基本信息
- 项目名称：
- 基于实时物理运算的车壳碰撞变形的模拟算法
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本论文设计了车壳碰撞与变形的算法。根据金属形变的规律，本算法先将金属划分为多个簇。在碰撞时刻，每一簇视作刚体，然后乘以一个微小常量得到相对位移，从而计算出形变的效果。本论文提出的算法效率较高并具有实时性。此模拟技术可应用于模拟仿真、应急驾驶指导和游戏以及电影制作领域，并可以推广到广义的塑性形变实时模拟。
- 详细介绍：
- 本论文设计了车壳碰撞与变形的算法。算法利用车辆碰撞的速度与冲量关系，将瞬间的冲量分解到多个时间步中，然后计算每一个时间步长的冲量。这种策略可以使模拟效果更为平滑，而且减小了变形对冲量计算的影响。根据金属形变的规律，本算法先将金属划分为多个簇。在碰撞时刻，每一簇视作刚体，然后乘以一个微小常量得到相对位移，从而计算出形变的效果。本论文提出的算法效率较高并具有实时性。此模拟技术可应用于模拟仿真、应急驾驶指导和游戏以及电影制作领域，并可以推广到广义的塑性形变实时模拟。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 论文撰写目的： 随着计算机性能的提升，特别是高性能显卡的出现，人们对实时模拟的真实感要求也越来越高。模拟技术主要应用于游戏领域、虚拟驾驶领域、影视制作领域，而基于物理的实时仿真这几年一直是计算机图形学研究的热点问题。 基本思路： 首先分析了碰撞检测部分。在实时模拟领域，碰撞检测已经是一种相当成熟的技术
科学性、先进性及独特之处
- 我们提出一种模拟车壳碰撞变形的实时性的算法。此算法基于弹簧模型并使速度和冲量的反复迭代和求解。将整个平面分为多个簇可以模拟复杂的形变，最后使用模拟世界和真实世界的时间比率来衡量实时性。 此算法需要计算的数据量较少，只需知道上一步的速度和穿透深度即可推导导出下一步的运动状态，不用求解复杂的矩阵 ，因此可以用于实时的模拟。
应用价值和现实意义
- 可以被不同的使用者应用，对于交警部门，可以使用它来模拟交通事故从而实现场景再现，并提供一定的参考信息。道路建设单位可以使用它来预估一段道路的安全性能。汽车制造企业可以用它来评测一款汽车的安全性能。并极有可能应用于军事领域，实现对新式武器的抗撞击能力的评测。更重要的是，该系统可以为驾驶培训提供一定的参考信息。
学术论文摘要
- 本论文设计了车壳碰撞与变形的算法。算法利用车辆碰撞的速度与冲量关系，将瞬间的冲量分解到多个时间步中，然后计算每一个时间步长的冲量。这种策略可以使模拟效果更为平滑，而且减小了变形对冲量计算的影响。根据金属形变的规律，本算法先将金属划分为多个簇。在碰撞时刻，每一簇视作刚体，然后乘以一个微小常量得到相对位移，从而计算出形变的效果。本论文提出的算法效率较高并具有实时性。此模拟技术可应用于模拟仿真、应急驾驶指导和游戏以及电影制作领域，并可以推广到广义的塑性形变实时模拟。
获奖情况
- 本论文是国家大学生创新项目（091056156）: 《交通事故三维模拟系统的研究与实现》的项目成果。 本论文英文版已经被2011IEEE计算机科学与自动化工程国际会议(CSAE 2011)录用。
鉴定结果
- 情况属实
参考文献
- 1. M. Moore, J. Wilhelms, “Collision Detection and Response for Computer Animation”, Proc. Siggraph, pp. 29-38, 1988. 2. M. McKenna, “Dynamic Simulation of Autonomous Legged Locomotion” Proc. Siggraph, pp. 29-38, 1990. 3. M. Desbrun, P. Schröder, A. Barr, “Interactive Animation of Structured Deformable Objects”, Proc. Siggraph Interface, pp. 1-8, 1999. 1. B. V. Mirtich, “Impulse-Based Dynamic Simulation of Rigid Body Systems” [ Ph.D. dissertation], CA: U.C. Berkeley, 1996. 2. D. Baraff, “Fast Contact Force Computation for Nonpenetrating Regid Bodies,” in Proc. of SIGGRAPH, Orlando, FL, July 1994. 3. E. Guendelman, R. Bridson, and R. Fedkiw, “Nonconvex Rigid Bodies with Stacking,” ACM Trans. on Graphics, vol. 22, no. 3, pp. 871–878,2003. 4. D. Stewart and J. Trinkle, “An Implicit Time-Stepping Scheme for Rigid Body Dynamics with Coulomb Friction,” in Proc. of ICRA, San Francisco, April 2000.
同类课题研究水平概述
- 汽车碰撞是个瞬态的大位移和大变形的过程，系统具有几何和材料等多重非线性。它涉及材料在动载下的本构关系、接触算法等问题，由于问题的复杂性，动态非线性有限元方法已成为主要的研究手段 。目前汽车碰撞的模拟计算主要使用显式有限元软件有US—DYNA，PAM—CRASH，RA DIOSS等。随着它们广泛地应用于耐撞性的分析和评价，这些软件也越来越复杂。这主要是由于不断加入和改进更先进的壳单元，沙漏(Hourglass)控制技术，材料模型和接触算法等。合理地选择和使用这些主要控制参数极大地影响着计算结果的精度和效率 。 在车辆碰撞的模拟仿真领域，国内外的学者已经做了大量研究。近二十年来，随PAM-CRASH和PC-CRASH等碰撞模拟软件的发展，基于这些软件上的研究也日渐增多。这些研究主要是使用了有限元的方法，有限元法的特点是计算量大、结果精确、难以实现实时性，所以上述研究提出的方法在实时性模拟的研究中不能适用。 国外实时模拟算法研究的概况： 现今的实时模拟研究主要是由国外学者完成的，而且主要集中在计算机图形学这一领域。基于这些研究成果，国外已经涌现出大量的物理开发包，又被称为物理引擎。常见的物理引擎有：ODE、Bullet、还有NVIDIA公司开发的PhysX物理引擎，这些物理引擎在游戏开发中已经得到了广泛应用。而国内这一方面则起步较晚，现在图形学的研究主要集中在软体模拟。
