遠(yuǎn)程測量系統(tǒng)中三坐標(biāo)測量機的仿真操作實現(xiàn)
1．引言
互連網(wǎng)的出現(xiàn)，打破了信息傳遞在時間和空間距離上的限制，使操作者有可能在任何時間、任何地點對任何設(shè)備進行操作，為真正的遠(yuǎn)程控制和操作提供了技術(shù)平臺。隨著互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，基于互聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)正成為一個重要的前沿課題，在國內(nèi)外引起了廣泛的重視。
各類基于互聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)具有一些共同的特點：整個系統(tǒng)由本地端、遠(yuǎn)程端和互聯(lián)網(wǎng)三部分組成。操作者在本地端通過本地端計算機發(fā)出操作指令，指令經(jīng)過互聯(lián)網(wǎng)傳送到遠(yuǎn)程端服務(wù)器，由遠(yuǎn)程端服務(wù)器控制被操作對象完成操作者指定的任務(wù)，最后，遠(yuǎn)程端服務(wù)器將指令的執(zhí)行結(jié)果以一定形式傳送到本地端，使操作者能掌握指令的執(zhí)行情況和作業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境，從而能夠作出進一步的操作指令。這樣，就實現(xiàn)了操作者對被操作對象的遠(yuǎn)程操作。被操作對象所攜帶的傳感器以及部署在被操作對象周圍的傳感器對環(huán)境的感知信息構(gòu)建成作業(yè)現(xiàn)場的反饋信息，操作者在反饋信息的輔助下，具有了一定程度的臨場感，從而可以異地操縱在作業(yè)環(huán)境中的被操作對象完成作業(yè)任務(wù)。
2．系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
北京理工大學(xué)機電一體化中心研究課題----基于互聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程測量和操作的基礎(chǔ)研究，以三坐標(biāo)測量機為操作對象對基于互連網(wǎng)的遠(yuǎn)程操作進行研究，以期構(gòu)建一個高效的遠(yuǎn)程測量系統(tǒng)并得到一些適用于遠(yuǎn)程測量和操作的結(jié)論或方法。
該系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，是一個采用預(yù)測/預(yù)演和局部自主控制相結(jié)合的控制策略的遠(yuǎn)程測量系統(tǒng)。系統(tǒng)啟動時會在本地機上生成仿真三坐標(biāo)測量機，仿真三坐標(biāo)測量機是以三坐標(biāo)測量機為原型建立起來的三維立體模型，其作用是：在本地機給真實三坐標(biāo)測量機發(fā)送操作指令前，預(yù)演操作者發(fā)出的指令，預(yù)測并動畫顯示真實測量機在指令的執(zhí)行過程中和執(zhí)行完畢后各部件的位置或姿態(tài)，給操作者提供指令執(zhí)行情況的視覺參考，確保操作指令的正確性和有效性。操作者可以在本地機操作界面連續(xù)地發(fā)出指令，經(jīng)仿真三坐標(biāo)測量機預(yù)演并確認(rèn)無誤的指令被發(fā)送到遠(yuǎn)程端的真實設(shè)備。實際上就是讓三坐標(biāo)測量機在一定的時延后重復(fù)仿真三坐標(biāo)測量機的動作。
在系統(tǒng)啟動后的初始化過程中，真實三坐標(biāo)測量機和仿真測量機分別處于各自的初始位置；仿真工件也會在這個過程中生成，它在仿真環(huán)境中位置與真實工件在作業(yè)環(huán)境的位置相對應(yīng)。在測量開始前，測量機的測頭根據(jù)本地端傳來的指令作大范圍的調(diào)整，選擇合適的測量方位。一旦定位完成，控制器從操作者發(fā)來的測量指令中提取測頭運動的方向信息，由測量機根據(jù)該方向信息自主地進行測量，從而最終實現(xiàn)了操作者對三坐標(biāo)測量機的操作。
3．仿真環(huán)境生成
預(yù)測/預(yù)演仿真環(huán)境是在VC++6.0的環(huán)境調(diào)用OpenGL函數(shù)庫編制而成的。仿真環(huán)境的建立主要包括：仿真三坐標(biāo)測量機的幾何建模、運動學(xué)建模和仿真工件的生成。
3．1幾何建模
幾何建模的過程就是用一些基本的幾何體構(gòu)建復(fù)雜的仿真三坐標(biāo)測量機的過程，使得仿真三坐標(biāo)測量機跟真實的三坐標(biāo)盡量一致，這樣才能實現(xiàn)仿真的目的。
OpenGL函數(shù)庫提供了很強的圖形功能，包括一些三維實體的繪制函數(shù)，如球、多面體等實體的繪制函數(shù)。在構(gòu)建復(fù)雜模型時，可以使用OpenGL提供的比較簡單的形體直接構(gòu)建；也可以用圖形建模軟件先構(gòu)造一些稍復(fù)雜的形體，然后再用這些形體去構(gòu)建模型。第一種方法由于可用的基本形體過于簡單并且受所提供種類的限制，在完成比較復(fù)雜的建模工作時，工作量比較大，而且搭建的模型有時會顯得粗糙，與真實物體相差較大，該方法適合于構(gòu)建部件形體比較簡單的仿真模型。第二種方法利用了現(xiàn)有的一些建模軟件（如AutoCAD、3dMAX等）強大的三維繪圖能力，能完成對較復(fù)雜的部件的建模，并保存為一定格式的文件（如DXF、3ds格式）。然后從圖形文件中提取幾何形體的數(shù)據(jù)，用OpenGL函數(shù)進行繪制，即可在仿真環(huán)境中得到較復(fù)雜的部件模型，再用這些部件構(gòu)建仿真模型。采用這種方法，可以得到與實際形體更為接近的仿真模型，但是由于要從CAD文件中提取幾何參數(shù)，需要編制專門的CAD文件語法分析程序，工作量很大。適用于部件形體復(fù)雜，用簡單幾何形體無法構(gòu)建的模型。由于三坐標(biāo)測量機各部件的形狀都比較規(guī)則，接近于簡單的形體，所以我們在構(gòu)建仿真模型時采用了第一種方法，整個仿真模型由長方體、圓柱體和球三種簡單形體構(gòu)建而成。為了保證模型的準(zhǔn)確性，模型的各部件尺寸與真實測量機相應(yīng)部件的尺寸遵照嚴(yán)格的比例，以使仿真測量機的工作空間與真實測量機的工作空間嚴(yán)格對應(yīng)起來。
3．2運動學(xué)建模
仿真三坐標(biāo)測量機的一些部件能夠進行空間運動，以調(diào)整探針至合適的測量位置并完成測量任務(wù)。做三坐標(biāo)測量機的運動學(xué)分析，就是要在三坐標(biāo)測量機的各部件建立坐標(biāo)系并分析這些坐標(biāo)系之間的位置或姿態(tài)關(guān)系。從三坐標(biāo)測量機的工作臺到探針之間共有5個移動或轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，依次分別是：Y、X、Z方向的移動Ty、Tx、Tz和測頭繞Z軸的轉(zhuǎn)動Rz以及探針在豎直平面內(nèi)轉(zhuǎn)動Rh，整體上<
