接提示异物分别为18例和22例。观察组检出率为100%，直接提示异物和间接提示异物所占比例分别为95.8%和4.2%。观察组患儿的异物检出率显著高于对照组（P

2.2 两组患儿异物征象比较：我们对患儿纵隔位置改变、支气管阻塞、肺气肿、肺炎的异物征象进行分析，观察组的检出率显著高于对照组（P

3.讨论

小儿气管、支气管是临床中常见和多发的急症之一，尤其是5岁以下儿童。主要是由于患者年纪较小，好奇心较重，自制能力差，容易将玩具和难以吞咽的食物放于口中，加之，小儿咀嚼功能、吞咽功能及喉防御反射功能不完善，一旦误食，容易发生气管、支气管异物。可导致患儿呼吸不畅、咳嗽和呕吐，甚至可引起的窒息死亡 [2]。因此，及时准确的诊断显得尤为重要。随着现代医学及影像学的发展，影像学检查则能够较为准确的诊断患儿是否存在气管、支气管异物，并且能够较为全面和真实地显示患儿异物征象，对临床治疗方法的选择具有指导作用[3-4]。目前，临床医师常结合患儿临床症状和体征，及X线和CT检查法等影像学检查来进行诊断。但是由于由于患儿哭闹，呼吸气相难于掌握，因而对于临床诊断带来一定的影响，如有患儿部分异物气管、支气管出现不完全阻塞时和肺气肿程度较轻等，易导致漏诊，并且不能直接显示异物的存在及部位[5]。因此，为了尽量减少和避免这些因素的影响，在诊断前对患儿的情绪进行安抚，并相对的训练呼吸。

我们将2014年1月-2016年1月我院收治的96例小儿气管、支气管异物患儿随机观察组和对照组，分别采用CT扫描和X线检查法，比较两种检测方法的检出率及异物间接征象。结果显示，对照组和观察组异物检出率分别为83.3%和100%，观察组患儿的异物检出率显著高于对照组（P

综上所述，采用CT扫描法对小儿气管、支气管异物进行检查，具有准确率高和异物间接征象显示完全等特点，对于患儿治疗方法的选择具有重要的作用，值得临床参考和使用。

参考文献

[1]邱妮妮. 探究放射影像技术在小儿气管支气管异物诊断中的应用[J]. 中国医药指南，2015，13（51）：137-138.

[2]孙志强. 放射影像技术在小儿气管、支气管异物诊断中的应用价值[J]. 临床医学研究与实践，2016，1（12）：128-129.

[3]孟宪安. 放射影像技术在小儿气管、支气管异物中的应用[J]. 吉林医学，2012，33（16）：3488-3489.

第5篇：仿真技术及其应用范文

（西安邮电大学电子工程学院，陕西西安710121）

摘要：针对显示器件驱动技术实验教学中存在的问题，提出利用Proteus 软件作为实验教学的辅助手段，并以驱动2个4位LED数码管为例，具体阐明了Proteus 软件和Keil软件在显示器件驱动技术教学中的联合运用方法。实践证明，Pro?teus软件的使用能激发学生的学习兴趣，加深学生驱动原理及应用的理解，锻炼学生进行软硬件综合开发能力，加快实验进度，从而发掘学生的学习潜力。

关键词 ：Proteus软件；实验教学；显示器件驱动；学习潜力

中图分类号：TN41；TP312 文献标识码：A 文章编号：1004?373X（2015）14?0124?03

收稿日期：2015?01?08

基金项目：西安邮电大学青年教师科研基金资助项目（101?1215；101?0473）；西安邮电大学教改创新项目（JGB201314）

0 引言

显示器件驱动技术是西安邮电大学光电信息工程专业的一门实践性较强的专业课，共48学时，其中16学时的实验课程。实验作用是使学生掌握各种显示器件驱动电路设计的基础知识，主要内容涉及单片机（51系列STC89RC52）与常见显示器件接口电路的控制和应用单片机C51语言编程实现显示。在以往的传统教学中，采取的方法是“先讲解驱动原理，再动手实验”，但是实验效果并不好。原因是传统教学中存在教、学、做受到条件的限制，学习效率不高等问题，经常会出现一节实验课，学生的时间都用来调试程序代码，严重影响了实验的进度，影响了学生的学习热情。在教学和实践环节中引入高性能的软件作为课程教学的辅助手段[1]，能够有效解决传统教学中出现的这些问题。

