<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD JATS (Z39.96) Journal Publishing DTD v1.3 20210610//EN" "JATS-journalpublishing1-3.dtd">
<article article-type="research-article" dtd-version="1.3" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance" xml:lang="ru"><front><journal-meta><journal-id journal-id-type="publisher-id">procyber</journal-id><journal-title-group><journal-title xml:lang="ru">Вестник кибернетики</journal-title><trans-title-group xml:lang="en"><trans-title>Proceedings in Cybernetics</trans-title></trans-title-group></journal-title-group><issn pub-type="epub">1999-7604</issn><publisher><publisher-name>Бюджетное учреждение высшего образования Ханты-Мансийского автономного округа – Югры «Сургутский государственный университет»</publisher-name></publisher></journal-meta><article-meta><article-id custom-type="elpub" pub-id-type="custom">procyber-76</article-id><article-categories><subj-group subj-group-type="heading"><subject>Research Article</subject></subj-group><subj-group subj-group-type="section-heading" xml:lang="ru"><subject>ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ</subject></subj-group><subj-group subj-group-type="section-heading" xml:lang="en"><subject>Physics and Mathematics</subject></subj-group></article-categories><title-group><article-title>Моделирование динамики одномерных упругих объектов в системах виртуального окружения</article-title><trans-title-group xml:lang="en"><trans-title>Dynamic Simulation of One-Dimensional Elastic Objects in Virtual Environment Systems</trans-title></trans-title-group></title-group><contrib-group><contrib contrib-type="author" corresp="yes"><name-alternatives><name name-style="eastern" xml:lang="ru"><surname>Страшнов</surname><given-names>Е. В.</given-names></name><name name-style="western" xml:lang="en"><surname>Strashnov</surname><given-names>E. V.</given-names></name></name-alternatives><email xlink:type="simple">strashnov_evg@mail.ru</email><xref ref-type="aff" rid="aff-1"/></contrib><contrib contrib-type="author" corresp="yes"><name-alternatives><name name-style="eastern" xml:lang="ru"><surname>Торгашев</surname><given-names>М. А.</given-names></name><name name-style="western" xml:lang="en"><surname>Torgashev</surname><given-names>M. A.</given-names></name></name-alternatives><email xlink:type="simple">mtorg@mail.ru</email><xref ref-type="aff" rid="aff-1"/></contrib></contrib-group><aff-alternatives id="aff-1"><aff xml:lang="ru"><institution>Федеральный научный центр Научно-исследовательский институт системных исследований Российской академии наук</institution><country>Россия</country></aff><aff xml:lang="en"><institution>System Research Institute, Russian Academy of Sciences</institution><country>Russian Federation</country></aff></aff-alternatives><pub-date pub-type="collection"><year>2018</year></pub-date><pub-date pub-type="epub"><day>25</day><month>03</month><year>2020</year></pub-date><volume>0</volume><issue>3 (31)</issue><fpage>41</fpage><lpage>50</lpage><permissions><copyright-statement>Copyright &amp;#x00A9; Страшнов Е.В., Торгашев М.А., 2020</copyright-statement><copyright-year>2020</copyright-year><copyright-holder xml:lang="ru">Страшнов Е.В., Торгашев М.А.</copyright-holder><copyright-holder xml:lang="en">Strashnov E.V., Torgashev M.A.</copyright-holder><license xml:lang="ru" license-type="creative-commons-attribution" xlink:href="https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/" xlink:type="simple"><license-p>Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.</license-p></license><license xml:lang="en" license-type="creative-commons-attribution" xlink:href="https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/" xlink:type="simple"><license-p>This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.</license-p></license></permissions><self-uri xlink:href="https://www.vestcyber.ru/jour/article/view/76">https://www.vestcyber.ru/jour/article/view/76</self-uri><abstract><p>В работе рассмотрена задача моделирования в масштабе реального времени динамики одномерных нерастяжимых упругих объектов (тросов, канатов и т. д.) в системах виртуального окружения. Для решения этой задачи были задействованы основные положения теории упругости Коссера, описывающей деформацию изгиба и кручения троса. Предложен подход, в котором осуществляется дискретизация троса набором точек, определяющих его положение, и набором элементов между точками, определяющих его ориентацию. Для задания ориентации элементов троса выбраны кватернионы. При таком подходе нерастяжимость троса реализуется с применением метода множителей Лагранжа, что приводит к системе линейных уравнений с матрицей трехдиагонального вида, решаемой с помощью метода прогонки. В свою очередь, изгиб и кручение троса моделируются на основе метода конечных элементов, применяемого для интегрирования потенциальной энергии деформации троса. Кроме того, реализация ограничений, связывающих координаты положения и ориентации троса, осуществляется с помощью метода последовательных импульсов. Апробация предложенных в работе методов была проведена в имитационно-тренажном комплексе, разработанном в Федеральном научном центре Научно-исследовательский институт системных исследований Российской академии наук, и показала их применимость в системах виртуального окружения.