Система моделирования динамических объектов с трехмерной визуализацией
|
Введение 4
1 Анализ предметной области 7
1.1 Проблематика визуализации системы динамических объектов 7
1.2 Пример визуализации динамического объекта для моделирования 10
1.3 Обоснование цели и задач выпускной квалификационной работы 11
Выводы по разделу 1 11
2 Разработка системы моделирования динамических объектов с трёхмерной
визуализацией 12
2.1 Система визуального моделирования как ядро компьютерных игр 12
2.2 Программная реализация моделей 14
2.3 Структура системы моделирования 22
2.4 Пользовательский интерфейс 35
Выводы по разделу 2 36
3 Тестирование программы 37
3.1 Перспективы развития программы 45
Выводы по разделу 3 46
Заключение 48
Список сокращений 49
Список использованных источников 50
ПРИЛОЖЕНИЕ А Подпрограмма численного интегрирования 56
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Модель двигателя постоянного тока 60
1 Анализ предметной области 7
1.1 Проблематика визуализации системы динамических объектов 7
1.2 Пример визуализации динамического объекта для моделирования 10
1.3 Обоснование цели и задач выпускной квалификационной работы 11
Выводы по разделу 1 11
2 Разработка системы моделирования динамических объектов с трёхмерной
визуализацией 12
2.1 Система визуального моделирования как ядро компьютерных игр 12
2.2 Программная реализация моделей 14
2.3 Структура системы моделирования 22
2.4 Пользовательский интерфейс 35
Выводы по разделу 2 36
3 Тестирование программы 37
3.1 Перспективы развития программы 45
Выводы по разделу 3 46
Заключение 48
Список сокращений 49
Список использованных источников 50
ПРИЛОЖЕНИЕ А Подпрограмма численного интегрирования 56
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Модель двигателя постоянного тока 60
В настоящее время при изучении ряда учебных дисциплин возникает необходимость визуализации рассчитанных характеристик технических объектов. Как правило, это связано с использованием классических графиков того или иного вида. Например, при изучении теории управления рассчитываются переходные характеристики как реакция на входные воздействия. Для инженеров важно научиться видеть за рассчитанными кривыми поведение исследуемых объектов. Например, при моделировании электропривода постоянного тока рассчитываются ток, скорость, угол поворота. Ток находится внутри обмотки и его визуализация с помощью классического графика достаточно информативна. Но изменение скорости и угла поворота связано с механическим перемещением рабочего механизма. В этом случае визуализация с помощью графика может быть дополнена анимационными изображениями, которые могут визуально демонстрировать движение соответствующих механизмов, например, перемещение манипулятора робота или поворот солнечных батарей с ориентацией на Солнце у космического аппарата.
При этом важно, чтобы визуализация происходила в соответствии с расчётом реального переходного процесса со всеми его изменениями, а не была анимацией с простым изменением положения устройства. Например, при синтезе регулятора электропривода робота необходимо показать, как выбор параметров регулятора влияет на траекторию движения. В случае правильного выбора параметров движение манипулятора с грузом выполняется плавно и с точным достижением конечного положения. А при неправильном выборе возникает колебательность, перерегулирование и ошибка в перемещении.
Существуют коммерческие универсальные системы моделирования, которые содержат встроенные средства визуализации, например, Matlab и др. Но они демонстрируют сравнительно простые изображения в двухмерном представлении. В некоторых случаях этого достаточно. Но в ряде случаев желательно, чтобы движение выполнялось в трёхмерном пространстве.
Для этого необходимо создать вычислительное ядро, с использованием которого можно построить саму систему моделирования динамическими объектами, обеспечивающую трёхмерное представление.
Такое вычислительно ядро должно быть приспособлено для визуализации уже рассчитанных процессов, а также для процессов, которые рассчитываются внутри самой системы визуального моделирования.
В настоящее время в научно-учебной лаборатории систем автоматизированного проектирования кафедры вычислительной техники ИКИТ СФУ разрабатывается учебно-научная система моделирования. Разрабатываемая в данной бакалаврской работе система визуализации должна быть совместима с этой системой моделирования.
Учебно-научная система моделирования будет использоваться в учебном процессе как пример реализации функционально-законченного прикладного программного обеспечения. Предполагается, что студенты будут учиться его разрабатывать. Система визуализации также должна использоваться как пример построения графического программного обеспечения с открытым кодом.
