Thạc Sĩ Nghiên cứu một số vấn đề về động lượng học chất rắn trong xử lý va chạm

PHẦN MỞ ĐẦU


Công nghệ thông tin đã, đang và sẽ tiếp tục trên đà phát triển mạnh mẽ của mình, sự phát triển nhanh chóng ấy đã đem lại những thành tựu đáng kể cho nhiều lĩnh vực như y tế (với các phần mềm quản lý bệnh viện, mô phỏng tim người, cơ thể người, các mô cơ ), giao thông (các phần mềm trắc nghiệm thi lý thuyết lái xe, phần mềm mô phỏng lái xe ảo, ), giáo dục (hệ thống các phần mềm quản lý, giáo án, giáo trình điện tử, website đào tạo trực tuyến, .), quốc phòng

Đến nhứng năm gần đây, cũng trên đà phát triển ấy đã xuất hiện một mô hình phát triển mới, mà phạm vi ứng dụng của nó còn rộng lớn hơn rất nhiều so với trước. Nó dự báo một tương lai có nhiều tiềm năng, một cánh cửa rộng mở, đó chính là công nghệ mô phỏng. Các vấn đề trước đây vốn rất khó có thể được trình bày, được nói, hay diễn tả thì giờ đây nó đã trở nên dễ dàng hơn khi vấn đề đó được diễn tả dưới dạng hình ảnh, trực quan, sinh động, chi tiết, dễ hiểu, dễ nắm bắt và gần gũi, thân thiện với con người hơn, có tính thẩm mỹ cao.

Hãy tưởng tưởng một ai đó đang cố gắng dùng hết khả năng và kiến thức của mình để diễn tả cho bạn về hình dạng, cấu tạo và hoạt động của quả tim. Cho dù anh ta có hết sức cố gắng thì tin chắc rằng bạn cũng không thể nào mà hiểu tường tận về vấn đề đó được. Nhưng chắc chắn với kỹ thuật mô phỏng một quả tim sẽ được tạo ra, hiện ngay trước mắt bạn, bạn nhìn thấy nó, với những đặc điểm màu sắc đăc trưng, các vòng cơ và từng nhịp đập theo đúng chu kỳ. Lúc này chắc chắn bạn sẽ hiểu ngay bản chất của quả tim là như thế nào.

Quá trình “tái tạo” các hiện tượng, sự vật trong thế giới thực trên máy tính có rất nhiều tác dụng. Trong giải trí, nó sẽ giúp chúng ta xây dựng được những trò chơi sống động, gần gũi với con người tạo ra sức lôi cuốn mạnh mẽ . Trong xây dựng, việc dựng được các mô hình thực tại ảo cho phép chúng ta có cái nhìn trực quan, chính xác để có thể đưa ra những quyết định, những sáng kiến thiết kế về các

công trình xây dựng đúng đắn. Trong giáo dục, những thí nghiệm, những ví dụ được mô tả sát thực bằng máy tính giúp cho người học hứng thú hơn, kiến thức được thể hiện rõ hơn, trực quan hơn, đầy đủ hơn.

Trên thế giới việc ứng dụng công nghệ mô phỏng (thực chất là công nghệ thực tại ảo) vào các lĩnh vực đã được triển khai rộng rãi và cũng đã đạt được nhiều thành quả. ở nước ta lĩnh vực này còn rất mới mẻ, nên những ứng dụng của nó còn hạn chế, không đáng kể, nó mới được một số đơn vị đầu ngành quan tâm, tìm hiểu và phát triển trong những năm gần đây và cũng đã đạt được những thành công nhất định.

“Thực tại ảo” thực chất là mô phỏng thế giới thực của con người vào máy tính, mà trong đó con người có thể tương tác và cảm nhận như trong thế giới thực. Một trong những vấn đề tương đối phức tạp của việc mô phỏng đó là mô phỏng vật rắn, trạng thái của chúng sau khi chịu sự tác động của ngoại lực, chúng sẽ biến đổi như thế nào, ra làm sao, đó chính là va chạm:

Va chạm là một vấn đề khó và phức tạp để nghiên cứu, trên thực tế có rất nhiều những vụ va chạm có thể do cố ý (như những vụ thử xe, kiểm tra mức độ an toàn của các thiết bị ) hoặc không cố ý (như những vụ tai nan giao thông), nhưng tất cả đều tạo ra những biến dạng, méo mó không mong muốn và nhìn chung chúng đều gây thiệt hại của cải vật chất hay để lại những hậu quả nghiêm trọng.