</p></abstract><trans-abstract xml:lang="en"><p>The article considers the problem of real time dynamic simulation of one-dimensional inextensible elastic objects (ropes, cables, etc.) in virtual environment systems. To solve this problem, the fundamentals of the Cosserat theory of elasticity for bending and twisting of the rope are used. An approach in which the rope is discretized by a set of points to define its position and a set of elements between points that determine its orientation is proposed. To specify the orientation of the rope elements, quaternions are involved. With this approach, the inextensibility of the rope is realized using the method of Lagrange multipliers, which leads to a system of linear equations with a tridiagonal matrix solved by the tridiagonal matrix algorithm. In turn, the bending and twisting of the rope are based on the finite element method, which is used to integrate the potential energy of rope deformation. In addition, the implementation of constraints respect to coordinates of the rope position and orientation is performed by the sequential impulses method. Approbation of proposed methods was carried out in a training complex, developed in the System Research Institute, Russian Academy of Sciences, and showed their applicability in virtual environment systems.</p></trans-abstract><kwd-group xml:lang="ru"><kwd>трос</kwd><kwd>теория упругости Коссера</kwd><kwd>кватернионы</kwd><kwd>метод прогонки</kwd><kwd>вектор Дарбу</kwd><kwd>метод последовательных импульсов</kwd><kwd>реальное время</kwd><kwd>имитационно-тренажерный комплекс</kwd></kwd-group><kwd-group xml:lang="en"><kwd>rope</kwd><kwd>the Cosserat theory of elasticity</kwd><kwd>quaternions</kwd><kwd>tridiagonal matrix algorithm</kwd><kwd>Darboux vector</kwd><kwd>sequential impulses method</kwd><kwd>real time</kwd><kwd>training complex</kwd></kwd-group><funding-group><funding-statement xml:lang="ru">Данное исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 16-07-01104.</funding-statement></funding-group></article-meta></front><back><ref-list><title>References</title><ref id="cit1"><label>1</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Pai D. Strands: Interactive simulation of thin solids using cosserat models // Eurographics. 2002. V. 21. № 3. Р. 347–352.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Pai D. Strands: Interactive simulation of thin solids using cosserat models // Eurographics. 2002. V. 21. № 3. Р. 347–352.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit2"><label>2</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Chentanez N., Alterovitz R., Ritchie D., Cho L., Hauser K. K., Goldberg K., Shewchuk J. R. and O’Brien J. F. Interactive simulation of surgical needle insertion and steering // ACM Transactions on Graphics. 2009. V. 28. № 3. Р. 88:1–88:10.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Chentanez N., Alterovitz R., Ritchie D., Cho L., Hauser K. K., Goldberg K., Shewchuk J. R. and O’Brien J. F. Interactive simulation of surgical needle insertion and steering // ACM Transactions on Graphics. 2009. V. 28. № 3. Р. 88:1–88:10.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit3"><label>3</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Lenoir J., Cotin S., Duriez C. and Neumann P. Interactive physically-based simulation of catheter and guidewire // Computer &amp; Graphics. V. 30. № 3. P. 417–423.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Lenoir J., Cotin S., Duriez C. and Neumann P. Interactive physically-based simulation of catheter and guidewire // Computer &amp; Graphics. V. 30. № 3. P. 417–423.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit4"><label>4</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Muller M., Chentanez N., Kim T.-Y. Fast simulation of inextensible hair and fur. In Proceedings of Virtual Reality Interactions and Physical Simulations (VRIPhys) // Eurographics Association 3, 2012.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Muller M., Chentanez N., Kim T.-Y. Fast simulation of inextensible hair and fur. In Proceedings of Virtual Reality Interactions and Physical Simulations (VRIPhys) // Eurographics Association 3, 2012.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit5"><label>5</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Kugelstadt T., Schomer E. Position and orientation based Cosserat rods // ACM SIG-GRAPH/Eurographics symposium on computer animation. Zurich : Eurographics Association, 2016. P. 169–178.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Kugelstadt T., Schomer E. Position and orientation based Cosserat rods // ACM SIG-GRAPH/Eurographics symposium on computer animation. Zurich : Eurographics Association, 2016. P. 169–178.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit6"><label>6</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Kubiak B., Pietroni N., Ganovelli F., and Fratarcangeli M. A robust method for real-time thread simulation // Proc. ACM Symp. Virtual Reality Software and Technology (VRST ‘07). 2007. P. 85–88.