Поэтому в настоящей работе предложено решение задачи создания системы моделирования с открытым кодом для изучения студентами. Системы моделирования с точки зрения программирования представляют собой интересный объект разработки. Они включают весьма разнообразные части: библиотеку моделей отдельных устройств, библиотеку методов и подсистему организации вычислений, диалоговую подсистему в различных формах, подсистему графического вывода результатов моделирования, подсистему накопления результатов моделирования в базе данных и др. Это позволяет обучать студентов разнообразным приёмам программирования и тем самым реализовать учебный характер разрабатываемого программного обеспечения. Кроме этого, можно рассматривать и реализовывать разные научные и инженерные идеи, связанные с построением системы и организацией процесса моделирования. Наличие открытого кода позволяет соответствующим образом.
Объект разработки — прототип системы моделирования динамических объектов с трёхмерной визуализацией механических перемещений.
Цель выпускной квалификационной работы — разработка программного и методического обеспечения для системы моделирования динамических объектов и реализация на их основе проекта с элементами управления.
Задачи выпускной квалификационной работы:
1) разработать структуру системы моделирования;
2) разработать систему трёхмерной визуализации;
3) разработать библиотеку математических методов для выполнения вычислений;
4) протестировать прототип системы моделирования на примере электромеханических систем с использованием разработанных библиотек моделей и методов.
По результатам ВКР опубликовано 4 статьи и доклада на научных конференциях, получено 10 свидетельств о регистрации программ для ЭВМ
При этом важно, чтобы визуализация происходила в соответствии с расчётом реального переходного процесса со всеми его изменениями, а не была анимацией с простым изменением положения устройства. Например, при синтезе регулятора электропривода робота необходимо показать, как выбор параметров регулятора влияет на траекторию движения. В случае правильного выбора параметров движение манипулятора с грузом выполняется плавно и с точным достижением конечного положения. А при неправильном выборе возникает колебательность, перерегулирование и ошибка в перемещении.
Существуют коммерческие универсальные системы моделирования, которые содержат встроенные средства визуализации, например, Matlab и др. Но они демонстрируют сравнительно простые изображения в двухмерном представлении. В некоторых случаях этого достаточно. Но в ряде случаев желательно, чтобы движение выполнялось в трёхмерном пространстве.
Для этого необходимо создать вычислительное ядро, с использованием которого можно построить саму систему моделирования динамическими объектами, обеспечивающую трёхмерное представление.
Такое вычислительно ядро должно быть приспособлено для визуализации уже рассчитанных процессов, а также для процессов, которые рассчитываются внутри самой системы визуального моделирования.
В настоящее время в научно-учебной лаборатории систем автоматизированного проектирования кафедры вычислительной техники ИКИТ СФУ разрабатывается учебно-научная система моделирования. Разрабатываемая в данной бакалаврской работе система визуализации должна быть совместима с этой системой моделирования.
Учебно-научная система моделирования будет использоваться в учебном процессе как пример реализации функционально-законченного прикладного программного обеспечения. Предполагается, что студенты будут учиться его разрабатывать. Система визуализации также должна использоваться как пример построения графического программного обеспечения с открытым кодом.
Поэтому в настоящей работе предложено решение задачи создания системы моделирования с открытым кодом для изучения студентами. Системы моделирования с точки зрения программирования представляют собой интересный объект разработки. Они включают весьма разнообразные части: библиотеку моделей отдельных устройств, библиотеку методов и подсистему организации вычислений, диалоговую подсистему в различных формах, подсистему графического вывода результатов моделирования, подсистему накопления результатов моделирования в базе данных и др. Это позволяет обучать студентов разнообразным приёмам программирования и тем самым реализовать учебный характер разрабатываемого программного обеспечения. Кроме этого, можно рассматривать и реализовывать разные научные и инженерные идеи, связанные с построением системы и организацией процесса моделирования. Наличие открытого кода позволяет соответствующим образом.
Объект разработки — прототип системы моделирования динамических объектов с трёхмерной визуализацией механических перемещений.
Цель выпускной квалификационной работы — разработка программного и методического обеспечения для системы моделирования динамических объектов и реализация на их основе проекта с элементами управления.
