邱楓，楊臻，韓曉明，高碧祥

（中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，太原030051）

運(yùn)輸機(jī)裝載規(guī)劃視景仿真技術(shù)的研究

邱楓，楊臻，韓曉明，高碧祥

（中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，太原030051）

以運(yùn)輸機(jī)裝載規(guī)劃過程為仿真對(duì)象，建立簡化數(shù)學(xué)模型，然后結(jié)合Unity3D引擎，運(yùn)用視景仿真技術(shù)相關(guān)知識(shí)，把運(yùn)輸機(jī)裝載規(guī)劃全過程、運(yùn)輸機(jī)裝載過程中質(zhì)心變化等進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。運(yùn)用視景仿真技術(shù)進(jìn)行運(yùn)輸機(jī)裝載規(guī)劃，可對(duì)真實(shí)裝載規(guī)劃過程起到重要的引導(dǎo)作用，并且能夠有效縮短運(yùn)輸機(jī)裝載規(guī)劃周期，提高運(yùn)輸機(jī)裝載效率。

運(yùn)輸機(jī)裝載規(guī)劃，視景仿真，重心，Unity3D

0 引言

隨著航空運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展以及運(yùn)送物資的多樣化，對(duì)運(yùn)輸機(jī)裝載規(guī)劃也提出了更高的要求。目前，國內(nèi)運(yùn)輸機(jī)裝載規(guī)劃主要采用人工規(guī)劃方式，即首先通過數(shù)學(xué)計(jì)算，求出裝備在運(yùn)輸過程中的初步位置，然后根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，以保證裝載完成后的整個(gè)運(yùn)輸機(jī)的飛行穩(wěn)定性和安全性［1］。因此，現(xiàn)有的運(yùn)輸機(jī)裝載規(guī)劃方式已不能滿足當(dāng)前運(yùn)輸機(jī)快速機(jī)動(dòng)要求。

視景仿真技術(shù)是現(xiàn)在較為成熟的一項(xiàng)計(jì)算機(jī)技術(shù)，它綜合了傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和代碼編程學(xué)，實(shí)現(xiàn)人與虛擬環(huán)境的交互，給予操作者較為真實(shí)的體驗(yàn)［2］。通過建立數(shù)學(xué)模型，可實(shí)現(xiàn)真實(shí)場(chǎng)景的模擬，從而有效縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，提高研制效率，視景仿真技術(shù)現(xiàn)已廣泛用于航空、航天領(lǐng)域［3］。

本文提出一種結(jié)合視景仿真技術(shù)的運(yùn)輸機(jī)裝載規(guī)劃技術(shù)，首先將運(yùn)輸機(jī)裝載規(guī)劃過程進(jìn)行簡化，然后編寫裝載規(guī)劃程序，最終實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸機(jī)整個(gè)裝載過程的三維實(shí)時(shí)顯示。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)功能

建立裝備三維模型，對(duì)裝備的尺寸、質(zhì)量、質(zhì)心位置、系留點(diǎn)位置等參數(shù)進(jìn)行定義，結(jié)合裝備真實(shí)的運(yùn)動(dòng)特性，賦予裝備相應(yīng)性能。裝載過程中，三維實(shí)時(shí)顯示裝備裝載過程和運(yùn)輸機(jī)質(zhì)心位置的變化。

1.2 系統(tǒng)組成

運(yùn)輸機(jī)裝載規(guī)劃視景仿真系統(tǒng)主要由裝備數(shù)據(jù)庫和視景仿真系統(tǒng)組成，視景仿真系統(tǒng)包含三維模型、數(shù)學(xué)模型和仿真程序3部分。運(yùn)輸機(jī)裝載規(guī)劃視景仿真系統(tǒng)組成圖如圖1所示。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 質(zhì)心計(jì)算函數(shù)

裝備在運(yùn)輸機(jī)貨艙內(nèi)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)導(dǎo)致運(yùn)輸機(jī)質(zhì)心的偏移，該過程產(chǎn)生的質(zhì)心變化會(huì)對(duì)運(yùn)輸機(jī)的飛行穩(wěn)定性產(chǎn)生很大影響［4］。根據(jù)兩質(zhì)點(diǎn)系質(zhì)心計(jì)算公式推導(dǎo)，世界坐標(biāo)系下空間任意兩質(zhì)點(diǎn)系質(zhì)心公式：

設(shè)點(diǎn)X0（X0，Y0，Z0）質(zhì)量為M0，點(diǎn)X1（X1，Y1，Z1）質(zhì)量為M1，組成的質(zhì)量系總質(zhì)心為Xn（Xn，Yn，Zn），可求得Xn（Xn，Yn，Zn）坐標(biāo)如下：

