Построения гироскопа Фуко средствами OpenGL

Общие понятия о гироскопах, их классификация и применение. Механические гироскопы, свойства трехстепенного роторного гироскопа. Создание проекта "Гироскоп Фуко" средствами OpenGL и начальная настройка среды разработки. Инициализация объекта вывода и Glut.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Размещено на

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Московский государственный текстильный университет

имени А.Н. Косыгина»

Кафедра информационных технологий и систем автоматизированного проектирования

Отчет

по курсовой работе

по дисциплине «Геометрическое моделирование САПР»

Выполнил: Ворожбитов А.П. гр. 45т-10

Принял: Беспалов М.Е.

Москва 2012

Содержание

1. Описание предметной области

1.1 Общие понятия о гироскопах

1.2 Классификация гироскопов

1.3 Механические гироскопы

1.4 Свойства трехстепенного роторного гироскопа

1.5 Применение

2. Описание средств разработки

2.1 Общие сведения

2.2 Набор библиотек TaoFramework

2.3 Среда разработки SharpDevelop

3. Описание программного проекта

4. Разработка программного проекта

4.1 Создание проекта и начальная настройка среды разработки

4.2 Начальная настройка формы проекта

4.3 Инициализация объекта вывода и Glut

4.4 Общие составляющие функции визуализации

4.5 Описание геометрической модели

4.6 Описание модели средствами OpenGL

4.7 Реализация управления моделью

Выводы

Список использованных источников

Приложение

1. Описание предметной области

1.1 Общие понятия о гироскопах

Гироскоп -- устройство, способное реагировать на изменение углов ориентации тела, на котором оно установлено, относительно инерциального пространства. Простейший пример гироскопа -- юла (волчок).

Термин впервые введен Жаном (Бернаром Леоном) Фуко в его докладе в 1852 году Французской Академии Наук. Доклад был посвящён способам экспериментального обнаружения вращения Земли в инерциальном пространстве. Этим и обусловлено название «гироскоп» (от др.-греч. г?спт «круг» и укпрЭщ «смотрю»).

До изобретения гироскопа человечество использовало различные методы определения направления в пространстве. Издревле люди ориентировались визуально по удалённым предметам, в частности, по Солнцу. Уже в древности появились первые приборы: отвес и уровень, основанные на гравитации. В средние века в Китае был изобретён компас, использующий магнетизм Земли. В Европе были созданы астролябия и другие приборы, основанные на положении звёзд.

Гироскоп изобрёл Иоганн Боненбергер и опубликовал описание своего изобретения в 1817 году. Однако французский математик Пуассон ещё в 1813 году упоминает Боненбергера как изобретателя этого устройства. Главной частью гироскопа Боненбергера был вращающийся массивный шар в кардановом подвесе. В 1832 году американец Уолтер Р. Джонсон придумал гироскоп с вращающимся диском. Французский учёный Лаплас рекомендовал это устройство в учебных целях. В 1852 году французский учёный Фуко усовершенствовал гироскоп и впервые использовал его как прибор, показывающий изменение направления (в данном случае -- Земли), через год после изобретения маятника Фуко, тоже основанного на сохранении вращательного момента. Именно Фуко придумал название «гироскоп». Фуко, как и Боненбергер, использовал карданов подвес. Не позже 1853 года Фессель изобрёл другой вариант подвески гироскопа.

Преимуществом гироскопа перед более древними приборами являлось то, что он правильно работал в сложных условиях (плохая видимость, тряска, электромагнитные помехи). Однако вращение гироскопа быстро замедлялось из-за трения.

Во второй половине XIX века было предложено использовать электродвигатель для разгона и поддержания вращения гироскопа. Впервые на практике гироскоп был применён в 1880-х годах инженером Обри для стабилизации курса торпеды. В XX веке гироскопы стали использоваться в самолётах, ракетах и подводных лодках вместо компаса или совместно с ним.

1.2 Классификация гироскопов

Основные типы гироскопов по количеству степеней свободы:

· двухстепенные

· трехстепенные.

Основные два типа гироскопов по принципу действия:

· механические гироскопы,

· оптические гироскопы.

