人才需求机电工程论文提纲

论文题目：基于Unity3D的可视化控制仿真教学实验平台的研究与实现

摘要：为了应对社会对工程技术人才的迫切需求,工程类高校的学科发展趋势呈现出综合性、交融性的特点,其中就机械类专业而言,涉及的教学领域已经向机电一体化、机电液一体化的方向发展,学生在课堂上不再限于对传统机械知识的学习,对控制、液压等学科也需进行深入的学习。就控制学科来说,由于其知识点繁杂、抽象等特性,学生很难实现对其知识点的掌握。本文基于虚拟仿真实验、图形化建模仿真技术开发一种可视化控制仿真教学实验平台作为创新的实验教学手段以提高学生的学习兴趣与效果,其主要研究内容如下:基于实验平台需求分析以及Unity3D开发平台特性设计了实验平台的整体架构,将实验平台划分为虚拟仿真实验和图形化建模仿真两个子系统,其中虚拟仿真实验系统采用分层架构并主要划分为显示层、业务逻辑层以及通信层,图形化建模仿真系统划分为模块库、图形化建模以及仿真运行三个部分。基于参数化的思想建立了实验对象的数学模型,以DH法和拉格朗日法分别建立了4轴机器人与Scara机器人运动学与动力学模型,以矢量坐标法和等效力法分别建立了曲柄摇杆机构与曲柄滑块机构的运动学与动力学模型。详细设计了虚拟仿真实验系统。在显示层基于3DMax+Unity3D平台实现了虚拟场景以及虚拟实验对象在系统中的显示,基于Unity3D中UGUI框架确定了UI界面的设计方案,基于UI界面设计方案设计了整个系统的UI界面;在业务逻辑层对各功能模块进行了详细的设计;在通信层基于委托/事件机制建立了事件中心,模块之间通过事件中心进行消息通知与数据交互。详细设计了图形化建模仿真系统。采用面向对象方法设计了系统的数据结构;基于UGUI框架确定了模块图形单元的设计方案,提出了一种自动化配置算法实现模块库的配置管理功能,扩展了一种树形控件实现本地模块库在用户界面中的层次化显示;基于Newton Soflt实现了图形化模型的保存与加载,基于UGUI+Event System框架实现模块生成删除移动等建模操作的功能,扩展了一种上下文菜单控件实现建模功能的分类组合,提出了一种“参数树”与“UI树”映射算法并构建了统一验证框架实现模块的参数设置功能;基于Tarjan算法与模块特性提出了模块排序算法,设计了仿真机制与离散、连续求解器实现模型的仿真计算功能。在模块库中开发了多种常用模块实例,设计了离散、连续、混合三种系统实例对图形化建模仿真系统进行验证,以4轴机器人作为被控对象设计了轨迹直线插补仿真模型对可视化控制仿真教学实验平台进行验证;实现了实验平台在Web平台上的发布。

关键词：Unity3D;教学实验平台;虚拟仿真;图形化建模;计算机仿真

学科专业：机械工程

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 虚拟实验室国内外研究现状

1.2.2 图形化建模仿真技术国内外研究现状

1.3 主要研究内容

第2章 实验平台的总体方案

2.1 需求分析

2.1.1 功能性需求分析

2.1.2 系统性需求分析

2.2 基于Unity3D的技术方案

2.2.1 基于Unity3D的需求解决方案

2.2.2 Unity3D的相关技术模块

2.3 实验平台整体架构

2.3.1 虚拟仿真实验系统的整体架构

2.3.2 图形化建模仿真系统的整体架构

2.4 实验流程设计

2.5 本章小结

第3章 实验对象数学模型

3.1 4轴机器人数学模型

3.1.1 运动学建模

3.1.2 动力学建模

3.2 Scara机器人数学模型

3.2.1 运动学建模

3.2.2 动力学建模

3.3 铰链四杆机构数学模型

3.3.1 运动学建模

3.3.2 动力学建模

3.4 曲柄滑块机构数学模型

3.4.1 运动学建模

3.4.2 动力学建模

3.5 本章小结

第4章 虚拟仿真实验系统详细设计与实现

4.1 显示层

4.1.1 虚拟场景显示

4.1.2 UI界面设计

4.2 业务逻辑层

4.2.1 场景管理模块

4.2.2 界面管理模块

4.2.3 实验管理模块

4.3 通信层

4.4 本章小结

第5章 图形化建模仿真系统详细设计与实现

5.1 系统数据结构设计

5.2 模块库构建

5.2.1 模块图形单元设计

5.2.2 模块库配置管理

5.2.3 模块库加载与显示

5.3 图形化建模系统

5.3.1 模型的保存与加载

5.3.2 建模操作功能实现

5.3.3 模块参数设置功能实现

5.4 仿真运行系统

5.4.1 模块排序

5.4.2 仿真计算机制

5.4.3 仿真求解器

5.5 本章小结

第6章 系统实例及平台发布

6.1 图形化建模仿真系统实例

6.1.1 模块实例

6.1.2 仿真系统实例

6.2 可视化控制仿真实验实例

6.3 实验平台发布

6.4 本章小结

结论

参考文献

致谢