陳　革， 賈永前， 周子銳， 喬小蒙， 張　聰

(1. 陸軍裝甲兵軍事代表局駐上海地區(qū)軍事代表室， 上海 200011； 2. 上海電控研究所， 上海 200092)

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兩棲裝甲車輛海上運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)仿真方法

陳革1， 賈永前1， 周子銳2， 喬小蒙1， 張聰1

(1. 陸軍裝甲兵軍事代表局駐上海地區(qū)軍事代表室， 上海 200011； 2. 上海電控研究所， 上海 200092)

摘要：為了在兩棲裝甲車輛駕駛訓(xùn)練模擬器中復(fù)現(xiàn)車輛在海浪中的運(yùn)動(dòng)，提出了一種海浪及車體運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)協(xié)同仿真方法。首先，根據(jù)海浪浪高和風(fēng)速設(shè)定的參數(shù)構(gòu)造海浪時(shí)域波面方程；其次，按照車輛結(jié)構(gòu)外型參數(shù)將車體表面分割為尺寸相同的網(wǎng)格，并通過當(dāng)前時(shí)刻車輛的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和海浪狀態(tài)，在虛擬場(chǎng)景中利用碰撞檢測(cè)算法獲得車輛表面網(wǎng)格處海浪波面的位置，這一相對(duì)位置將用于計(jì)算此處海浪對(duì)車體的作用力；最后，解算車輛動(dòng)力學(xué)方程，獲得下一時(shí)刻車輛的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。通過仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證了該方法的有效性，為實(shí)現(xiàn)模擬器對(duì)車輛海上運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)仿真提供了一種途徑。

關(guān)鍵詞：兩棲裝甲車輛； 訓(xùn)練模擬器； 實(shí)時(shí)仿真； 海浪生成

為了訓(xùn)練駕駛員更好地掌握某型高速兩棲裝甲車輛水上駕駛要領(lǐng)，需針對(duì)該型車輛開發(fā)訓(xùn)練模擬器，使其能夠模擬不同海浪等級(jí)下的車輛水上運(yùn)動(dòng)特性，為駕駛員提供逼真的視覺、聽覺、觸覺和運(yùn)動(dòng)感覺[1]。在訓(xùn)練模擬器中，車體在海浪中運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)解算是保證仿真逼真度的關(guān)鍵，而目前對(duì)于兩棲車輛水動(dòng)力學(xué)的研究多采用計(jì)算流體力學(xué)或借助于船舶設(shè)計(jì)的拖模試驗(yàn)法完成，具有非實(shí)時(shí)性，不適用于兩棲裝甲車輛駕駛訓(xùn)練模擬器。

人對(duì)外界環(huán)境感知最重要的是視覺信息，在模擬器中提供視覺的系統(tǒng)稱為視景系統(tǒng)，實(shí)時(shí)起伏變化的海浪在視景系統(tǒng)中生成。目前，對(duì)海浪視覺場(chǎng)景的生成方法通常利用隨機(jī)海浪理論和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)[2-3]。

車輛在視景系統(tǒng)所建立的虛擬場(chǎng)景中運(yùn)動(dòng)，與場(chǎng)景的交互反映為車體與場(chǎng)景中物體的碰撞關(guān)系。車體不同的位置和姿態(tài)在場(chǎng)景中將產(chǎn)生不同的碰撞，所受到的外力和外力矩變化會(huì)引起車體動(dòng)力學(xué)狀態(tài)的改變，從而產(chǎn)生新的碰撞關(guān)系，因此需在每一個(gè)仿真步長(zhǎng)中更新場(chǎng)景和車輛的狀態(tài)。對(duì)于兩棲裝甲車輛水上駕駛訓(xùn)練模擬器，海浪和車輛在場(chǎng)景中的狀態(tài)都是實(shí)時(shí)變化的，如何近似獲得車輛在虛擬海浪場(chǎng)景中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是開發(fā)該型模擬器的重點(diǎn)和難點(diǎn)。為解決該技術(shù)難題，筆者提出一種海浪及車體運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)協(xié)同仿真方法，該方法能夠使海浪仿真與車體動(dòng)力學(xué)仿真協(xié)同工作、相互匹配，提高整個(gè)仿真系統(tǒng)的逼真度。該方法的關(guān)鍵點(diǎn)是在一臺(tái)圖形工作站上生成變化的海浪場(chǎng)景，在另一臺(tái)計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)解算虛擬場(chǎng)景中車體所受外力、外力矩及車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，2臺(tái)計(jì)算機(jī)通過以太網(wǎng)交互數(shù)據(jù)，構(gòu)成一套分布式的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)。

