葛立志

(昆明船舶設(shè)備研究試驗(yàn)中心 昆明 650051)

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基于全彈道控制分析的水下航行器攻擊模型視景仿真*

葛立志

(昆明船舶設(shè)備研究試驗(yàn)中心 昆明 650051)

研究并建立高空滑翔水下航行器的虛擬現(xiàn)實(shí)的視景仿真系統(tǒng),分析水下航行器全彈道控制并在視景仿真平臺下實(shí)現(xiàn)水下航行器全彈道多狀態(tài)攻擊軌跡模型。高空滑翔水下航行器姿態(tài)變化快,背景參數(shù)復(fù)雜,視景仿真中會出現(xiàn)局部模型快速變化或者模型分離的難題。提出采用DOF和Switch節(jié)點(diǎn)相結(jié)合的方法,利用其Matlab Simulink仿真模型,計(jì)算高空滑翔水下航行器的六自由度數(shù)據(jù),通過Matlab的“To Workspace”模塊將六自由度數(shù)據(jù)輸出并存檔。在VC++6.0環(huán)境下編寫Vega應(yīng)用程序,讀取運(yùn)動參數(shù),應(yīng)用LOD技術(shù)在不降低顯示速度的同時(shí)提高仿真視覺效果。仿真實(shí)驗(yàn)和測試效果表明,系統(tǒng)實(shí)能實(shí)現(xiàn)水下航行器在空中滑翔、低空突防、滑翔翼脫離以及水下攻擊等多狀態(tài)的水下航行器運(yùn)動彈道軌跡和視景仿真效果,以及運(yùn)動控制參數(shù)的同步跟蹤,不再會因局部模型快速變化和模型分離而失真。為分析空投滑翔水下航行器的運(yùn)動軌跡提供了數(shù)據(jù)支撐和視景平臺支持,對展開高空滑翔水下航行器的彈道控制研究和試驗(yàn)具有重要價(jià)值。

滑翔水下航行器; 虛擬現(xiàn)實(shí); 視景仿真; 全彈道

Class Number TJ630.1

1 引言

隨著潛射水下航行器的發(fā)展,高空滑翔水下航行器逐漸成為反潛和反艦攻擊的重要武器。高空遠(yuǎn)程滑翔水下航行器的作戰(zhàn)流程可以分為:無動力滑翔、低空變軌突防、減速入水以及水下搜索攻擊。研究基于全彈道控制分析的水下航行器攻擊模型視景仿真系統(tǒng),全面、形象、直觀、生動地顯示滑翔水下航行器的形狀、航跡、姿態(tài)以及動態(tài)運(yùn)動過程,在對該武器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)測試具有重要指導(dǎo)意義。

三維視景仿真技術(shù)是近幾年隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與仿真理論的發(fā)展而產(chǎn)生的一門新興學(xué)科,可以有效地解決水下航行器攻擊模型視景仿真這一問題[1]。采用Multigen Creator3.2建模、Vega Prime2.2.1視景仿真平臺、Vc.net和Matlab7.0聯(lián)合編程等建立仿真系統(tǒng)的總體技術(shù)路線,充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢,將以上四者結(jié)合可以開發(fā)出功能強(qiáng)大的視景仿真系統(tǒng)。本文基于實(shí)際需求,使用Creator和Vega建立高空滑翔水下航行器的全彈道視景仿真系統(tǒng),選擇Visual C++6.0作為編程工具[2],應(yīng)用LOD技術(shù)在不降低顯示速度的同時(shí)提高仿真視覺效果。高空滑翔水下航行器的視景仿真中會出現(xiàn)局部模型快速變化或者模型分離的問題[3]。針對這一問題,提出DOF和Switch節(jié)點(diǎn)相結(jié)合的方法,大幅減輕了編程和建模工作,實(shí)現(xiàn)了高空滑翔水下航行器的可視化仿真。系統(tǒng)開發(fā)理論聯(lián)系實(shí)際,密切結(jié)合工程應(yīng)用,通過視景仿真實(shí)現(xiàn)高空滑翔水下航行器多種攻擊狀態(tài)階段的全彈道分析效果,為后續(xù)研究提供數(shù)據(jù)支持和平臺基礎(chǔ)。