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Kubiak B., Pietroni N., Ganovelli F., and Fratarcangeli M. A robust method for real-time thread simulation // Proc. ACM Symp. Virtual Reality Software and Technology (VRST ‘07). 2007. P. 85–88.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit7"><label>7</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Selle A., Lentine M. G., Fedkiw R. A mass spring model for hair simulation // ACM Trans. Graphics (Proc. ACM SIGGRAPH), 2008.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Selle A., Lentine M. G., Fedkiw R. A mass spring model for hair simulation // ACM Trans. Graphics (Proc. ACM SIGGRAPH), 2008.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit8"><label>8</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Martin S., Kaufmann P., Botsch M., Grinspun E. and Gross M. Unified simulation of elastic rods, shells, and solids // ACM Trans Graph. 2010. V. 28. № 3 (Jul). P. 39:1–39:10.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Martin S., Kaufmann P., Botsch M., Grinspun E. and Gross M. Unified simulation of elastic rods, shells, and solids // ACM Trans Graph. 2010. V. 28. № 3 (Jul). P. 39:1–39:10.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit9"><label>9</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Antman S. S. Nonlinear problems of elasticity. Springer, 2005.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Antman S. S. Nonlinear problems of elasticity. Springer, 2005.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit10"><label>10</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Жилин П. А. Прикладная механика. Теория тонких упругих стержней : учеб. пособие. СПб. : Изд-во Политех. ун-та, 2007. 101 с.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Жилин П. А. Прикладная механика. Теория тонких упругих стержней : учеб. пособие. СПб. : Изд-во Политех. ун-та, 2007. 101 с.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit11"><label>11</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Spillmann J., Teschner M. CoRdE. Cosserat rod elements for the dynamic simulation of one-dimensional elastic objects // Eurographics. ACM SIGGRAPH, 2007. P. 1–10.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Spillmann J., Teschner M. CoRdE. Cosserat rod elements for the dynamic simulation of one-dimensional elastic objects // Eurographics. ACM SIGGRAPH, 2007. P. 1–10.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit12"><label>12</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Михайлюк М. В., Страшнов Е. В. Моделирование системы связанных тел методом последовательных импульсов // Тр. НИИСИ РАН. 2014. Т. 4. № 2. С. 52–60.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Михайлюк М. В., Страшнов Е. В. Моделирование системы связанных тел методом последовательных импульсов // Тр. НИИСИ РАН. 2014. Т. 4. № 2. С. 52–60.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit13"><label>13</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Schwab A. L., Meijaard J. P. How to draw Euler angles and utilize Euler parameters // Proc. IDEETC/CIE 2006, ASME 2006 : International Design Engineering Technical Conferences &amp; Computers and Information in Engineering Conference, 2006.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Schwab A. L., Meijaard J. P. How to draw Euler angles and utilize Euler parameters // Proc. IDEETC/CIE 2006, ASME 2006 : International Design Engineering Technical Conferences &amp; Computers and Information in Engineering Conference, 2006.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit14"><label>14</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Garstenauer H. A Unified Framework for Rigid Body Dynamics. Master’s thesis. Linz : Johannes Kepler Universitat, 2006. 139 p.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Garstenauer H. A Unified Framework for Rigid Body Dynamics. Master’s thesis. Linz : Johannes Kepler Universitat, 2006. 139 p.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit15"><label>15</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Shabana A. A. Computational Dynamics, Third edition. John Wiley &amp; Sons Inc., 2010. 528 p.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Shabana A. A. Computational Dynamics, Third edition. John Wiley &amp; Sons Inc., 2010. 528 p.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit16"><label>16</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Самарский А. А., Гулин А. В. Численные методы : учеб. пособие для вузов. М. : Наука, 1989, 432 с.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Самарский А. А., Гулин А. В. Численные методы : учеб. пособие для вузов. М. : Наука, 1989, 432 с.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit17"><label>17</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Позняк Э. Г., Шикин Е. В. Дифференциальная геометрия: первое знакомство. 2-е изд., испр. и доп. М. : Едиториал УРСС, 2003. 408 с.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Позняк Э. Г., Шикин Е. В. Дифференциальная геометрия: первое знакомство. 2-е изд., испр. и доп. М. : Едиториал УРСС, 2003. 408 с.</mixed-citation></citation-alternatives></ref></ref-list><fn-group><fn fn-type="conflict"><p>The authors declare that there are no conflicts of interest present.</p></fn></fn-group></back></article>