Proteus 软件已经广泛地应用于电子信息类课程中[1?7]，也取得了良好的教学效果；所以在显示器件驱动技术这门课中，选择了Proteus 仿真软件作为教学的辅助工具，使得学生在课后可以按照自己的思路去设计驱动电路，完成绝大多数软、硬件实验，不受实验电路、开发板等硬件设备的限制。本文将以LED数码管的显示驱动为例，具体介绍Proteus 软件在显示器件驱动技术课程中的应用。实践证明，Proteus 仿真软件的应用有助于学生对驱动电路的理解，解决了课外没有硬件开发板的问题，充分调动学生的学习积极和创造性。实验课的进度和教学效果也大幅度提高。

1 Proteus 软件介绍

Proteus 软件是英国Labcenter Electronics 公司出版的EDA 工具软件，具有Proteus 原理图绘图、布图、中之所以选中它，因为它是目前比较好的仿真单片机及外围器件的工具。与其他电子仿真软件相比较，它除了能仿真单片机的工作情况，还能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其他电路的工作情况。因此在仿真和程序调试时，关心的不再是某些语句执行时单片机寄存器和存储器内容的改变，而是从工程的角度直接看程序运行和电路工作的过程和结果。从某种意义上讲，这种仿真弥补了实验和工程应用间脱节的矛盾。

在教学中选择Proteus 软件，还有一个原因就是它能和Keil，Matlab 等软件联合使用，使得学生可以在设计中直接编辑修改源代码，并实时观察运行效果。

2 教学案例介绍

本文通过“在2个4位共阳极数码管显示自己生日”这一具体实验要求，介绍Proteus软件在教学中的应用。

2.1 硬件电路构建

首先，打开Proteus软件的原理图绘制ISIS软件，绘制52单片机的最小系统及数码管驱动电路，如图1所示。

在显示器件驱动技术这门课中引入Proteus 软件，主要目的是促进同学对驱动电路的理解及方便驱动程序的调试，课程采用的数码管驱动电路是完全按照实验室现有开发板上的原理图设计的，数码管是2个4位共阳极的数码管。数码管采用的是动态扫描的方式，所有数码管的A~G 和DP 端连接在一起构成段选来确定显示什么字形码；每个数码管的公共端，即图中2个4位数码管的1~4脚作为位选确定选择那位数码管被点亮，共需要16个I/O管脚来控制。89C52单片机有4个并行I/O口P0~P3，其中段码由P0 口的8 个引脚P0.0~P0.7 来控制；因为是共阳极的数码管，位选需要提供高电平，但是单片机的I/O口驱动能力有限，提供给数码管的电压不一定能满足点亮数码管所需要的电压电流，所以位选由P2口通过PNP型的三极管9012来控制，三极管在这里起到一个开关的作用；R1~R16是限流电阻。

2.2 软件设计

在程序设计时，如果要让某个数码管亮，就必须给该数码管送入选通信号，然后给某个字母所对应的笔段送入低电平时，该笔段就会被点亮，显示出效果。简单地说就是“ 开位选，送段选”。根据实验具体要求，在Keil C编译软件下编写的C51程序具体如下：

#include <reg52.h>

unsigned int i=0；

unsigned char code table1[]={0x7f，0xbf，0xdf，0xef，0xf7，0xfb，

0xfd，0xfe}；

unsigned char code table2[] ={0xf9，0x90，0x90，0x92，0xc0，

0x80，0xa4，0x82}；

void delay（unsigned int ）；

void main（void）

{

while（1）

{

for（i=0；i<8；i++）

{

P2=table1[i]； //开位选

P0=table2[i]； //送段码

delay（40）；

}

}

}

void delay（unsigned int j） //delay

{

while（j??）；

}数

码管在轮流显示过程中，数码管的点亮时间由delay函数决定，要求比较短1~2 ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感。

2.3 仿真调试

Proteus软件仿真可以用2种方法，得到如图2所示的仿真结果。

（1）加载hex 执行文件：在Keil C 软件中编译生成*.hex 文件，在Proteus 软件中双击单片机，在“ProgramFile”选项中加载相应的hex文件，如图3所示，然后启动仿真过程。如果显示有问题，终止仿真过程，返回KeilC软件里调整，重新生成hex文件，在Proteus软件中重新仿真。这个方法因为和平常实验中步骤相似（生成hex文件，下载到开发板观察结果），被大多数同学所接受。