2 基于Creator和Vega的視景仿真平臺的建立

高空滑翔水下航行器的仿真模型可以分為質(zhì)量慣矩模塊、氣動參數(shù)模塊、大氣模塊、地球物理模型模塊、六自由度方程模塊。Matlab Simulink Air_Weapons_UUVes工具箱的使用,可以很方便地構(gòu)建高空滑翔水下航行器數(shù)字仿真平臺,如圖1所示。使用該平臺對高空滑翔水下航行器的運(yùn)動過程進(jìn)行數(shù)字仿真,并將六自由度數(shù)據(jù)通過“To Workspace”模塊輸出并保存,為進(jìn)一步的視景仿真提供數(shù)據(jù)[4]。

高空滑翔水下航行器的整體仿真環(huán)境包括入水前和入水后兩部分:入水前主要包括天空、海面環(huán)境、艦艇和艦載直升機(jī)等;入水后主要包括海水、海底環(huán)境等。仿真開始時(shí),艦艇在海面巡航,一定時(shí)間后,艦載直升機(jī)起飛,將航空吊放聲納投放在可疑區(qū)域,通過聲納發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后,目標(biāo)信息發(fā)送至機(jī)場。之后掛載高空滑翔水下航行器的反潛飛機(jī)進(jìn)入攻擊位置并投放高空滑翔水下航行器,高空滑翔水下航行器一定時(shí)延后打開折疊翼進(jìn)入滑翔段彈道。當(dāng)高度降至適當(dāng)位置時(shí),突防火箭點(diǎn)火,進(jìn)入低空突防彈道。突防結(jié)束后,通過爆炸螺栓將滑翔翼分離,減速火箭點(diǎn)火,高空滑翔水下航行器入水轉(zhuǎn)入水下彈道,直至完成攻擊任務(wù)[5～8]。為了最大可能地利用Matlab simulink的仿真成果,調(diào)用了DWK的模型庫。系統(tǒng)模型開發(fā)的主要內(nèi)容有:

1) 三維模型庫:涉及的模型有高空滑翔水下航行器、空投飛機(jī)、艦載直升機(jī)、機(jī)場、潛艇、艦艇等;

2) 海洋環(huán)境:海底、海面以及海水;

3) 特效:主要包括直升機(jī)起飛、入水、潛艇、航行尾跡、艦艇航行效果等。

仿真平臺建模過程示意圖如圖1所示。從圖1中可見,首先對水下航行器的外形數(shù)據(jù),進(jìn)行CAD建模,相應(yīng)的圖像經(jīng)過圖像處理技術(shù)進(jìn)行加工,通過虛擬現(xiàn)實(shí)軟件Creator以及Vega對視景平臺進(jìn)行開發(fā),然后進(jìn)行水下航行器控制后置處理,實(shí)現(xiàn)高空滑翔水下航行器六自由度全彈道分析及視景仿真。

圖1 視景仿真和彈道分析平臺建模過程示意圖

3 滑翔水下航行器運(yùn)動控制數(shù)學(xué)模型

采用六自由度全彈道分析方法研究高空滑翔水下航行器視景仿真效果,首先需要對滑翔水下航行器運(yùn)動控制模型進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。

本文主要用到以下幾個(gè)坐標(biāo)系:速度坐標(biāo)系Ox3y3z3、體坐標(biāo)系Ox1y1z1、彈道坐標(biāo)系Ox2y2z2、地面坐標(biāo)系A(chǔ)xyz。假定滑翔水下航行器的縱向運(yùn)動是對稱的,而且在縱向運(yùn)動時(shí),水下航行器滑翔中的傾斜操縱機(jī)構(gòu)和偏航操縱機(jī)構(gòu)沒有動作,也就是說舵面沒有做出破壞縱向運(yùn)動對稱性的偏轉(zhuǎn)。或者說,雖然出現(xiàn)了橫滾等運(yùn)動,但是能夠在很短的時(shí)間內(nèi)消除,從而沒有來得及影響縱向運(yùn)動。這時(shí)就可以單獨(dú)得到滑翔水下航行器的動力學(xué)模型方程組為

(1)

(2)

式中,m為水下航行器質(zhì)量;P為動量矩;θ為彈道傾角,速度矢量(Ox2軸)與水平面間的夾角;α為攻角,水下航行器質(zhì)心的速度矢量(Ox3軸)在水下航行器縱向?qū)ΨQ面Ox1y1上的投影與Ox1軸之間的夾角,若Ox1軸位于速度矢量的投影線的上方時(shí)α為正,反之為負(fù)。X,Y,Z表示作用在高空滑翔水下航行器的總空氣動力沿速度坐標(biāo)系分解得到的阻力、升力、側(cè)向力。

