劉 煒，陳 寧

(江蘇科技大學能源與動力工程學院，江蘇鎮(zhèn)江212003)

虛擬現(xiàn)實技術是一門新興技術，集傳感器技術、圖形圖像處理技術、多媒體技術、互聯(lián)網(wǎng)技術、計算機技術［1］等于一體，逐漸成為國際重要課題，在計算機相關領域中得到廣泛應用，在娛樂、教育、培訓等領域也得到廣泛應用.文獻［2］中基于I－DEAS，OpenGL，VC++，建立約束關系，開發(fā)大型機械裝置虛擬教學訓練系統(tǒng)，以動態(tài)實時展現(xiàn)復雜視景.文獻［3］中通過11個BB模塊實現(xiàn)三維實體碰撞檢測.利用虛擬現(xiàn)實技術對柴油機配氣機構進行運動學視覺仿真，一直是柴油機工作狀態(tài)模擬的難點，特別是配氣機構運動體之間運動關系的仿真.文中提出了兩種仿真方法，并對仿真結果進行了比較.

1 數(shù)學模型法

首先求解柴油機配氣機構運動的數(shù)學模型.圖1為單缸配氣機構的示意圖.圖中l(wèi)T為搖臂轉動中心到推桿上支承面中O1的距離;α為搖臂lΤ對挺柱中心線的偏轉角;l為推桿上下支承面中心間的距離;γ為推桿對挺柱中心線的偏轉角;lV為氣閥側的搖臂臂長(搖臂中心O到圓柱面中心O2的距離);β為lV臂對氣閥中心線的偏轉角;hv氣閥的升程;hT為挺柱的升程;φ為凸輪的轉角;ω為凸輪軸的轉角.挺柱的位移hT與凸輪的轉角φ相關［4］.

圖1 配氣機構示意Fig.1 Gas distribution mechanism

圖2為進氣閥位移hv與凸輪轉角φ的關系.可以通過凸輪轉角φ來確定挺柱的運動規(guī)律.由圖1可以得到下列方程:

再對時間t求導，可得到氣閥運動的關系式:

式中:hV為速度(mm/s);h¨V為加速度(mm/s2).

結合式(1，2)和(5)，可得挺柱的位移hT與凸輪的角速度ω的關系式:

對公式(5)求積分有

凸輪軸轉速ω為8.75 rad/s，故凸輪的轉速ω也為8.75 rad/s.

利用Simulink求解方程，得到配氣機構挺柱的速度、加速度曲線，將結果輸入SQLserver數(shù)據(jù)庫建立數(shù)據(jù)表.以ADO和UDP協(xié)議通信，數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)庫服務器傳輸?shù)絊imulink.數(shù)據(jù)發(fā)送流程如圖3.

通過 VS2005建立 OSG(OpenSceneGraph)仿真平臺與數(shù)據(jù)庫表的關聯(lián)，從而使OSG中各個機構在數(shù)據(jù)庫表的支持下運動(圖4).此方法在實現(xiàn)視覺仿真時結果精確，機構動作平滑，但占用系統(tǒng)資源較大，運行費時.

圖2 凸輪轉角與進氣閥位移關系Fig.2 Relationship of cam angle and suction valve displacement

圖3 數(shù)據(jù)發(fā)送流程Fig.3 Flow diagram of data send

圖4 視景生成流程Fig.4 Visual generation process

2 場景模型碰撞檢測方法

OSG場景管理軟件提供了osgUtil庫函數(shù)，該庫函數(shù)用來獲得正確的靜態(tài)物體和動態(tài)物體高度值.場景中的射線是交集測試的基礎，線段類提供了一種定義射線的方法.當交集測試被觸發(fā)時，它將檢測射線的相交情況并執(zhí)行相應的操作［6］.這里采用了一種改進的AABB碰撞檢測算法.柴油機配氣機構中凸輪的AABB樹由2×N－1個節(jié)點組成，其中包括N個葉節(jié)點和N－1個內(nèi)部節(jié)點，N是凸輪中基本圖元三角形的數(shù)目.葉節(jié)點包含一個或多個可繪制體(Drawable類)信息.在凸輪和挺柱碰撞檢測時，遇到測試兩個葉節(jié)點的情況，則先進行包圍盒之間的相交測試.如果包圍盒相交測試成立，再進行凸輪和挺柱之間基本圖元如三角形、線段的相交檢測，找到碰撞的準確位置.文中提出一種方法，據(jù)此可以跳過AABB的葉節(jié)點之間的相交測試，直接進行幾何體基本圖元間的相交測試，找出射線和三角形的交點.方法如下:

凸輪幾何體三角形的參數(shù)方程:

式中:V0，V1和V2為三角形的3個點;x，y為V1和V2的權重，1-x-y為V0的權重，并且滿足x＞=0，y＞=0，x+y＜=1.