1海浪場(chǎng)景實(shí)時(shí)生成

海浪模擬對(duì)仿真系統(tǒng)的逼真度具有重要影響，其不僅會(huì)影響水面駕駛的視覺效果，還會(huì)影響海浪對(duì)車輛作用力的精確計(jì)算，因此需準(zhǔn)確、逼真地對(duì)海浪進(jìn)行模擬。而海浪模擬的逼真度則取決于海浪模型生成和海浪渲染效果2個(gè)因素，其中：海浪模型用于海浪的產(chǎn)生、運(yùn)動(dòng)等的實(shí)時(shí)仿真計(jì)算，是視景海洋場(chǎng)景仿真和車體水動(dòng)力學(xué)仿真的基礎(chǔ)；海浪模型的渲染包括海浪模型的幾何渲染、光照計(jì)算及特效生成等。

為了保證在主流的圖像工作站上能夠呈現(xiàn)流暢的海浪運(yùn)動(dòng)，筆者采用隨機(jī)海浪理論[4]完成實(shí)時(shí)海浪模型的建立，為海浪場(chǎng)景渲染提供基礎(chǔ)。視景海浪模型生成以實(shí)際海浪統(tǒng)計(jì)特性的波能譜模型為基礎(chǔ)，建立具有時(shí)域特性的隨機(jī)海浪模型，并與視景開發(fā)軟件相結(jié)合，獲得指定區(qū)域的海浪高程分布，進(jìn)而通過無縫拼接技術(shù)得到整個(gè)仿真海域。

實(shí)際海面呈現(xiàn)不規(guī)則的波浪，波傳播沒有固定方向，很難進(jìn)行描述，但采用隨機(jī)噪聲的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法可獲得海浪的波模型[5]。從統(tǒng)計(jì)意義上講，不規(guī)則的海浪可由無數(shù)個(gè)不同振幅和波長(zhǎng)的單元規(guī)則波疊加而成，可近似由多個(gè)隨機(jī)正弦波疊加來模擬：

(1)

(2)

相應(yīng)的方向譜可定義為

(3)

式中：G(ω,θ)為方向傳播函數(shù)。

基于波能譜，能夠預(yù)測(cè)某個(gè)頻率分量波的振幅。大量實(shí)際觀察分析表明：對(duì)于一定的海面情況，其相應(yīng)的波能譜具有一定的形式。波能譜的主要影響參數(shù)包括風(fēng)速、有義波高和波周期等。由此則可得出平面上任意時(shí)刻和位置處的高程值，實(shí)現(xiàn)海域范圍內(nèi)的波浪模型仿真。圖1為采用上述方法獲得的某一時(shí)刻特定海域海浪網(wǎng)格模型及生成的海面。

圖1某一時(shí)刻特定海域海浪網(wǎng)格模型及生成的海面

2車體與海浪位置關(guān)系的檢測(cè)

在完成虛擬場(chǎng)景中海浪的構(gòu)建后，要計(jì)算海浪對(duì)車體的作用，首先應(yīng)確定車體與海浪之間的位置關(guān)系。三維場(chǎng)景中運(yùn)動(dòng)物體之間是否發(fā)生作用由碰撞檢測(cè)來實(shí)現(xiàn)，即判斷是否存在一對(duì)或多對(duì)模型占有的空間發(fā)生重疊。為保持虛擬場(chǎng)景的真實(shí)性，需及時(shí)檢測(cè)物體間的碰撞，并計(jì)算相應(yīng)的碰撞響應(yīng)，更新繪制結(jié)果；否則，物體間可能會(huì)發(fā)生穿刺現(xiàn)象[6]。實(shí)時(shí)、有效的碰撞檢測(cè)不僅使參與者從視覺上如實(shí)地看到虛擬環(huán)境中車輛的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)過程，而且能身臨其境地與其發(fā)生各種交互[7]。

為保證仿真實(shí)時(shí)性，需設(shè)計(jì)合理、高效的實(shí)時(shí)碰撞檢測(cè)算法，本文以定義車體檢測(cè)線的方式進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，即將物體間的相交性測(cè)試轉(zhuǎn)化為若干有限線段與幾何體間的測(cè)試。檢測(cè)過程中采用自頂向下的遍歷方式，通過逐步精確到檢測(cè)線段與幾何體中幾何面片的關(guān)系間接獲得物體間的相交關(guān)系，進(jìn)而獲得檢測(cè)物體相交點(diǎn)的屬性特征。

