鳞翅目昆虫模型仿真和控制方法、系统及可读存储介质技术方案

本发明专利技术涉及鳞翅目昆虫模型仿真和控制方法、系统及可读存储介质，属于计算机图形及仿真技术领域；具体包括一种鳞翅目昆虫模型的仿真和控制方法；该方法采用三维mesh和层次化骨骼建立一个非刚体的虚拟鳞翅目昆虫模型，并实现了对其飞行的自动控制；在飞行控制时考虑了飞行速度、空间位置、所受的外力、环境等因素等对非刚体鳞翅目昆虫模型的飞行姿态影响，填补了现有技术中对非刚体鳞翅目模型飞行控制的空白；通过本发明专利技术提出的方法控制的鳞翅目模型，其飞行姿态更加真实，仿生性能更好。

【技术实现步骤摘要】
鳞翅目昆虫模型仿真和控制方法、系统及可读存储介质
本专利技术属于计算机图形及仿真
，具体涉及一种鳞翅目昆虫模型仿真和控制方法、系统及可读存储介质。
技术介绍
生物仿真在很多领域都有着无数潜在的应用，如娱乐、虚拟现实、教育、行为分析等。近几年来，研究人员付出了很多的努力来进行生命体的建模和动力学仿真，这些仿真工作包括蛇、鱼类、鸟类、昆虫、蚂蚁等。飞行生物个体仿真方法可被应用于动画的制作、微型无人机的控制和仿生鳞翅目昆虫的姿态控制。现有技术中，对于鳞翅目昆虫模型的仿真，其仅仅采用三维mesh对其外表进行仿真，并未精细的考虑鳞翅目昆虫的飞行姿态，将蝴蝶视为刚体，同时也没有关注仿真的细节，因此缺乏真实感。在生物学研究领域，研究人员多采用实验设备采集数据并驱动仿真对象，重点分析飞行昆虫的动力学特征。例如，Senda等人利用风洞实验设备来测量蝴蝶的空气动力学特征，然后用这些采集来的实验数据模拟真实感蝴蝶拍打翅膀的行为。Bode-Oke等人基于CFD方法来模拟黑脉金斑蝶倒飞。值得注意的是，尽管CFD求解器可以模拟出更加精确的扑翼，但是此类方需使用海量的流体粒子来近似求解Naiver-Stokes方程，故计算量大，不适合实时的蝴蝶仿真及运动控制。例如，申请号为201510221704.6的中国专利公开了一种基于生物学规则的飞虫群模拟方法，但其同样存在将昆虫视为刚体进行飞行模拟的问题；类似的方法也得到了其他学者的扩展，在这些方法中翅膀被视为不可形变的刚体，所以不能产生真实感翅膀运动。同时，现有技术中并没有考虑飞行速度、空间位置、所受的外力、环境等因素对非刚体鳞翅目昆虫模型飞行姿态的细微影响，导致真实感不足，仿生效果差。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种鳞翅目昆虫模型仿真和控制方法、系统及可读存储介质；用于解决现有技术中，将鳞翅目昆虫视为刚体，对其仿真不精准；以及在考虑空气动力、涡旋力和鳞翅目昆虫独特的飞行轨迹的情况下，对非刚体虚拟鳞翅目昆虫模型进行飞行控制的问题。为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供了以下技术方案：一种鳞翅目昆虫模型的仿真和控制方法，包括：步骤1：基于昆虫身体的详细尺寸，采用三维mesh和层次化骨骼建立虚拟鳞翅目昆虫模型；所述模型包括n个翅膀和重力信息；并基于鳞翅目昆虫的飞行状态特性设置多个飞行控制角θ*，所述多个飞行控制角θ*包括：前翼和后翼拍打角θγ、前翼旋转角θζ、俯仰角θβ、前翼扫角θΨ和腹部旋转角θφ；所述重力信息包括虚拟鳞翅目昆虫模型的质量、重力和虚拟鳞翅目昆虫模型的重心坐标。步骤2：采用准稳态空气动力学理论，求解所述虚拟鳞翅目昆虫模型第j个翅膀每一个三维mesh的三角面片上空气动力Fi，j，并将所述第j个翅膀上每一个三维mesh的三角面片上的空气动力Fi，j进行叠加，得到第j个翅膀上的空气动力Fj；依次求解所述虚拟鳞翅目昆虫模型的n个翅膀上的空气动力，求和得到所述虚拟鳞翅目昆虫模型的空气动力总和，以及在旋度噪声场上叠加Perlin噪声得到涡旋力Fvor。