兩棲裝甲車輛海上運動實時仿真方法

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動實時仿真方法

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)車輛在海浪中的運動，提出了一種海浪及車體運動實時協(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，并通過當前時刻車輛的運動參數(shù)和海浪狀態(tài)，在虛擬場景中利用碰撞檢測算法獲得車輛表面網(wǎng)格處海浪波面的位置，這一相對位置將用于計算此處海浪對車體的作用力；最后，解算車輛動力學(xué)方程，獲得下一時刻車輛的運動參數(shù)。通過仿真結(jié)果與試驗結(jié)果的對比驗證了該方法的有效性，為實現(xiàn)模擬器對車輛海上運動的實時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； 實時仿真； 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下的車輛水上運動特性，為駕駛員提供逼真的視覺、聽覺、觸覺和運動感覺[1]。在訓(xùn)練模擬器中，車體在海浪中運動狀態(tài)的實時解算是保證仿真逼真度的關(guān)鍵，而目前對于兩棲車輛水動力學(xué)的研究多采用計算流體力學(xué)或借助于船舶設(shè)計的拖模試驗法完成，具有非實時性，不適用于兩棲裝甲車輛駕駛訓(xùn)練模擬器。

人對外界環(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)，實時起伏變化的海浪在視景系統(tǒng)中生成。目前，對海浪視覺場景的生成方法通常利用隨機海浪理論和虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)[2-3]。

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

1海浪場景實時生成

海浪模擬對仿真系統(tǒng)的逼真度具有重要影響，其不僅會影響水面駕駛的視覺效果，還會影響海浪對車輛作用力的精確計算，因此需準確、逼真地對海浪進行模擬。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個因素，其中：海浪模型用于海浪的產(chǎn)生、運動等的實時仿真計算，是視景海洋場景仿真和車體水動力學(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)流暢的海浪運動，筆者采用隨機海浪理論[4]完成實時海浪模型的建立，為海浪場景渲染提供基礎(chǔ)。視景海浪模型生成以實際海浪統(tǒng)計特性的波能譜模型為基礎(chǔ)，建立具有時域特性的隨機海浪模型，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，進而通過無縫拼接技術(shù)得到整個仿真海域。

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

(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)測某個頻率分量波的振幅。大量實際觀察分析表明：對于一定的海面情況，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刻和位置處的高程值，實現(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刻特定海域海浪網(wǎng)格模型及生成的海面。

圖1某一時刻特定海域海浪網(wǎng)格模型及生成的海面

2車體與海浪位置關(guān)系的檢測

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

為保證仿真實時性，需設(shè)計合理、高效的實時碰撞檢測算法，本文以定義車體檢測線的方式進行實現(xiàn)，即將物體間的相交性測試轉(zhuǎn)化為若干有限線段與幾何體間的測試。檢測過程中采用自頂向下的遍歷方式，通過逐步精確到檢測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，進而獲得檢測物體相交點的屬性特征。

兩棲裝甲車輛在水上駕駛時，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)、水動力、水體浮力以及波浪的擾動力[8]。這些力的計算均依賴于車體表面及滑板表面與動態(tài)水體表面的相對位置關(guān)系[9-10]。

對于水面檢測，為保證仿真計算的精度，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，并為每個網(wǎng)格分配一個檢測線，通過檢測線獲取當前車體所在水域表面的狀態(tài)，如圖2所示。實時反饋檢測線處水面的相對高度和法向量，可供仿真匹配獲得水面的基本形態(tài)。

圖2水上運動碰撞檢測原理

圖2中：沿車體坐標系坐標軸方向按等距離排列檢測線，如虛線所示；朝向車體內(nèi)部的方向為正方向；檢測線穿過車體的線段長度為h，檢測點沿檢測線到水面的距離為hw。視景可以檢測到位于車體內(nèi)的檢測線是否與海面發(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)生碰撞的檢測線標志號，檢測線與上車體甲板交點位置(x,y)；檢測線與車體上甲板交點到水面的距離hw；檢測線與水面交點處水面的法線方向nw。

碰撞檢測得到的水面與車體位置關(guān)系通過以太網(wǎng)發(fā)送給動力學(xué)仿真，根據(jù)這些信息可以計算車體與海浪作用時產(chǎn)生的浮力和水動力，并進一步計算出車體當前時刻的運動狀態(tài)。

3浮力和水動力計算

兩棲裝甲車輛在海浪中的受力計算是典型的具有自由面的流體運動和固體運動相互耦合的復(fù)雜問題。采用有限元方法獲得流場壓強分布，進而得到車體所受水動力是無法滿足仿真實時性要求的，并且對于駕駛訓(xùn)練模擬器也是不必要的，在此只需實現(xiàn)海浪和車體位置的匹配，并為運動平臺提供加速度信號就能夠滿足設(shè)計要求，因此可忽略車體運動對流場的影響，并將海浪對車體的作用力進行以下簡化計算。

(4)

(5)

式中：Ce/b為由慣性坐標系向車體坐標系轉(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條檢測線間距的平方。

(6)

式中：vbi為第i個檢測點處車體的速度；CD為阻尼系數(shù)。

(7)

式中：abi為第i個檢測點處車體的加速度；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，以采集車輛運動的實際數(shù)據(jù)，并與仿真結(jié)果進行比較。試驗現(xiàn)場和視景虛擬場景分別如圖3、4所示。

圖3試驗現(xiàn)場照片

圖4視景虛擬場景

兩棲裝甲車輛在海浪中行進時，車輛的運動狀態(tài)包括位置、姿態(tài)、平動速度、平動加速度、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結(jié)果與仿真結(jié)果的對比為例驗證仿真效果。

圖5為實車在海浪中迎浪直行時俯仰角變化曲線，圖6為車輛在水面直行時俯仰角的仿真曲線。由于受試驗條件的限制，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動狀態(tài)。而在視景中生成的海浪沒有考慮傾斜的海岸對海浪強度的增大作用，因此試驗記錄數(shù)據(jù)的峰峰值略大于仿真結(jié)果。

圖5實車水面迎浪直行時俯仰角變化曲線

圖6仿真水面直行時車輛俯仰角變化曲線

由于實際的海浪是復(fù)雜且隨機變化的，為了考察數(shù)據(jù)間的內(nèi)在聯(lián)系，可對實車曲線和仿真曲線進行譜分析，結(jié)果分別如圖7、8所示?？梢钥闯觯簩嵻嚫┭鼋堑念l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)測試，視景系統(tǒng)圖像刷新率達到33Hz，動力學(xué)仿真系統(tǒng)仿真步長為0.02s，網(wǎng)絡(luò)延遲時間小于10ms，滿足訓(xùn)練模擬器功能要求。

圖7實車水面直行時俯仰角譜分析

圖8仿真水面直行時車輛俯仰角譜分析

5結(jié)論

針對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動實時協(xié)同仿真方法，不僅可以獲得逼真的海浪場景，而且可以將場景中起伏變化的海浪用于車輛航行狀態(tài)的計算。實車與仿真的對比結(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。該方法雖然簡化了水動力的計算過程并且忽略了車體運動對流場的作用，但這些近似對于駕駛訓(xùn)練模擬器這樣的應(yīng)用場合是可以接受的。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時動力學(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：1672-1497(2016)03-0068-04

收稿日期：2016-03-06

基金項目：軍隊科研計劃項目

作者簡介：陳革(1960-)，男，高級工程師，碩士。

中圖分類號：TJ811+.6；TP391.9

文獻標志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1672-1497.2016.03.015