（2）用Proteus 和Keil C 联合仿真：在Proteus 的官网下载联调的安装驱动“VDMAGDI.EXE”，在Proteus的debug 菜单中选中use remote debug monitor；进入Keil的project 菜单Option for Targe‘t Target1’，在Output 选项下的create hex file 选项前打钩，在Debug 选项栏右上角Use 选项右边的下拉框中，选中Proteus VSM Mon?itor ?51 Driver 。再进入setting，如果是单机联调，IP 为127.0.0.1，如图4 所示；如不是单机则填另一台机的IP地址，端口号均为8000。在Keil C中启动调试“DebugStart/StopDebugSession”，在Proteus中观察直接结果。

3 结语

在显示器件驱动技术课程的实验教学中引入Proteus仿真软件，向学生展示了系统硬件设计、软件设计、调试过程。这种实验教学方法弥补了学生在课前预习课后复习实验时缺乏开发板不足的问题，消除了课堂上开发板损坏等因素对实验结果的影响。同时也加深了学生对显示器件驱动原理的理解，利于培养学生的创新能力和综合应用技巧，明显地提高了教学质量。

参考文献

[1] 王海燕，杨艳华.Proteus和Keil 软件在单片机实验教学中的应用[J].实验室研究与探索，2012，31（5）：88?91.

[2] 袁锋伟，赵立宏，朱慧玲，等.基于Proteus的单片机课程教学与实验改革[J].实验室研究与探索，2007，26（12）：75?78.

[3] 张力，林卫共.LabVIEW及Proteus软件环境下单片机串口通讯的仿真方法[J].电子测量技术，2010（4）：87?90.

[4] 陈朝元，鲁五一.Proteus软件在自动控制系统仿真中的应用[J].系统仿真学报，2008，20（2）：318?320.

[5] 代启化.基于Proteus 的电路设计与仿真[J].现代电子技术，2006，29（19）：82?84.

[6] 杨宏，李国辉.基于Proteus与单片机的步进电机控制设计[J].现代电子技术，2010，33（5）：104?106.

[7] 王忠，秦英林.Proteus软件在嵌入式系统教学中的应用研究[J].现代电子技术，2010，33（16）：74?76.

[8] 朱清慧，张凤蕊，翟天嵩，等.Proteus教程：电子线路设计、制版与仿真[M].北京：清华大学出版社，2008.

[9] 漆强，蒋泉.LED矩阵显示屏实验系统的设计[J].实验科学与技术，2014（2）：19?21.

第6篇：仿真技术及其应用范文

关键词：ANSYS Workbench；CFD；旋涡气泵；CFX

中图分类号：TH123.4；TP391.7

在旋涡气泵的设计领域中，传统的设计方法是按照经验参数――加工样机――实验――修正样机的设计程序来进行。这种方法造成产品设计周期长、材料浪费大、性能指标低，限制了产品更新换代的速度，影响了企业的生产效率，难以满足客户对产品的需求。

Workbench是Ansys求解实际问题的新一代产品，它无缝集成了建模、网格划分、前处理、求解以及后处理等模块。这种环境为CFD系统和设计提供了全新的平台，保证了最好的CAE结果。利用Workbench这一平台，可以快速地进行气泵关键参数的仿真，为气泵的设计提供了高效的运作环境。

1 利用ANSYS CFX进行气泵的流场分析

1.1 利用Workbench的DesignModeler建立旋涡气泵的流体模型

将在Solidworks中建立的气泵模型导入DesignModeler，由于气泵内部结构复杂，所以不采用Fill的方式来建立流体域，而是通过Enclosure和Slice两项操作形成所需的气泵流体域。

1.2 利用Workbench的Meshing模块划分网格

在Meshing模块中对建立的流体域进行四面体网格划分。Workbench的Meshing模块具有强大的网格划分和先进的网格编辑功能。由于旋涡气泵的内部流体域非常复杂，如果采用六面体网格划分需要耗费大量的时间和精力。尽管六面体网格具有网格生产速度快，质量高的特点。在误差允许的情况下，基于四面体网格的很强的适应性，对流体域进行非结构划网同样也可以取得很好的结果。

网格划分完毕之后，通过Mesh Metric的Skewness选项来判别网格质量。对于较差的网格，可以通过合适的处理来提高网格质量。

1.3 CFX-Pre前处理

由于只需要得到气泵稳定工作时的各种参数，因此选择分析类别为Steady State。设置流体材质为Air at 25℃，参考压强为1atm。考虑到浮力的影响可以忽略，所以浮力选项设为Non Buoyant。气泵实际工作时空气被叶片带动，形成气流。在仿真时，对应的流体域设定可以用Slice将生成的流体域分割成静止域和旋转域两部分，并且在两个域之间建立交界面。