通過計(jì)算滑翔水下航行器橫滾力矩、偏航力矩和俯仰力矩以及之間的關(guān)系,可列出高空滑翔水下航行器的相對運(yùn)動方程為

(3)

(4)

(5)

(6)

其中,Mx、My、Mz為分別橫滾力矩、偏航力矩和俯仰力矩;Jx、Jy、Jz分分別表示水下航行器繞體坐標(biāo)系各軸的轉(zhuǎn)動慣量。

通過計(jì)算水下航行器的質(zhì)心位置與水下航行器彈道側(cè)滑角、俯仰舵偏角、彈道傾角的關(guān)系,可得得到高空滑翔水下航行器運(yùn)動學(xué)模型表達(dá)為

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

其中,x,y,z為質(zhì)心位置;ψV為俯仰舵偏角;θ為彈道傾角,?為俯仰角,水下航行器的縱軸(Ox1軸)與水平面(Oxy平面)間的夾角;γ為橫滾舵角,又稱差動舵角。

另外,水下航行器運(yùn)動方程中角度關(guān)系表示為

sinβ=cosθ[cosγsin(ψ-ψV)+sin?sinγcos(ψ-ψV)]-sinθcos?sinγ

(13)

sinα={cosθ[sin?cosγcos(ψ-ψV)-sinγsin(ψ-ψV)]-sinθcos?cosγ}/cosβ

(14)

α=?-θ

(15)

ψV=f(e1)

(16)

其中,α為攻角,水下航行器質(zhì)心的速度矢量(Ox3軸)在水下航行器縱向?qū)ΨQ面Ox1y1上的投影與Ox1軸之間的夾角;β為水下航行器的側(cè)滑角;e1為控制系統(tǒng)誤差。

綜上可得高空滑翔水下航行器的縱向運(yùn)動方程是一組由非線性微分方程組成的動力系統(tǒng)。根據(jù)上述控制理論和動力學(xué)模型,以某型實(shí)驗(yàn)水下航行器與研究載體,計(jì)算該型高空滑翔水下航行器六自由度全彈道數(shù)據(jù),作為后續(xù)的視景仿真平臺的狀態(tài)參量輸入數(shù)據(jù),為后置處理所用。

4 平臺開發(fā)及關(guān)鍵技術(shù)

4.1 LOD技術(shù)的應(yīng)用

高空滑翔水下航行器視景仿真實(shí)現(xiàn)中,當(dāng)需要具體表現(xiàn)某個(gè)模型時(shí),需要將仿真的視覺注意力集中在這個(gè)模型上面,如高空滑翔水下航行器在滑翔的時(shí)候,觀察者關(guān)注的只是滑翔和空中的細(xì)節(jié),對于機(jī)場及海面等其它模型并不需要表現(xiàn)出它的細(xì)微特征。因此需要在仿真時(shí)用到LOD技術(shù),LOD技術(shù)可以在不降低顯示速度的同時(shí)提高仿真視覺效果,降低計(jì)算機(jī)資源的占有率[9～11]。

LOD即層次細(xì)節(jié)技術(shù),其根據(jù)模型節(jié)點(diǎn)在環(huán)境中所處的位置和重要度,決定物體渲染的資源分配,降低非重要物體的面數(shù)和細(xì)節(jié)度,從而獲得高效的渲染。因此,LOD技術(shù)是控制場景復(fù)雜度的一種有效的方法[3]。LOD技術(shù)包含靜態(tài)LOD技術(shù)和動態(tài)LOD技術(shù)。靜態(tài)LOD技術(shù)事先為源目標(biāo)建立一組不同的LOD的模型,在顯示時(shí)提供調(diào)用;動態(tài)LOD技術(shù)是需要根據(jù)顯示條件實(shí)時(shí)構(gòu)建不同LOD的模型,以達(dá)到提高顯示效率的目的。第一種模型由于占用內(nèi)存大,模型過渡不流暢,因此常應(yīng)用于動態(tài)模型和復(fù)雜的靜態(tài)實(shí)體模型;第二種模型則較多地應(yīng)用于大形地形數(shù)據(jù)庫。