兩棲裝甲車輛在水上駕駛時(shí)，車體與水體的作用力包括航行阻力(黏性阻力、形狀阻力和興波阻力)、水動(dòng)力、水體浮力以及波浪的擾動(dòng)力[8]。這些力的計(jì)算均依賴于車體表面及滑板表面與動(dòng)態(tài)水體表面的相對(duì)位置關(guān)系[9-10]。

對(duì)于水面檢測(cè)，為保證仿真計(jì)算的精度，將車體在平面方向上劃分為行列均勻分布、規(guī)定大小的網(wǎng)格，并為每個(gè)網(wǎng)格分配一個(gè)檢測(cè)線，通過檢測(cè)線獲取當(dāng)前車體所在水域表面的狀態(tài)，如圖2所示。實(shí)時(shí)反饋檢測(cè)線處水面的相對(duì)高度和法向量，可供仿真匹配獲得水面的基本形態(tài)。

圖2水上運(yùn)動(dòng)碰撞檢測(cè)原理

圖2中：沿車體坐標(biāo)系坐標(biāo)軸方向按等距離排列檢測(cè)線，如虛線所示；朝向車體內(nèi)部的方向?yàn)檎较?；檢測(cè)線穿過車體的線段長(zhǎng)度為h，檢測(cè)點(diǎn)沿檢測(cè)線到水面的距離為hw。視景可以檢測(cè)到位于車體內(nèi)的檢測(cè)線是否與海面發(fā)生碰撞，若h-hw>0，則發(fā)生碰撞，視景將發(fā)送碰撞信息，該信息包括：發(fā)生碰撞的檢測(cè)線標(biāo)志號(hào)，檢測(cè)線與上車體甲板交點(diǎn)位置(x,y)；檢測(cè)線與車體上甲板交點(diǎn)到水面的距離hw；檢測(cè)線與水面交點(diǎn)處水面的法線方向nw。

碰撞檢測(cè)得到的水面與車體位置關(guān)系通過以太網(wǎng)發(fā)送給動(dòng)力學(xué)仿真，根據(jù)這些信息可以計(jì)算車體與海浪作用時(shí)產(chǎn)生的浮力和水動(dòng)力，并進(jìn)一步計(jì)算出車體當(dāng)前時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

3浮力和水動(dòng)力計(jì)算

兩棲裝甲車輛在海浪中的受力計(jì)算是典型的具有自由面的流體運(yùn)動(dòng)和固體運(yùn)動(dòng)相互耦合的復(fù)雜問題。采用有限元方法獲得流場(chǎng)壓強(qiáng)分布，進(jìn)而得到車體所受水動(dòng)力是無法滿足仿真實(shí)時(shí)性要求的，并且對(duì)于駕駛訓(xùn)練模擬器也是不必要的，在此只需實(shí)現(xiàn)海浪和車體位置的匹配，并為運(yùn)動(dòng)平臺(tái)提供加速度信號(hào)就能夠滿足設(shè)計(jì)要求，因此可忽略車體運(yùn)動(dòng)對(duì)流場(chǎng)的影響，并將海浪對(duì)車體的作用力進(jìn)行以下簡(jiǎn)化計(jì)算。

(4)

(5)

式中：Ce/b為由慣性坐標(biāo)系向車體坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的方向余弦陣；ρ為海水密度；g為重力加速度；s為網(wǎng)格面積，等于相鄰2條檢測(cè)線間距的平方。

(6)

式中：vbi為第i個(gè)檢測(cè)點(diǎn)處車體的速度；CD為阻尼系數(shù)。

(7)

式中：abi為第i個(gè)檢測(cè)點(diǎn)處車體的加速度；Ca為附加阻力系數(shù)。

4仿真效果分析

為驗(yàn)證仿真方法的有效性，在兩棲裝甲車輛上安裝陀螺儀和加速度計(jì)，以采集車輛運(yùn)動(dòng)的實(shí)際數(shù)據(jù)，并與仿真結(jié)果進(jìn)行比較。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)和視景虛擬場(chǎng)景分別如圖3、4所示。

圖3試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片

圖4視景虛擬場(chǎng)景

兩棲裝甲車輛在海浪中行進(jìn)時(shí)，車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)包括位置、姿態(tài)、平動(dòng)速度、平動(dòng)加速度、角速度和角加速度。由于狀態(tài)量較多，這里僅以俯仰角度試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的對(duì)比為例驗(yàn)證仿真效果。