所有这些预设的准备工作完成以后，接下来施加边界条件。所谓边界条件，是指求解域的边界上所求解的变量或其一阶导数随地点及时间变化的规律。流场的解法不同，对边界条件和初始条件的处理方式也不一样。对于气泵的稳态求解，边界条件设置如下：（1）入口：边界类型为Inlet，入口速度在5-50m/s范围内共取11个仿真点，方向垂直与所在面，温度恒为300K，湍流强度设为中等；（2）出口：边界类型为Opening，参考压强为0Pa；（3）交界面设置：交界面类型为Fluid Fluid，模式为General Connection，坐标变换选Frozen Rotor；（4）其余为Wall。

1.4 CFX-Solver求解

求解模式设置为High Resolution，最大迭代步数300，时间尺度为Auto Timescale，收敛方案为RMS，最大残差1e-4。

1.5 CFX-Post后处理

CFX提供了丰富的后处理选项，通过后处理可以直观地显示出流场的矢量图、云图、流线等，并且可以快速得到计算结果。图1、图2分别显示的是气泵腔内流线与压强云图。

3 对仿真结果的分析

对11个观测点的仿真结果经Excel处理之后，描绘出流速、压强和有效功率三者间的关系（又称气泵的性能曲线）。从图3可以看出，随着转速的增加，流速也逐渐变大，而压强则逐渐变小。这个趋势与理论的预计是相符的。观察功率曲线，可以很明显的看到有效功率开始时逐渐增大，在增大到极大值后，又逐渐变小。说明气泵的效率在某一转速达到极大值。

4 结束语

利用Ansys CFX和Workbench软件，可以很容易地获得气泵的流场直观图和气体的温升情况，并且快速通过后处理的计算，绘制气泵的性能曲线。通过Workbench平台可以快速调整叶片数量、叶片形状、流道形状、进口出口相对位置等，然后在转速相同的情况下，对比性能曲线的变化，从中找到最佳的设计。这一方法摆脱了经典气泵设计的缓慢、成本高的局面，大大加快了气泵产品的更新速度，缩短了研制周期，提高的设计效率，节约了试制样机的成本。

参考文献：

[1]谢龙汉.ANSYS CFX流体分析及仿真[M].北京：电子工业出版社，2012.

[2]张德良.计算流体力学教程[M].北京：高等教育出版社，2010.

[3]丁源，吴继华.ANSYS CFX14.0从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，2013.

[4]孙纪宁.ANSYS CFX对流传热数值模拟基础应用教程[M].北京：国防工业出版社，2010.

作者简介：黄光彩（1979-），男，福建永定人，应用物理教研室主任，讲师，学士学位，主要从事大学物理的教学和研究工作。

第7篇：仿真技术及其应用范文

关键词：房颤射频消融；瑞舒伐他汀；复发率；hsCRP；IL-6

阵发性房颤的非药物治疗方案中最常见有效的方法是三维标测系统下进行环肺静脉消融，但术后有可能复发。这可能与房颤术后炎性反应以及心房基质以及心房肌组织重构有关，相关研究指出炎性产物如hsCRP及IL-6等在房颤术后会有相应增高[1]。针对房颤基质和房颤心房肌重构以及导致房颤的炎症反应的治疗又称房颤的上游药物治疗，目前预防房颤心房基质和心房肌的重构以及炎性反应的药物有以下几种：ACEI/ARB、醛固酮受体拮抗剂、他汀类、皮质类固醇等。并且联合用药可能通过不同机制共同预防和治疗房颤。本研究旨在观察阵发性房颤环肺静脉静脉消融术后应用瑞舒伐他汀观察房颤的早期复发率，左房内径、hsCRP以及IL-6的水平。

1 资料与方法

1.1一般资料 44研究对象为2011年6月～2013年6月我院心内科的阵发性房颤射频消融术后患者，血脂水平均在正常范围。研究对象随机分为对照组和他汀组，即对照组22例，男13例，女9例，他汀组22例，男12例，女10例。

1.2方法 所有患者均在Carto三维标测系统下行环肺静脉消融，消融终点为：利用环Lasso电极至肺静脉口标测经验证达到双向阻滞，若仍外房颤，给予同步电复律转复心律。

1.3术后治疗方法 入选的患者随机分为对照组和他汀组，对照组（n=22），给予胺碘酮及华法林口服治疗，甲状腺功能异常者，改用心律平治疗，术后常规服用华法林抗凝治疗3个月，维持INR值至2～3。他汀组（ n=22），给予给予胺碘酮及华法林基础上加用瑞舒伐他汀（10mg/晚）。