上述公式可求得兩質(zhì)點(diǎn)系質(zhì)心位置，該式可推廣到多質(zhì)點(diǎn)系質(zhì)心公式的推導(dǎo)。同時(shí)由于裝載過程中整個(gè)系統(tǒng)動(dòng)量守恒［5］，故裝備質(zhì)量為M1的裝備，運(yùn)動(dòng)位移為L時(shí)，質(zhì)量為M0的運(yùn)輸機(jī)運(yùn)動(dòng)位移L'為：

設(shè)運(yùn)輸機(jī)質(zhì)量為140 T［6］，則裝載不同裝備時(shí)運(yùn)輸機(jī)質(zhì)心水平運(yùn)動(dòng)位移匯總表如表1所示（忽略運(yùn)輸機(jī)加載后運(yùn)輸機(jī)質(zhì)心垂直方向的位移）。

表1運(yùn)輸機(jī)裝載不同裝備時(shí)運(yùn)輸機(jī)質(zhì)心水平運(yùn)動(dòng)位移

綜上所述，裝載過程后，修正后的運(yùn)輸機(jī)質(zhì)心變化函數(shù)為：

2.2 四元數(shù)與歐拉角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

裝載過程中，裝備運(yùn)動(dòng)姿態(tài)調(diào)整可通過調(diào)用U-nity3D引擎中自帶的四元數(shù)模塊與歐拉角模塊進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。按國際標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)坐標(biāo)系Sa和Sb是以歐拉角ψ，θ，φ按如下方式聯(lián)系［7］：

則相應(yīng)的公式為

以及在小角度時(shí)的近似關(guān)系式

綜上所述，用程序進(jìn)行裝備姿態(tài)轉(zhuǎn)換函數(shù)的編寫，即可實(shí)現(xiàn)裝備運(yùn)動(dòng)過程中的姿態(tài)調(diào)整。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

運(yùn)輸機(jī)裝載、規(guī)劃視景仿真系統(tǒng)流程圖如圖2所示。

通過調(diào)用Unity3D自帶的物理引擎，可有效減少編程量，為保證仿真參數(shù)與實(shí)際參數(shù)相符，因此，需對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行簡化計(jì)算，例如車體懸掛系統(tǒng)剛度、阻尼、懸掛行程等參數(shù)［8］。典型裝備參數(shù)及對(duì)應(yīng)變量匯總表如表2所示。

表2 典型裝備參數(shù)及其對(duì)應(yīng)變量匯總表

3.1 裝載過程的實(shí)現(xiàn)

裝載過程除需要裝備參數(shù)外，還需要運(yùn)輸機(jī)相關(guān)性能參數(shù)，裝載過程所需部分參數(shù)匯總?cè)绫?所示。

表3 裝載過程所需部分參數(shù)匯總表

通過改變車輪在離標(biāo)記點(diǎn)不同距離下的輸出扭矩，使得裝備運(yùn)動(dòng)速度發(fā)生改變，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝備的裝載過程。裝載過程流程圖如圖3所示。

3.2 觸發(fā)系留動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)

裝載過程中，機(jī)構(gòu)動(dòng)作主要是通過調(diào)用各類觸發(fā)器和附加程序?qū)崿F(xiàn)，Unity3D提供了多種觸發(fā)器。Unity3D引擎中有盒觸發(fā)器（Box Collider），球觸發(fā)器（Sphere Collider），膠囊觸發(fā)器（Capsule Collider）網(wǎng)格觸發(fā)器（Mesh Collider），車輪觸發(fā)器（Wheel Collider）5種類型的觸發(fā)器［9］。

由于裝備外形尺寸較為復(fù)雜，最初選用網(wǎng)格觸發(fā)器（Mesh Collider），但是實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)格觸發(fā)器（Mesh Collider）不僅占用大量內(nèi)存，并且在某些部位還會(huì)出現(xiàn)穿插的現(xiàn)象，不符合仿真要求。綜合比較后，改用多個(gè)盒觸發(fā)器（Box Collider），這樣不僅運(yùn)行可靠，效率更高，而且也能夠達(dá)到較好的仿真效果。觸發(fā)器觸發(fā)比用時(shí)間控制程序更為可靠，同時(shí)還可使得裝載過程中裝備的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)更加真實(shí)。

通過判定裝備觸發(fā)器是否進(jìn)入運(yùn)輸機(jī)觸發(fā)器，從而激活系留動(dòng)作程序。盒觸發(fā)器觸發(fā)系留程序流程圖如圖4所示。