Задачи выпускной квалификационной работы:
1) разработать структуру системы моделирования;
2) разработать систему трёхмерной визуализации;
3) разработать библиотеку математических методов для выполнения вычислений;
4) протестировать прототип системы моделирования на примере электромеханических систем с использованием разработанных библиотек моделей и методов.
По результатам ВКР опубликовано 4 статьи и доклада на научных конференциях, получено 10 свидетельств о регистрации программ для ЭВМ
При выполнении выпускной квалификационной работы разработан и программно реализован на языке C++ прототип подсистемы трёхмерного визуального моделирования динамических объектов.
Разработанная подсистема является частью учебно-научной системы моделирования динамических объектов, разрабатываемой в научно-учебной лаборатории САПР кафедры вычислительной техники.
Предусмотрена возможность трёхмерного представления движения механических объектов, переходные характеристики могут быть рассчитаны сторонними программами или внутренней подсистемой вычислений.
В качестве примера динамического объекта использован механизм перемещения грузов на основе электропривода с двигателем постоянного тока и электромагнита в качестве устройства захвата, для которых были разработаны программные модели, включённые в библиотеку моделей.
Реализованный прототип системы трёхмерной визуализации будет использоваться в учебном процессе на кафедре вычислительной техники для демонстрации результатов проектирования систем автоматического управления.
Разработанная подсистема является частью учебно-научной системы моделирования динамических объектов, разрабатываемой в научно-учебной лаборатории САПР кафедры вычислительной техники.
Предусмотрена возможность трёхмерного представления движения механических объектов, переходные характеристики могут быть рассчитаны сторонними программами или внутренней подсистемой вычислений.
В качестве примера динамического объекта использован механизм перемещения грузов на основе электропривода с двигателем постоянного тока и электромагнита в качестве устройства захвата, для которых были разработаны программные модели, включённые в библиотеку моделей.
Реализованный прототип системы трёхмерной визуализации будет использоваться в учебном процессе на кафедре вычислительной техники для демонстрации результатов проектирования систем автоматического управления.
Подобные работы
- МОДЕЛИРОВАНИЕ МНОГОСВЯЗНОЙ СИСТЕМЫ СТАБИЛИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЯ КВАДРОКОПТЕРА
Дипломные работы, ВКР, информатика. Язык работы: Русский. Цена: 6500 р. Год сдачи: 2019 - РАЗРАБОТКА МЕЖДИСЦИПЛИНАРНОГО КУРСА «КОМПЬЮТЕРНАЯ
ГЕОМЕТРИЯ В СКМ MAPLE»
Дипломные работы, ВКР, математика. Язык работы: Русский. Цена: 4790 р. Год сдачи: 2017 - Метод депроекции изображений оптически тонких осесимметричных объектов
Магистерская диссертация, информатика. Язык работы: Русский. Цена: 4915 р. Год сдачи: 2018 - Сетевой метод повышения качества нефтегазопромысловых работ
Магистерская диссертация, газовые сети и установки. Язык работы: Русский. Цена: 4900 р. Год сдачи: 2016 - Моделирование и оптимизация 3-мерных МРТ последовательностей для количественного определения объемов различных структур головного мозга
Дипломные работы, ВКР, физика. Язык работы: Русский. Цена: 4760 р. Год сдачи: 2017 - Построение поля скоростей для обработки данных радионуклидных исследований
Дипломные работы, ВКР, математика. Язык работы: Русский. Цена: 4340 р. Год сдачи: 2016 - ПОСТРОЕНИЕ ИЗОПОВЕРХНОСТЕЙ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ФУНКЦИИ
ПО 3D ДАННЫМ ДЛЯ GIS СИСТЕМ
Дипломные работы, ВКР, информационные системы. Язык работы: Русский. Цена: 4900 р. Год сдачи: 2017 - РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ АКУСТИЧЕСКОЙ ТОМОГРАФИИ ПУТЕМ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ РАЗНОСТЕЙ ВО ВРЕМЕННОЙ ОБЛАСТИ
Магистерская диссертация, физика. Язык работы: Русский. Цена: 4845 р. Год сдачи: 2018 - Совместное моделирование механических и биопараметрических объектов
Дипломные работы, ВКР, информатика. Язык работы: Русский. Цена: 4300 р. Год сдачи: 2016