步骤3：根据所述空气动力总和、所述涡旋力Fvor和所述重力得到虚拟鳞翅目昆虫模型的局部加速度aloc；通过飞行路径规划，获取若干吸引点；通过最近吸引点、鳞翅目昆虫模型的重心坐标和鳞翅目昆虫模型的质量计算得到虚拟鳞翅目昆虫模型的偏好加速度apre；并通过所述局部加速度aloc和所述偏好加速度apre得出鳞翅目昆虫的速度ut。步骤4：依据所述鳞翅目昆虫的速度ut得出虚拟鳞翅目昆虫模型各飞行控制角θ*对应的振幅和虚拟鳞翅目昆虫模型各飞行控制角θ*对应的频率f*(ut)；根据鳞翅目昆虫的速度ut、振幅和频率f*(ut)求得鳞翅目昆虫模型的飞行控制角θ*；以对所述虚拟鳞翅目昆虫模型进行飞行控制。其中，所述最近吸引点为距离当前虚拟鳞翅目昆虫模型位置最近的吸引点，所述n可以为4；所述飞行状态特性为:翅膀为平整的平面，翅膀扇动时，腹部上下翘动；飞行时，腹部翘动上下方向与翅膀上下扇动方向相反；飞行时头部上下抖动。所述飞行控制角θ*的计算公式为：其中符号“*”为上标，用于表示不同的飞行控制角，当*为β时表示前述俯仰角θβ，为γ时表示前翼和后翼拍打角θγ，为ζ时表示前翼旋转角θζ，为Ψ时表示前翼扫角θΨ，为φ时表示腹部旋转角θφ。其中，所述振幅的计算公式为：其中，表示计算飞行控制角𝜃∗所使用到的幅度域宽，|umax|是蝴蝶的最大飞行速度；其中，所述频率f*(ut)的计算公式为：其中，R*f是计算飞行控制角θ*所使用到的频率域宽。进一步的是，层次化骨骼可以基于线性混合蒙皮模型建立，并可以与所述三维mesh绑定，用于驱动三维mesh运动。通过将骨骼与三维mesh绑定，并用骨骼驱动三维mesh运动可以使鳞翅目昆虫模型的姿态更加的精细化，成功的建立了一种非刚体的鳞翅目模型，使鳞翅目昆虫模型的姿态、行为更加的真实、仿生感更强。并通过飞行控制角θ*使鳞翅目昆虫模型展现出不同的精细姿态。通过准稳态空气动力学理论，并将空气动力分散到每一个三维mesh的三角面片上，使虚拟鳞翅目昆虫模型更加的真实，精细化的呈现了鳞翅目昆虫在飞行过程中三维mesh的细微运动；同时量化了空气动力、涡旋力和鳞翅目昆虫的飞行路径对非刚体虚拟鳞翅目昆虫模型飞行的影响，并实现了对其自动控制。进一步的是，所述俯仰角θβ用于表征鳞翅目昆虫的胸部沿身体纵轴上下翘动的幅度；所述前翼和后翼拍打角θγ用于表征鳞翅目昆虫翅膀前后翼的拍打幅度；所述前翼旋转角θζ用于表征鳞翅目昆虫前翼绕其前翼轴线的旋转角度；所述前翼扫角θΨ用于表征鳞翅目昆虫前翼扫动的幅度；所述腹部旋转角θφ用于表征鳞翅目昆虫腹部沿身体纵轴上下翘动的幅度。进一步的是，在所述步骤2中第j个翅膀上第i个三角面片上空气动力Fi，j通过如下方式计算：其中，j=1、2...n；ρ是空气密度，是第𝑖个三角面片的面积，𝑉是翅膀表面的空气速度；分别为升力系数和阻力系数；系数由翅膀的迎角α所决定，迎角α计算为：；Vn和Vt分别为相对空气速度在翅膀表面法向量和切向量的分量，切向量指从翅根指向翅尖的单位方向向量；所述涡旋力Fvor表示为：其中，是鳞翅目昆虫模型的重心坐标，，和作为三个取值不同的Perlin噪声种子；为噪声场网格的密度系数，为噪声幅度系数，符号“▽x”为旋度运算符号，通过旋度运算构建一个旋度场；gainx、gainy、gainz分别为噪声场网格密度系数gain在x、y、z三个方向上的取值。进一步的是，在所述步骤3中，所述偏好加速度apre表示为：其中为坡度函数,为：其中，是最近的吸引点，是鳞翅目昆虫模型的重心坐标，m是鳞翅目昆虫模型的总质量，L是鳞翅目昆虫模型有效视域中的最大感知深度,为坡度函数，用于平滑的降低鳞翅目模型飞行末段的速度；𝑡时刻时的速度ut的计算公式为：<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种鳞翅目昆虫模型的仿真和控制方法，其特征在于，所述方法包括：/n步骤1：采用三维mesh和层次化骨骼建立虚拟鳞翅目昆虫模型；所述模型包括n个翅膀和重力信息；并基于鳞翅目昆虫的飞行状态特性设置多个飞行控制角