1.4观察指标 观察3个月房颤复发率，房颤复发通过HOLER检查了解房颤复况。使用ELISA检测hs-CRP及IL-6在术前即刻，术后2d、1个月、3个月的水平，术前及术后3个月心脏彩超检查左房内径。

1.5随访内容和观察指标 术后2d、1个月、3个月由固定医师随访，采集数据，向患者宣教，有心悸症状立即门诊或住院部就诊，采集hs-CRP及IL-6数据及HOLTER、心脏彩超数据。

1.6统计学方法 计量资料结果用（x±s）表示，治疗前后比较采用配对t检验，计数资料用 χ2检验，治疗组和对照组的比较采用成组设计的t检验，P0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1两组患者的基线情况及治疗前血脂水平、左房内径无统计学差异，P0.05。

2.2两组患者3个月房颤复况为他汀组复发人数3例，复发率为13.6%，对照组人数8例，复发率为36.4%，两组复发率无统计学差异，他汀组复发率不低于对照组。房速及房扑的复发率仍无统计学差异P=0.135。他汀组中有1例发生肝功能异常，转氨酶升高至3倍以上，停药后肝功能恢复。见表1。

2.3两组患者治疗前后血清炎症因子水平的变化 术前患者IL-6及hs-CRP水平两组无统计学差异，术后2d两组炎性因子达到最高水平，术后1个月开始下降，术后3个月时降至术前水平。他汀组于对照组相比较，术后炎性因子水平有显著性降低（P

2.4 3个月后随访心脏彩超两组左房内径情况为他汀组术前和术后左房内径无统计学差异，对照组术前及术后左房内径无统计学差异。术前两组左房内径及术后两组左房内径无统计学差异。见表2。

3 讨论

环肺静脉消融术是目前治疗房颤的主要手段，射频消融能量导致心房组织的炎症反应，在心房内广泛消融可引起炎性因子如CRP及IL-6等的释放[2]。Hs-CRP及IL-6参与全身及局部的炎症反应，并且在血浆中较为稳定。

关于他汀类药物抗房颤的研究及临床实验较多，大多数研究表明他汀类药物是通过多效性机制，发挥其抗炎及抗氧化[3]、改善血管内皮细胞功能等的作用。射频消融术是利用射频能量的热效应导致病变心肌的坏死，有较多的研究显示，射频消融术后在凝固性坏死组织的周围有大量的单核细胞、中性粒细胞渗出，呈急性炎症反应，从而引起hsCRP及IL-6等炎性因子升高。已有的动物实验和临床试验证据显示他汀对继发性心房颤动和特发性心房颤动均有抑制作用。Siu等研究了他汀类药物治疗孤立性房颤复发的影响，经过多因素COX回归分析显示，他汀治疗组能明显降低心房颤动复律后的复发危险[4]。也有相关研究证明他汀类药物不能降低房颤射频消融术后复发，Richter等对234例阵发性房颤和持续性房颤行环肺静脉消融术的患者进行回顾性研究。经过COX回归分析显示他汀类药物不能降低射频消融术后房颤的复发率。

本实验研究显示他汀类药物不能降低阵发性房颤射频消融术后早期房颤复发率，但是他汀类药物有降低房颤复发率的趋势（P=0.067），但未达到统计学意义，可能与观察患者的例数有关。但是他汀类药物有明确的抗炎作用，尽管有越来越多的证据支持抗炎药物有预防房颤的作用。但是仍有有较多前瞻及回顾性研究表明他汀药物没有预防房颤的作用。

参考文献：

[1]Acevedo M， Cohalan RL， Perez L. et al. C-reactive protein inatria fibrillation：evidence for the presence of inflammation in the genesis，J AM Coll Cardiol 2003；41：1089

[2]Manolis AS，V， Maounis T， et al. Detection of myocardial injury during radiofrequency catheter ablation by measuring serum cardiac troponin I levels：procedural correlates.J Am Coil Cardiol 1999；34：1099-1105

第8篇：仿真技术及其应用范文

关键词： 仿真技术 广场施工

仿真技术是以相似原理、信息技术、系统技术及其应用领域有关的专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验研究的一门综合技术。简单的说，仿真技术是对系统模型的一种试验技术。

建筑工程施工是一项将设计图建成实物的复杂工作。其施工方法和组织程序都存在多样性、多变性。至今，对施工方法和施工组织的优化主要建立在施工经验基础上。依靠施工经验对施工进行控制和优化，具有一定的局限性。特别是在全新结构或复杂条件下的施工，依靠经验对工程施工的可行性、控制优化、事故预测和生产调度优化等各方面的分析和预测，可能会由于思维惯性而忽略重要结果或由于力不从心只能分析局部和少量结果，更无法开展定量分析。而依靠仿真技术这一高效节省的试验方法，能够跟踪施工过程的各环节。对施工生产全过程进行试验，验证优化施工技术和施工组织。鉴于仿真技术的显著优越性，中建三局和华中科技大学合作，以上海正大商业广场项目为背景，对仿真技术应用于建筑工程施工进行了尝试。

1.