3.3 相機(jī)程序控制

裝載過程中，需在多個(gè)位置添加觀察視角。其中，裝備跟蹤相機(jī)需跟隨裝備運(yùn)動(dòng)，由于裝備在裝載過程中會(huì)發(fā)生晃動(dòng)，為了達(dá)到較為合理的視覺效果，因此，需要對(duì)相機(jī)跟隨裝備的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行程序控制。相機(jī)程序定義變量匯總表如表4所示。

表4 定義變量及其對(duì)應(yīng)名稱匯總表

其中currentRotationAngle與wantedRotationAngle之間用LerpAngle函數(shù)進(jìn)行差值，刷新率為rotationDamping*Time.deltaTime。通過Quaternion.Euler（0，currentRotationAngle，0）將currentRotationAngle的Y向分量定義給currentRotation。通過currentRotation*Vector3.forward*distance實(shí)現(xiàn)currenHeight與currentRotation的關(guān)聯(lián)。

通過對(duì)相機(jī)進(jìn)行程序設(shè)定，可使得相機(jī)跟隨目標(biāo)時(shí)更為平穩(wěn)，符合真實(shí)視覺效果。

3.4 仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與優(yōu)化

運(yùn)輸機(jī)裝載規(guī)劃視景仿真系統(tǒng)界面如圖5所示，裝備裝載三維視景仿真過程截圖如圖6所示。

運(yùn)輸機(jī)裝載規(guī)劃視景仿真系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，由于參數(shù)設(shè)定不合理會(huì)導(dǎo)致整個(gè)仿真過程卡頓，甚至出現(xiàn)程序崩潰的情況，經(jīng)反復(fù)調(diào)試可得，出現(xiàn)該現(xiàn)象主要是由于裝備模型占用較大計(jì)算機(jī)內(nèi)存導(dǎo)致。

裝備1：1三維模型的制作是一個(gè)工作量較大，且需不斷優(yōu)化的過程，由于仿真系統(tǒng)需在真實(shí)和虛擬中達(dá)到一個(gè)均衡，因此，需要對(duì)裝備模型的多邊形面數(shù)進(jìn)行優(yōu)化［10］。結(jié)合仿真系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況，在裝備模型總面數(shù)為10 W時(shí)，8 G內(nèi)存占用率為87 %，在裝備模型面數(shù)總為1W時(shí)，8G內(nèi)存占用率為21 %，可見，裝備模型優(yōu)化對(duì)于整個(gè)仿真系統(tǒng)的可靠性有著較大影響。裝備建議多邊形面數(shù)如表5所示。

表5 裝備建議多邊形面數(shù)統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論

本文首先結(jié)合運(yùn)輸機(jī)實(shí)際裝載情況，建立簡化數(shù)學(xué)模型，然后通過Unity3D引擎將該裝載過程實(shí)時(shí)渲染輸出，在給人以強(qiáng)烈的視覺效果之外，還對(duì)裝備真實(shí)裝載起到有效的引導(dǎo)作用，這極大地提高了運(yùn)輸機(jī)裝載效率，能夠有效縮短裝載周期。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)視景仿真將能夠更為真實(shí)、快速地進(jìn)行仿真分析，這與傳統(tǒng)靠復(fù)雜理論計(jì)算進(jìn)行仿真模擬相比，更符合目前要求高效率、保質(zhì)量的工作場(chǎng)合。

［1］劉寧君，王立新，潘文俊.運(yùn)輸機(jī)群貨物裝載方案生成方法［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，39（6）：751-755.

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Study in Transport Aircraft Cargo Loading Plans with Visual Simulation Technology

QIU Feng，YANG Zhen，HAN Xiao-ming，GAO Bi-xiang
（School of Mechatronic Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China）

To transport aircraft cargo loading planning process as the simulation object，the simplified mathematical model is established，then Unity3D engine is combined with and visual simulation technology is used，and displaying the whole process of transport aircraft cargo loading and the changes of center of gravity in real-time.The use of visual simulation technology in transport aircraft cargo loading planning can play an important guiding roles in reality，and can shorten the transport load planning cycles and improve the transport aircraft cargo loading process effectively.

transport aircraft cargo loading planing，visual simulation technology，center of gravity，Unity3D

TP391.9

A

1002-0640（2017）01-0117-04

2015-10-08

2016-01-15

邱楓（1991-），男，四川瀘州人，碩士研究生。研究方向：機(jī)械結(jié)構(gòu)仿真、視景技術(shù)。