本系統(tǒng)采用靜態(tài)LOD技術(shù)生成一般模型,之后設(shè)置每個(gè)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)入(Switch-in)和轉(zhuǎn)出(Switch-out)參數(shù)。再使用Morph方法平滑相鄰的LOD模型,使其過渡更為自然;采用Creator的CTS(Creator Terrain Studio)工具生成機(jī)場的多層次細(xì)節(jié)信息。生成的視景仿真平臺包括滑翔水下航行器模型,攜帶空投滑翔水下航行器的戰(zhàn)機(jī)模型以及直升機(jī)模型、和滑翔水下航行器攻擊目標(biāo)艦船模型,四類主要的武器模型庫仿真圖如圖2所示。

圖2 仿真平臺構(gòu)建的四類主要武器模型

4.2 代碼開發(fā)

基于Vega Prime的視景仿真分為LynX Prime圖形界面的設(shè)計(jì)和視景仿真程序設(shè)計(jì)。基本場景的搭建、模型初始位置的設(shè)置、仿真環(huán)境的配置以及常用的特效設(shè)置都可以通過LynX Prime圖形界面設(shè)計(jì)完成。LP是一個(gè)編輯器,用于增加不同種類的模型,為模型定義參數(shù)。這些參數(shù)都存貯于應(yīng)用配置文件(ACF)中的一個(gè)模型結(jié)構(gòu)內(nèi),例如觀察者的位置,模型及它們在場景中的位置,在場景中的移動,光線,環(huán)境效果,及目標(biāo)硬件平臺。ACF文件包含了VP在初始化和運(yùn)行時(shí)所需的信息,使用它可以大大減輕開發(fā)者的工作量。

部分幀循環(huán)代碼如下:

while ( beginFrame() != 0 )

{

m_dSimTime = kernel->getSimulationTime();

dtime = m_dSimTime - m_dSimStartTime;

if( dtime - dplodetime > 2 )

{

onKeyInput( vrWindow::KEY_ESCAPE ,0 );

goto L_endframe;

}

……

if( dtime > 30 ) //艦艇

{

warship->Stop();//艦艇停

warship->Turnoff();//直升機(jī)起飛

}

else

warship->Run( dtime );//艦艇開

……

//聲納

sn->Suspend();//直升機(jī)到達(dá)位置且聲納沒有完成工作,放聲納

else

sn->FollowHeli( warship->m_pHelicopter ); //直升機(jī)沒有到達(dá)位置或聲納沒有工作,聲納隨直升機(jī)

if( sn->m_bIsSearchFinish )//聲納工作完成

{

//返回目標(biāo)值

……

//戰(zhàn)斗機(jī)起飛

plant->TrunOff( m_dSimTime - m_dPlantTurnOffTime );

……

if( plant->m_bIsTrunOff )

{

plant->Fly( m_dSimTime - m_dPlantFlyTime ); //戰(zhàn)斗機(jī)飛往發(fā)射點(diǎn)

warship->Reset();

}

if( !plant->b_IsReachTarget )//到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)

{……//投放

UUV->Send();

}

if( UUV->m_bUnderWater )//潛艇開始規(guī)避

sub->Update(m_dSimTime-m_dSearchTime );

L_endframe:

endFrame();

高空滑翔水下航行器的整個(gè)仿真過程由視景仿真程序完成。仿真程序首先對視景仿真系統(tǒng)進(jìn)行配置,這一過程通過調(diào)用acf.文件來實(shí)現(xiàn)。然后再調(diào)用Vega Prime提供的API函數(shù)驅(qū)動模型完成仿真任務(wù)。動態(tài)仿真通過Vega仿真應(yīng)用程序來實(shí)現(xiàn)。通過編寫程序,還可以實(shí)現(xiàn)觀察模式,利用鍵盤操作實(shí)現(xiàn)觀察角度的隨意變化,從而達(dá)到人機(jī)交互的目的。