工程概况

正大广场位于上海浦东陆家嘴东方明珠电视塔下。平面基本呈矩形，地下3层，地上10层，长约260m，宽约100m，总高度50m，总建筑面积达24.3万平方，是集商业、餐饮、娱乐为一体的综合性建筑。

本建筑由于建筑规模、设计造型要求，采用了大量钢结构，构件数量规格繁多，各种不同类型的构件约3000 余件、共5600T，而结构吊装工期仅85天，且钢结构主要集中在8层以上，重、大型构件又集中在建筑物腹地。单件超大超长，安装高度各异，大多数构件只能用桅杆式起重机安装，吊装有较大难度。吊装过程中任何失误都可能造成难以估量的损失，其施工组织和施工技术亟需应用全新的技术手段进行验证。

2.

仿真系统的主要内容

“上海正大商业广场施工虚拟仿真系统”以满足生产需求为目标，使用虚拟现实技术对施工过程进行模拟，主要包括三大部分内容。

2.1

第一部分：外景仿真

在建筑物建成前，虚拟显现建筑物建成后周围的环境。

将正大广场按现设计图纸详细建模渲染，并将附近建筑、场景、道路、黄浦江等建模渲染，使观察者如身临其境。系统实现了观察者不同的观察角度和漫游方式，使观察者能自由地在场景中漫游；在场景中加入海洋效果、声音仿真等特效，使场景更显真实并具有动感，沉浸感更强。在漫游中实现了碰撞检测功能，使漫游场景中的各种实体能真实反映现实生活中的各种状况。例如，运动物体遇到障碍物会停止运动，在高低不平的道路上，能够随地形起伏运动等。

2.2

第二部分：吊装仿真

这是系统的核心部分。于钢结构施工前在计算机上完成各种构件配装、吊装的多种试验和优化工作。同时利用多点决策理论，采用两榀屋架同时装配方案，使装配-吊装过程连续进行。

正大商业广场钢结构数量多、规格杂、分布散。施工方案选用6 台塔吊和5部桅杆式起重机进行吊装。课题组成员能按每个构件的具体吊装方法及整个吊装过程的先后顺序，对每个吊装过程进行吊装虚拟。吊装过程采用GSL编程实现。针对不同的吊装过程采用了不同的计算方法。对塔吊双机抬吊采用了反运动学算法。通过正在吊装的钢结构主梁的空间位置，算出吊装的转角和小车的运动行程。塔吊及桅杆式起重机单机起吊吊装动作则首先通过手动操纵塔吊或桅杆起重机运动，在不断试验中寻找将构件吊装到位并能避开障碍的最佳运动轨迹，并记录此轨迹上的每一个转折点，以及在此点上的塔吊和起重机的运动参数。然后用GSL语言实现吊装动作。

在吊装试验过程中，为解决依靠视觉判断是否存在构件干涉，无法克服三维模型显示在二维屏幕上存在的视觉误差问题，系统中加入了构件的实时碰撞检测功能。当构件之间出现碰撞干涉时，相应的构件颜色将产生变化以提醒用户。

2.3

第三部分：应力和变形分析

包括两部分内容。

（1）桅杆起重机主副臂、基座、缆凤绳和吊装屋架的应力分析

通过设计分析软件，成功地对桅杆起重机吊装的动态过程中各种条件下主臂、副臂、格构柱、缆凤绳和混凝土基座的受力状况的有关参数进行计算，并对吊装屋架的应力进行对比分析。

（2）对典型厚板的焊接过程分析

选择典型的箱形截面焊接过程进行三维有限元数值模拟。截面有限元数的网格划分了八节点块体单元，同时考虑了温度使弹性模量发生的变化及钢材从弹性体塑性体 弹性体的变化过程，力学模型采用了非线性的热弹塑性模型。经过连续计算，获得了箱形截面的一次焊接和多层焊接的温度场、应力场和应变场的变化规律。

