基于虚拟现实的小行星碰撞检测研究与应用

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小行星碰撞检测技术是深空探测领域的热点问题之一,其基本任务是检测两个物体是否发生接触、碰撞,实现实时的、精确的小行星碰撞检测对促进深空探测领域的研究具有重要意义。尽管针对碰撞检测问题国内外已有了大量的、有价值的研究成果,但由于深空探测活动中复杂多变的外部环境以及较高的实验难度系数,针对小行星碰撞检测问题还亟待深入研究。随着深空探测领域的不断发展,小行星碰撞检测技术所面临的问题也日益突出,其中最关键的问题是如何有效地提高碰撞检测的快速性和准确性。精确的小行星碰撞检测不仅要求快速、有效地实现碰撞检测,同时要求仿真环境具有较高的真实性。虚拟现实技术是一种基于计算机图形学的仿真技术,已经成功应用在许多领域,并且取得了显著效果,虚拟现实技术为解决上述问题提供了一种新的、低成本的快速手段,它可以创建和体验虚拟真实世界,模拟高难度的深空探测过程,增强仿真环境的真实性。  本文以探测器着陆小行星运动过程为研究背景,针对探测器着陆运动过程中的碰撞检测问题进行了深入研究,主要包括以下几个方面的内容:  (1)分析一般的包围盒算法,因碰撞检测算法没有通用算法,所以根据研究对象的体征,刚体以及非凸特性,对混合层次包围盒算法进行改进,设计了一种新型的分层结构,上层以根节点作为顶层进行双层构造,双层中用外部Sphere包围盒及内部OBB包围盒进行处理,下层则统一使用OBB包围盒进行处理;  (2)碰撞检测算法中,为提高遍历的快速性,构造混合层次包围盒时采用改进动态分裂法,自顶向下进行构造,同时将研究对象进行均衡分割,从而有利于后续遍历更新操作;  (3)针对研究对象的连续时间碰撞检测,利用时空相关性理论,缩小检测范围,给出回退法中的改进时间间隔计算公式,对碰撞时间精确定位,适用于本文的连续碰撞检测过程。  对于碰撞检测仿真环节,本文利用Solidworks三维软件对研究对象建模,结合Matlab的虚拟现实工具箱,进行虚拟世界场景节点添加以及渲染效果,根据小行星探测过程,进行轨道动力学和姿态动力学仿真,在运动过程中涉及改进的碰撞检测过程,给出碰撞检测运行结果。  最后,通过对碰撞检测结果的分析,经过改进后的算法比一般的包围盒算法更具准确性和高效率的特点,满足虚拟现实中刚体运动的实时性要求。
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