5 仿真實(shí)現(xiàn)與結(jié)果分析

根據(jù)某型水下航行器的總體參數(shù)和滑翔水下航行器運(yùn)動控制數(shù)學(xué)模型,計(jì)算控制參數(shù),得到彈道分析的前置處理原始數(shù)據(jù),在本系統(tǒng)構(gòu)建的視景仿真系統(tǒng)上進(jìn)行高空滑翔水下航行器的彈道模擬控制和彈道分析的仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中,設(shè)定高空滑翔水下航行器的投放高度為6000m,初始速度為速度280m/s?；瓒喂潭ǜ┭鼋菫?2°,到達(dá)近海面時(shí)突防高度為50m。通過本系統(tǒng)構(gòu)建的仿真平臺,得到空投滑翔水下航行器的全彈道運(yùn)行視景效果圖如圖3所示。圖3顯示了仿真實(shí)現(xiàn)的水下航行器在空中滑翔、低空突防、滑翔翼脫離以及進(jìn)入水下攻擊等四個(gè)階段的水下航行器運(yùn)動彈道軌跡和視景實(shí)現(xiàn),具有生動效果,符合現(xiàn)實(shí)實(shí)際,對展開后續(xù)科研及理論分析和模擬實(shí)驗(yàn)都具有重要意義和使用價(jià)值。水下航行器在攻擊過程中的空間坐標(biāo)全彈道曲線如圖4所示。圖4分別體現(xiàn)了水下航行器在滑翔段、低空突防段以及減速段的運(yùn)行曲線坐標(biāo)方位圖,為分析空投滑翔水下航行器的運(yùn)動軌跡提供了數(shù)據(jù)支撐。圖5展示了滑翔水下航行器在空中運(yùn)行過程中全彈道俯仰角曲線。所有彈道運(yùn)行參數(shù),都會在視景仿真平臺中同步跟蹤顯示,研究成果為研究空投滑翔水下航行器的運(yùn)行控制軌跡和彈道分析,展開科研實(shí)驗(yàn)具有重要價(jià)值。

圖3 水下航行器全彈道運(yùn)行視景仿真效果

圖4 攻擊全彈道曲線

圖5 空中全彈道俯仰角

6 結(jié)語

本文利用Matlab Simulink設(shè)計(jì)高空滑翔水下航行器的數(shù)字仿真系統(tǒng),得到了基于全彈道控制分析的水下航行器攻擊模型視景仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠展示高空滑翔水下航行器所需的場景,包含了系統(tǒng)設(shè)計(jì)部分的各個(gè)方面,并具有較強(qiáng)的真實(shí)感。彈道分析實(shí)驗(yàn)仿真效果表明,本文所建立的視景仿真系統(tǒng)解決了高空滑翔水下航行器視景仿真系統(tǒng)中的關(guān)鍵問題,實(shí)現(xiàn)了所需的特定功能,在保證實(shí)時(shí)性要求的前提下達(dá)到預(yù)期的視覺效果。通過仿真實(shí)現(xiàn)了水下航行器在空中滑翔、低空突防、滑翔翼脫離以及進(jìn)入水下攻擊等階段的水下航行器運(yùn)動彈道軌跡和視景仿真效果,視景效果與運(yùn)動參數(shù)具有同步跟蹤功能,不會再因局部模型快速變化和模型分離而失真,保證了實(shí)時(shí)性和有效性,平臺搭建和系統(tǒng)的構(gòu)建對展開后續(xù)空投水下航行器的科研模擬試驗(yàn)和理論分析都具有重要意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

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Visual Simulation of UUV Attack Model Based on Whole Trajectory Control Analysis

GE Lizhi

(Kunming Shipborne Equipment Research and Test Center, Kunming 650051)

The visual simulation system of the high altitude gliding underwater vehicle(UUV) was researched and established accurately. The whole trajectory control was analyzed, and multimode attacking trajectory was realized in the simulation platform. Because the attitude angle of the gliding UUV changed quickly, and the background parameters were complicated, and the problem of rapid change part and separation of the model always existed. The method with combined using DOF and Switch node was proposed. The Matlab Simulink model was used to calculate the 6 DOF data and save the data through the "To Workspace" module. Then Vega application program was written by VC++ 6.0, with reading the motion parameters and using LOD technology which couldn’t reduce the display speed, the simulation visual effect was also improved. Simulation results showed that the system can simulate the whole trajectory and visual effect of UUV in multiple modes such as gliding in the air, low altitude penetration and underwater attack etc, and the control parameters can be updated synchronously. The visual simulation could never be distorted because of rapid change and separation. It had important value for further research and experiment of altitude gliding UUV.

gliding UUV, virtual reality, visual simulation, whole trajectory

2014年9月2日,

2014年10月30日

葛立志,男,碩士研究生,研究方向:水下航行體控制與試驗(yàn)。

TJ630.1

10.3969/j.issn1672-9730.2015.03.038