3、主要应用成效

正大商业广场的施工虚拟仿真系统是国内首次尝试仿真技术应用于建筑工程，它对施工全过程进行模拟，在施工前了解各种构件在实际结构中的相对位置及相互关系，试验多种施工方法，计算相应工况应力，对吊装方法、顺序和吊装线路进行优化。通过正大商业广场的施工实践，取得了良好的应用成效，主要体现如下。

（1） 通过试验多种施工方案，可以在施工前发现问题，优化方案，有助于缩短工期，保障施工安全和工程质量。通过实施施工虚拟仿真系统发现了原有施工方案中存在的若干不合理设想和安全隐患，并提供了可靠的解决施工方案。对原方案中桅杆起重机的缆凤绳布置进行了优化，减少了吊装过程中安、拆缆凤绳的次数。

（2）实现了施工过程的实时视觉仿真，有利于进行施工前的操作和安全交底。

（3）利用多点决策优化理论优化装配吊装方案，提高施工工效。

（4）开发桅杆起重机内力分析程序，提供了起重机的安全运行控制要求，保障桅杆起重机的安全运行及屋架的安全吊装。

（5）采用三维有限元法，获得了数值模拟箱形截面焊接过程的温度、应力和应变场等数据和结论，可有效的指导施工现场对焊接变形进行控制。

（6）对建筑物外观效果的仿真，有助于提高建筑造型的合理性和设计进程，为施工提供直观指导。

4、展望

上海正大商业广场施工虚拟仿真系统的建成，标志着我国建筑行业跨入了应用现代虚拟技术的新阶段。同时也为建筑业和项目管理者在评估和管理项目风险方面提供了一个极有价值的新工具。但由于该系统是仿真技术首次在建筑施工中应用，在以下方面还需要进一步完善：

（1）系统的通用性，普及性较差，目前只对单个工程有效，还不具备在建筑业广泛推广应用的条件；

（2）将建筑业的二维设计图纸转化为仿真系统所需要的三维模型用时较长，使系统的经济性和可推广性降低；

（3）外观和吊装仿真使用的虚拟现实技术与内力计算使用的数值模拟技术还不能形成一个完整的体系，增加了数据的重复处理，降低了系统运行的可靠度；

第9篇：仿真技术及其应用范文

关键词:虚拟人 行走模型 运动控制

中图分类号:TP2 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)04(b)-0019-01

虚拟人是人在计算机上生成空间中几何特性与行为特性的逼真表示。在虚拟环境中,我们利用虚拟人来模仿真人的各种行为,尤其是人类最普遍的正常行走运动,而且能模拟军事的运用训练和医学的仿真实验中,还能设计产品增加产品的真实性。

1 虚拟人行走模型

1.1 虚拟人行走模型的建立

虚拟人是由计算机合成的真实的人,人体是个复杂的机构,如果要建模生成一个三维立体的人体模型就要对真人身体的头、四肢、躯干、皮肤肌肉等部位进行严格的分析,还包括人体上百个关节和细密器官的分析,建立一个运动模型,人体中肢体与肢体之间是相关联系的,可以将人体的关节看成几个点,各个骨骼之间形成一条一条的链条,根据关节之间不同的旋转和身体部位安置的角度让身体的各个部分相互融洽连接。

1.2 虚拟人行走过程

人体行走的过程看似简单但是相对与虚拟过程就比较复杂,人在行走时每条腿会经历承受期和摆动期,腿的承受期主要分为脚后跟着地到脚尖接触到地面,行走周期是相对循环的,很多步子聚集到一起构成人体进行路线行走的平移,还要对支撑脚与地面之间进行准确的碰撞测试,由于两条腿的来回摆动,以两步为周期平移一步,以此循环也就形成了两条腿的摆动过程,进一步地实现了在水平地面上的连续行走。

2 虚拟人的运动控制技术

2.1 运动控制的关键帧方法

关键帧技术来源与动画片的制作方法,最初关键帧技术只是通过编入帧与帧之间的卡通的形状,在动画片中,所有的影像画面都通过设计关键帧中位置角度的一些参数问题来设计,关键帧技术根据人体的运动和活动状态将人体的动作分解成一系列的动作,每个动作对应相应的帧,但是电脑技术有时不会考虑人体的物理等一些特殊特性,所以会存在不恰当的插入导致虚拟人的不合理的动作,所以通常采用双值插入的方法来有效解决关键帧出现运动轨迹错误的现象,通过设定动作和运动速度的插值参数,让速度来控制动作形成流畅的轨迹。