1.3 Механические гироскопы

Среди механических гироскопов выделяется роторный гироскоп -- быстро вращающееся твёрдое тело (ротор), ось вращения которого может свободно изменять ориентацию в пространстве. При этом скорость вращения гироскопа значительно превышает скорость поворота оси его вращения. Основное свойство такого гироскопа -- способность сохранять в пространстве неизменное направление оси вращения при отсутствии воздействия на него моментов внешних сил и эффективно сопротивляться действию внешних моментов сил. Это свойство в значительной степени определяется величиной угловой скорости собственного вращения гироскопа.

Впервые это свойство использовал Фуко в 1852 г. для экспериментальной демонстрации вращения Земли. Именно благодаря этой демонстрации гироскоп и получил своё название от греческих слов «вращение», «наблюдаю».

1.4 Свойства трехстепенного роторного гироскопа

При воздействии момента внешней силы вокруг оси, перпендикулярной оси вращения ротора, гироскоп начинает поворачиваться вокруг оси прецессии, которая перпендикулярна моменту внешних сил.

Это свойство обусловлено возникновением так называемой кориолисовой силы. Так, при воздействии момента внешней силы гироскоп поначалу будет вращаться именно в направлении действия внешнего момента (нутационный бросок). Каждая частица гироскопа будет таким образом двигаться с переносной угловой скоростью вращения вследствие действия этого момента. Но ротор гироскопа, помимо этого, и сам вращается, поэтому каждая частица будет иметь относительную скорость. В результате возникает кориолисова сила, которая заставляет гироскоп двигаться в перпендикулярном приложенному моменту направлении, то есть прецессировать. Прецессия вызовет кориолисову силу, момент которой скомпенсирует момент внешней силы (гироскопический момент).

Гироскопический эффект вращающихся тел есть проявление коренного свойства материи -- её инерционности.

1.5 Применение

Свойства гироскопа используются в приборах -- гироскопах, основной частью которых является быстро вращающийся ротор, который имеет несколько степеней свободы (осей возможного вращения).

Чаще всего используются гироскопы, помещённые в карданов подвес. Такие гироскопы имеют 3 степени свободы, то есть он может совершать 3 независимых поворота вокруг осей АА', BB' и CC', пересекающихся в центре подвеса О, который остаётся по отношению к основанию A неподвижным.

Гироскопы, у которых центр масс совпадает с центром подвеса O, называются астатическими, в противном случае -- статическими гироскопами.

Для обеспечения вращения ротора гироскопа с высокой скоростью применяются специальные гиромоторы.

Для управления гироскопом и снятия с него информации используются датчики угла и датчики момента.

Гироскопы используются в виде компонентов как в системах навигации (авиагоризонт, гирокомпас, ИНС и т. п.), так и в системах ориентации и стабилизации космических аппаратов.

При использовании в гировертикали показания гироскопа должны корректироваться акселерометром (маятником), так как из за суточного вращения земли и ухода гироскопа, происходит отклонение от истиной вертикали. Кроме того, в механических гироскопах может использоваться смещение его центра масс, которое эквивалентно непосредственному воздействию маятника на гироскоп.

Задачей данной курсовой работы стоит разработка интерактивной геометрической модели трехстепенного механического роторного гироскопа Фуко, функционирующего идеализированно.

2. Описание средств разработки

2.1 Общие сведения

Для выполнения поставленной задачи в качестве средств разработки были выбраны SharpDevelop 3.0 и TaoFramework 2.1.0.

Данный выбор обусловлен тем, что эти продукты бесплатны, находятся в свободном доступе, достаточно популярны и для своего применения не требуют больших ресурсов ЭВМ.

2.2 Набор библиотек TaoFramework

Tao Framework -- это библиотека, предоставляющая разработчикам.NET и Mono доступ к возможностям популярных библиотек вроде OpenGL и SDL. В ее состав входят:

· OpenGL 2.1.0.12

· Lua 5.1.3.0

· OpenAL 1.1.0.1

· PhysFS 1.0.1.2

· FreeGLUT 2.4.0.2

· SDL 1.2.13.0

· GLFW 2.6.0.0

· ODE 0.9.0.0

· Cg 2.0.0.0

· DevIL 1.6.8.3

· FreeType 2.3.5.0

· FFmpeg 0.4.9.0

На данный момент в Windows существует два стандарта для работы с трёхмерной графикой: OpenGL, являющийся стандартом де-факто для всех графических рабо...