圖5為實(shí)車在海浪中迎浪直行時(shí)俯仰角變化曲線，圖6為車輛在水面直行時(shí)俯仰角的仿真曲線。由于受試驗(yàn)條件的限制，所采集的數(shù)據(jù)是車輛由岸邊入水并返回的過程，因此數(shù)據(jù)主要反映的是車輛在近岸浪拍打下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。而在視景中生成的海浪沒有考慮傾斜的海岸對(duì)海浪強(qiáng)度的增大作用，因此試驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)的峰峰值略大于仿真結(jié)果。

圖5實(shí)車水面迎浪直行時(shí)俯仰角變化曲線

圖6仿真水面直行時(shí)車輛俯仰角變化曲線

由于實(shí)際的海浪是復(fù)雜且隨機(jī)變化的，為了考察數(shù)據(jù)間的內(nèi)在聯(lián)系，可對(duì)實(shí)車曲線和仿真曲線進(jìn)行譜分析，結(jié)果分別如圖7、8所示?？梢钥闯觯簩?shí)車俯仰角的頻譜集中于0.09～0.4Hz，而俯仰角仿真結(jié)果的頻譜主要集中于0.1～0.6Hz，兩者頻譜的分布范圍大體一致。

經(jīng)測(cè)試，視景系統(tǒng)圖像刷新率達(dá)到33Hz，動(dòng)力學(xué)仿真系統(tǒng)仿真步長(zhǎng)為0.02s，網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)間小于10ms，滿足訓(xùn)練模擬器功能要求。

圖7實(shí)車水面直行時(shí)俯仰角譜分析

圖8仿真水面直行時(shí)車輛俯仰角譜分析

5結(jié)論

針對(duì)兩棲裝甲車輛水上駕駛訓(xùn)練模擬器，筆者提出了一種海浪及車體運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)協(xié)同仿真方法，不僅可以獲得逼真的海浪場(chǎng)景，而且可以將場(chǎng)景中起伏變化的海浪用于車輛航行狀態(tài)的計(jì)算。實(shí)車與仿真的對(duì)比結(jié)果表明：該仿真方法有效可行，能夠滿足訓(xùn)練模擬器的功能要求。該方法雖然簡(jiǎn)化了水動(dòng)力的計(jì)算過程并且忽略了車體運(yùn)動(dòng)對(duì)流場(chǎng)的作用，但這些近似對(duì)于駕駛訓(xùn)練模擬器這樣的應(yīng)用場(chǎng)合是可以接受的。另外，該方法具有通用性，可以廣泛應(yīng)用于其他水上艦艇的實(shí)時(shí)動(dòng)力學(xué)仿真中。

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(責(zé)任編輯: 尚彩娟)

Real-time Simulation Method for Movements of Amphibious Armored Vehicles on the Ocean

CHEN Ge1, JIA Yong-qian1, ZHOU Zi-rui2, QIAO Xiao-meng1, ZHANG Cong1

(1. Military Representative Office in Shanghai Area, Armored Force Military Representative Bureau of Army, Shanghai 200011, China;2. Shanghai Electric Control Research Institute, Shanghai 200092, China)

Key words:amphibious armored vehicle; training simulator; real-time simulation; ocean wave generation

Abstract：A new method for real-time coordination simulation of vehicle movements and ocean wave is put forward for recurrence of vehicle movement in driver training simulator of amphibious armored vehicle on the ocean wave. Firstly, the ocean wave time domain equation is set up according to wave height and wind velocity. Secondly, the body of the simulated vehicle is divided to meshes with same size according to the structure parameters of the vehicle, and according to the current movement parameters of the vehicle and wave state, the relative position between water and tiny meshes of the vehicle changes can be achieved by collision detection algorithms in virtual scene. The relative positions are used to compute applied force of waves to the vehicle. Finally, the movement parameters of the vehicle at next step can be worked out by solving dynamic equations. The effectiveness of the method is validated by comparing simulation results with experiment data, which provides a mean for real-time simulation of amphibious armored vehicle dynamic movements on the ocean wave with training simulator.

文章編號(hào)：1672-1497(2016)03-0068-04

收稿日期：2016-03-06

基金項(xiàng)目：軍隊(duì)科研計(jì)劃項(xiàng)目

作者簡(jiǎn)介：陳革(1960-)，男，高級(jí)工程師，碩士。

中圖分類號(hào)：TJ811+.6；TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1672-1497.2016.03.015