【技术特征摘要】
1.一种鳞翅目昆虫模型的仿真和控制方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1：采用三维mesh和层次化骨骼建立虚拟鳞翅目昆虫模型；所述模型包括n个翅膀和重力信息；并基于鳞翅目昆虫的飞行状态特性设置多个飞行控制角θ*，所述多个飞行控制角θ*包括：前翼和后翼拍打角θγ、前翼旋转角θζ、俯仰角θβ、前翼扫角θΨ和腹部旋转角θφ；所述重力信息包括虚拟鳞翅目昆虫模型的质量、重力和虚拟鳞翅目昆虫模型的重心坐标；
步骤2：求解所述虚拟鳞翅目昆虫模型第j个翅膀的三维mesh的三角面片上的空气动力Fi，j，并将所述第j个翅膀的三维mesh的三角面片上的空气动力Fi，j进行叠加，得到第j个翅膀上的空气动力Fj；依次求解所述虚拟鳞翅目昆虫模型的n个翅膀上的空气动力，并得到所述虚拟鳞翅目昆虫模型的空气动力总和，以及在旋度噪声场上叠加Perlin噪声得到涡旋力Fvor；
步骤3：根据所述空气动力总和、所述涡旋力Fvor和所述重力得到虚拟鳞翅目昆虫模型的局部加速度aloc；通过飞行路径规划，获取若干吸引点；通过最近吸引点、鳞翅目昆虫模型的重心坐标和鳞翅目昆虫模型的质量计算得到虚拟鳞翅目昆虫模型的偏好加速度apre；并通过所述局部加速度aloc和所述偏好加速度apre得出鳞翅目昆虫的速度ut；
步骤4：依据所述鳞翅目昆虫的速度ut得出虚拟鳞翅目昆虫模型各飞行控制角θ*对应的振幅和虚拟鳞翅目昆虫模型各飞行控制角θ*对应的频率f*(ut)；根据鳞翅目昆虫的速度ut、振幅和频率f*(ut)求得鳞翅目昆虫模型的飞行控制角θ*；以对所述虚拟鳞翅目昆虫模型进行飞行控制。


2.如权利要求1所述的一种鳞翅目昆虫模型的仿真和控制方法，其特征在于，
所述飞行控制角θ*的计算公式为：



其中，所述振幅的计算公式为：



其中，表示计算飞行控制角𝜃∗所使用到的幅度域宽，|umax|是蝴蝶的最大飞行速度；
其中，所述频率f*(ut)的计算公式为：



其中，R*f是计算飞行控制角θ*所使用到的频率域宽；
其中符号*为上标，当*为β时表示俯仰角θβ、为γ时表示前翼和后翼拍打角θγ，为ζ时表示前翼旋转角θζ，为Ψ时表示前翼扫角θΨ，为φ时表示腹部旋转角θφ。


3.如权利要求1所述的一种鳞翅目昆虫模型的仿真和控制方法，其特征在于，在所述步骤1中，所述层次化骨骼基于线性混合蒙皮模型建立，并与所述三维mesh绑定，用于驱动三维mesh运动。


4.如权利要求1所述的一种鳞翅目昆虫模型的仿真和控制方法，其特征在于，所述俯仰角θβ用于表征鳞翅目昆虫的胸部沿身体纵轴上下翘动的幅度；所述前翼和后翼拍打角θγ用于表征鳞翅目昆虫翅膀前后翼的拍打幅度；所述前翼旋转角θζ用于表征鳞翅目昆虫前翼绕其前翼轴线的旋转角度；所述前翼扫角θΨ用于表征鳞翅目昆虫前翼扫动的幅度；所述腹部旋转角θφ用于表征鳞翅目昆虫腹部沿身体纵轴上下翘动的幅度。


5.如权利要求1所述的一种鳞翅目昆虫模型的仿真和控制方法，其特征在于，在所述步骤2中第j个翅膀上第i个三角面片上的空气动力Fi，j通过如下方式计算：



其中，j=1、2...n；ρ是空气密度，是第𝑖个三角面片的面积，𝑉是翅膀表面的空气速度；分别为升力系数和阻力系数；系数由翅膀的迎角α所决定，...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈强，鲁挺松，罗国亮，刘菘，金小刚，肖美华，
申请(专利权)人：华东交通大学，
类型：发明
国别省市：江西;36