射線的參數(shù)方程為O+Dt.式中:O為起點，D為射線的方向.

求射線與凸輪幾何體基本圖元三角形的交點，即求解方程:

將t，x，y提取出來作為未知數(shù)，得到線性方程組

根據(jù)克萊姆法則，

可知射線與凸輪幾何體基本圖元三角形的交點.

依據(jù)碰撞檢測算法，實時獲取凸輪與挺柱的動態(tài)交點，再通過交點，根據(jù)曲柄滑塊機構運動規(guī)律，求出配氣機構各部件的運動方程.碰撞檢測算法可以利用OSG自身碰撞檢測類實現(xiàn).用osgUtil::Line-SegmentIntersector定義相交矢量，用osgUtil::IntersectionVisitor定義碰撞檢測器，定義碰撞檢測的對象物——凸輪.在整個運行周期，碰撞實時發(fā)生.凸輪與相交矢量的碰撞檢測結果即交點實時保存，傳遞給OSG仿真程序.這一方法需要配氣機構三維模型非常精確，可直接從CAM工具ProE文件格式轉化而來.對于單獨一個氣缸配氣機構來說，碰撞檢測發(fā)生在凸輪和挺柱兩個動態(tài)運動剛體之間，采用嵌套回調(diào)的方法解決這個問題.凸輪軸在參與正時轉動時，加入碰撞檢測機制.

圖5 方法2流程Fig.5 Flowsheet of method 2

基于碰撞原理，挺柱和推桿的位移程序如下:

osgUtil::LineSegmentIntersector(p－start，pend);∥得到線段

osgUtil::IntersectionVisitor－iv(－lineSegmentIntersector.get());

terrain－ ＞accept(－iv);∥碰撞點

osg::ref－ptr＜osg::MatrixTransform＞ mt－terrain=new osg::MatrixTransform;

mt－terrain－ ＞setMatrix(osg::Matrix::translate(osg::Vec3(0，0，0)));

mt－terrain－ ＞addChild(terrain);

－intersections=－lineSegmentIntersector－ ＞get-Intersections();

int－intersectionNumber=－intersections.size();

if(－intersectionNumber!=0)

osgUtil::LineSegmentIntersector::Intersections::iterator hitr=－intersections.begin();

osg::Vec3

vec3－p1=hitr－ ＞getWorldIntersectPoint()*mt－terrain－ ＞getMatrix();

OSG運行結果如圖6.

該方法利用碰撞檢測機制實現(xiàn)挺柱沿凸輪型線復雜運動軌跡，避免用Simulink建立數(shù)學模塊求解微分方程.上述方法是一種較為方便且占用資源較少的解決方案.

圖6 柴油機配氣機構運動Fig.6 Diesel engine gas distribution mechanism motion visual simulation

經(jīng)過觀察，可見挺柱、推桿、搖臂和氣閥等構件有抖動現(xiàn)象.這一問題來源于碰撞檢測環(huán)節(jié).應用OSG碰撞方法求交點時，盡管對導入的模型曲面進行了Delaunay三角剖分，但得到剖分后，部分三角形較大.凸輪曲面由很多三角形平面擬合而成，在相交矢量與凸輪表面求交時，交點值有跳動，造成了部分構件仿真結果抖動.

利用 osg::PrimitiveSet::POINTS，osg::PrimitiveSet::TRIANGLES對凸輪模型曲面的三角形細化，可以減小抖動.

3 結論

根據(jù)柴油機配氣機構視覺仿真的要求，用兩種不同方法對配氣機構進行仿真:一是利用Simulink對配氣機構各個部件的運動微分方程進行解算，通過數(shù)據(jù)庫實時傳遞運算數(shù)據(jù)，在視覺仿真環(huán)境中得到運動效果;二是通過碰撞檢測機制，找到凸輪與挺柱碰撞交點，通過交點計算各部件運動位置，解決了運動剛體之間的碰撞檢測問題.這兩種方法經(jīng)過比較，后者因為靈活方便，推薦使用.

References)

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