Giả sử một vụ tai nạn giao thông xảy ra và công an cần dựng lai vụ tai nạn đó, như vậy họ cần phải có đầu vào là các phương tiện có tham gia trong vụ tai nạn, tiếp theo họ phải tiến hành thử bằng cách cho các phương tiện đó va chạm với nhau ở những cự ly, tốc độ, hướng, . khác nhau và quá trình ấy có thể sẽ phải diễn ra nhiều lần. Như vậy sẽ rất mất thời gian và tốn kém. Chi bằng nên giải quyết vấn đề theo hướng khác, tức là thay thế các vụ thử thực tế đó bằng các phép thử trên phần mềm máy tính với dữ liệu đầu vào lấy từ hiện trường và dữ liệu đầu vào có thể thay đổi được (tương đương với dữ liệu cho các phép thử), ứng với những thay đổi của

dữ liệu đầu vào sẽ cho những kết quả mô phỏng khác nhau. Nếu là như vậy mọi chuyện sẽ trở nên đơn giản, tiện lợi, hiệu quả và mức độ tốn kém thì bằng min .

Cũng xuất phát từ những nhu cầu của thực tế như vậy và từ những thành quả đầy hứa hẹn do thực tại ảo mang lại nên tôi đã quyết định lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu một số vấn đề về động lượng học chất rắn trong xử lý va chạm” để làm luận văn tốt nghiệp.

Luận văn Phần mở đầu, Phần kết luận và 3 chương nội dung, cụ thể: Chương 1: Khái quát về thực tại ảo và động lượng học chất rắn Chương 2: Một số vấn đề về động lượng học chất rắn
Chương 3: Ứng dụng và thử nghiệm


MỤC LỤC




Trang

PHẦN MỞ ĐẦU 1

Chương 1:
4
KHÁI QUÁT VỀ THỰC TẠI ẢO VÀ ĐỘNG LưỢNG HỌC CHẤT RẮN

1.1. Khái quát về thực tại ảo (VR - Virtual Reality) 4

1.1.1. Thế nào là thực tại ảo? 4

1.1.2. Thực tại ảo và các đặc tính 5

1.1.3. Các thành phần chính trong thực tại ảo: 6

1.1.4 Ứng dụng của thực tại ảo và công cụ phát triển: 8

1.1.5. Công cụ phát triển ứng dụng thực tại ảo: 11

1.2. Động lượng vật rắn trong thực tại ảo: 13

1.2.1. Va chạm là gì? 13

1.2.2. Động lượng là gì? 15

1.2.3. Mối liên quan giữa động lượng và va chạm 15

Chương 2: 16

MỘT SÔ VẤN ĐỀ VỀ ĐỘNG LưỢNG HỌC CHẤT RẮN

2.1. Tính toán va chạm 16
2.1.1. Kĩ thuật phát hiện va chạm dựa vào hộp bao AABB 17
2.1.1.1. Định nghĩa hộp bao AABB 17
2.1.1.2. Phát hiện va chạm giữa hai AABB 12
2.1.2. Kỹ thuật hộp bao theo hướng (Oriented Bounding Boxes) 18
2.1.2.1. Định nghĩa hộp bao theo hướng (OBB) 18
2.1.2.2. Kiểm tra nhanh va chạm giữa hai hộp bao OBBs 20
2.1.3. Tìm điểm va chạm 25
2.1.4. Phát hiện va chạm khi các đối tượng di chuyển 31
2.2. Xử lý va chạm 31
2.2.1. Động lực học vật rắn 32

2.2.1.1. Mô ment quán tính ( Moment of Inertia) 32

2.2.1.2. Mô ment quay (Torque) 33

2.2.1.3. Mối liên hệ giữa mô ment quán tính và mô men quay 34

2.2.1.4. Vectơ trạng thái của đối tượng 34

2.2.1.5 Tính toán xung và lực ảnh hưởng 36

2.2.2. Xử lý các hiệu ứng về méo mó, biến dạng sau va chạm 38

2.2.2 1. Ý tưởng thuật toán 38

2.2.2.2. Hàm Open Uniform B-Splines 39


Chương 3:


40

ỨNG DỤNG THỬ NGHIỆM


3.1. Bài toán 40

3.2 Xây dựng hệ thống mô phỏng tình huống giao thông 40

3.3. Thực nghiệm 42

KẾT LUẬN 44

TÀI LIỆU THAM KHẢO 45