2.2 运动捕捉技术

随着技术的进一步成熟,运动捕捉技术有着非常广泛的应用领域。运动捕捉方法是指通过记录三维空间中的人体运动轨迹,并将运动轨迹转化为运动数据,对这些数据合成编辑以此合成虚拟人运动的过程。用于动画设计的运动捕捉技术通过一种光学设置将演员的表演姿势头部运动以及表情投射在计算机上,通过调整数据再加入真实的情感来完成制作。运动捕捉技术最大的优点在于能有效的捕捉真人的运动数据,数据传输能将运动数据从捕捉设备准确迅速地传送到主机系统再生成很多高难度的动作,因而虚拟人的运动能和真人运动十分相似,模仿度逼真度超高。但运动捕捉技术同样存在设备昂贵虚拟人本身的条件制约等一些缺陷,动力学控制虚拟人的运动体现了人体运动的真实性,但运动性太强。还可能因为冗杂的或者错误的数据和设备本身的干扰造成虚拟人身上跟踪器的移位反而导致画面运动的失真。但是运动捕捉技术仍然因能自动捕捉到人体运动的各个细节广泛运用在各领域。

2.3 物理的仿真技术

物理的仿真技术利用生物学动力学等物理定律完成运动,从而弥补了关键帧技术的不足之处,一般有半物理仿真技术和全物理仿真技术,半物理仿真技术的逼真度较高,主要重视人机之间的关系,全物理仿真采用物理模型的仿真,主要通过对实物的模拟完成仿真。我们通常应用人体关节的基本动力学和动力学模型,通过分析物理规律计算运动的过程,来完成动态的仿真,使得创作出的虚拟人的运动更加逼真。物理的仿真技术的优点主要是能结合动力学相关物理定律实现关键帧技术无法实现的理想运动控制。优越于其它运动控制技术的优点主要表现在:首先,利用基于物理的仿真技术可以生成用关键帧技术无法实现的完全符合物理特性的理想的运动,人机之间的更多的交流使得捕捉到的技术更加精确。

3 虚拟运动的进一步发展

3.1 虚拟人运动控制的研究现状

近几年,国内外研究虚拟人运动控制的团体日渐壮大,国外相关团队对虚拟人的运动行走运动控制技术和捕捉进行了透彻研究,还有团队研究虚拟人面部的表情头发衣服进行了动画研究,实现了运动的仿真。国内的研究机构致力研究虚拟人运动的实时控制,通过对虚拟人身体部位的相关约束实现了虚拟人步行跑步等运动方式的拓展。

3.2 虚拟人的广泛应用

虚拟人广泛应用在国防航天和医学等人类活动领域,应用虚拟人可以制作出符合中国人航天服的数据,在汽车防撞的实验中也可以运用虚拟人检测防撞强度质量,在医学领域,虚拟人可以有效的帮助医生观察人体组织,提高医学效率。例如美国公司开发了Jack的虚拟人行走,能实现人体模型的建立和行走的仿真控制,通过关键帧动画方法,用户可以自己实现虚拟人姿态的调节,拓展了虚拟人行走的仿真功能。Jack虚拟人除了能直立行走还能跑跳弯腰低头行走,还能进行攀登跳跃等高难度的动作。本文对目前虚拟人几何模型建市的几种常用方法进行了阐述,并对它们的优缺点进行了对比分析,同时对走步、跑步等几种典型的运动的控制方法进行了概述和对比研究。总而言之,随着科学技术的发展,虚拟人运动控制技术逐渐成为虚拟现实技术的关键,已经日益广泛的渗透到人们的日常生活中,因而受到人们的关注和重视。我们应当继续对虚拟人行走建模进行深究,通过多种技术的相融合解决运动控制的各方面问题满足虚拟技术的需要和快速发展。

4 我们的工作

通过对虚拟人行走建模及运动控制的研究,我们建立了自主虚拟人智能行为的通用框架,包括两个模块,模块一主要解决虚拟人骨架建模方法,虚拟人运动建模方法,骨骼蒙皮方法,模块二重点解决了虚拟人运动控制问题,包括参数化关键帧方法,逆向动力学ik求解,基于运动融合技术的运动切换。该框架实现了一种生成真实感智能行为反应动画的方法,具有较好的真实感。在实时虚拟环境中进行的仿真实验结果表明作者提出的通用框架可有效进行自主虚拟人建模,为实时交互虚拟环境创建具有高度自主性、环境感知能力智能行为决策与运动控制能力的真实感虚拟人。

参考文献