履帶車輛六自由度仿真方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種履帶車輛六自由度仿真方法。步驟為：首先通過三維建模軟件預(yù)先對(duì)三維地形網(wǎng)格及履帶車輛進(jìn)行三維建模；然后將履帶車輛上部形狀簡(jiǎn)化為一個(gè)BOX剛體對(duì)象，將車輛的履帶簡(jiǎn)化為多個(gè)車輪；根據(jù)地形的三角面，車輪與地形接觸點(diǎn)的位置，實(shí)時(shí)確定每個(gè)車輪的高度；采用六球體碰撞檢測(cè)法，求得履帶車輛上部剛體平面的傾斜角；最后給出車輛上部剛體的位置、姿態(tài)公式，確定履帶車輛的位移、航向角。本發(fā)明專利技術(shù)可用于坦克、挖掘機(jī)、推土機(jī)等履帶車輛設(shè)備的六自由度仿真，具有運(yùn)算量小、仿真方法簡(jiǎn)單、仿真效果逼真等優(yōu)點(diǎn)，適用于工程機(jī)械、軍用裝甲車輛等模擬訓(xùn)練產(chǎn)品，以及產(chǎn)品演示驗(yàn)證、宣傳推廣等領(lǐng)域，具有極大的應(yīng)用價(jià)值。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及計(jì)算機(jī)仿真
，特別是一種。
技術(shù)介紹
履帶車輛，如坦克，履帶式挖掘機(jī)，履帶式推土機(jī)等設(shè)備可以在三維仿真系統(tǒng)中進(jìn)行基本動(dòng)作的重現(xiàn)，但是對(duì)于履帶車輛而言，車輛的起伏狀態(tài)是完全由當(dāng)前履帶所接觸到的地形所確定的，因此不能通過將履帶車輛當(dāng)成輪式車輛來進(jìn)行處理。履帶車輛行走系統(tǒng)是由履帶和若干負(fù)重輪組成，地形的起伏導(dǎo)致履帶和負(fù)重輪的上下高地不相同，進(jìn)而使得履帶車輛的起伏角度不同。在三維環(huán)境中，地面是由一些列的網(wǎng)格構(gòu)成，計(jì)算機(jī)通過點(diǎn)和點(diǎn)的索引來構(gòu)成三角面,進(jìn)而構(gòu)成了 一個(gè)整體的網(wǎng)格。對(duì)于大型的地面來說使用精細(xì)的地形來進(jìn)行物理的碰撞檢測(cè)是一種通用可行的方法。但是在實(shí)際使用過程中，因?yàn)橛布\(yùn)行效率的限制，均通過網(wǎng)格的三角面來進(jìn)行碰撞檢測(cè)，從而完成碰撞響應(yīng)的操作，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)整體的運(yùn)行效果下降。網(wǎng)格變化之后，所有的網(wǎng)格均需要重新計(jì)算才能再次進(jìn)行物理碰撞檢測(cè)操作。這種方法耗時(shí)較長(zhǎng)、對(duì)硬件要求較高，對(duì)于實(shí)時(shí)性較強(qiáng)的應(yīng)用來說是不能滿足的。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的是提供一種簡(jiǎn)單、高效的，以模擬履帶車輛在地形網(wǎng)格上的運(yùn)動(dòng)。實(shí)現(xiàn)本專利技術(shù)目的的技術(shù)解決方案為:一種，步驟如下:第I步，地形三維建模:通過三維造型軟件對(duì)三維地形進(jìn)行建模，設(shè)置地形網(wǎng)格之間的距離、以及地形材質(zhì)和顏色，同時(shí)為地形添加凸網(wǎng)格碰撞系統(tǒng)；第2步，履帶車輛三維建模:通過三維造型軟件對(duì)履帶車輛的履帶、車體的實(shí)際尺寸及形狀進(jìn)行建模，同時(shí)為履帶車輛整體添加立方體剛體碰撞器；第3步，履帶車輛簡(jiǎn)化方法:將履帶車輛上部形狀簡(jiǎn)化為一個(gè)BOX剛體對(duì)象，將履帶車輛的履帶簡(jiǎn)化為多個(gè)車輪；第4步，確定地形碰撞檢測(cè)點(diǎn):根據(jù)地形的三角面，確定履帶車輪與地形接觸點(diǎn)的碰撞;第5步，碰撞檢測(cè)點(diǎn)簡(jiǎn)化方法:采用六個(gè)碰撞檢測(cè)點(diǎn)確定履帶車輛上部BOX剛體平面的傾斜角；第6步，確定履帶車輛運(yùn)動(dòng)的位置、姿態(tài):根據(jù)履帶車輛的速度和時(shí)間確定履帶車輛的位移、航向角，根據(jù)第5步履帶車輛上部BOX剛體平面的傾斜角確定履帶車輛的俯仰角和滾轉(zhuǎn)角。本專利技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)是:(1)采用六球體簡(jiǎn)化履帶運(yùn)動(dòng)的仿真建模方法，解決了履帶車輛隨三維地形起伏運(yùn)動(dòng)的問題；(2)通過六球體高度變化建立履帶車輛上部?jī)A斜角的模型，解決了履帶車輛的姿態(tài)建模問題；(3)為履帶車輛模擬訓(xùn)練產(chǎn)品中的車輛運(yùn)動(dòng)仿真提供了簡(jiǎn)單、高效、逼真的仿真方法。【附圖說明】圖1是本專利技術(shù)地形網(wǎng)格的建模效果圖。圖2是本專利技術(shù)方法中履帶車輛上部剛體對(duì)象的簡(jiǎn)化示意圖，其中(a)為水平履帶車輛的簡(jiǎn)化，(b)為傾斜履帶車輛的簡(jiǎn)化。圖3是本專利技術(shù)方法中(a)四個(gè)檢測(cè)點(diǎn)和(b)六個(gè)檢測(cè)點(diǎn)包圍球的示意圖。圖4是本專利技術(shù)方法中履帶車輛前部設(shè)置采樣點(diǎn)的效果示意圖。圖5是本專利技術(shù)方法中履帶車輛中部設(shè)置采樣點(diǎn)的效果示意圖。圖6是本專利技術(shù)方法中履帶車輛后部設(shè)置采樣點(diǎn)的效果示意圖。圖7是本專利技術(shù)方法中通過六球體采樣點(diǎn)模擬履帶車輛滾轉(zhuǎn)角的示意圖。圖8是本專利技術(shù)方法中通過六球體采樣點(diǎn)模擬履帶車輛俯仰角的示意圖。【具體實(shí)施方式】下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例，對(duì)本專利技術(shù)作出進(jìn)一步詳細(xì)說明。結(jié)合附圖1?8，本專利技術(shù)的，包括以下步驟:第I步，地形三維建模:通過三維造型軟件例如3D Max對(duì)三維地形進(jìn)行建模，設(shè)置地形網(wǎng)格之間的距離、以及地形材質(zhì)和顏色，同時(shí)為地形添加凸網(wǎng)格碰撞系統(tǒng)，使地形能與履帶車輛進(jìn)行碰撞檢測(cè)，避免車輛由于重力原因而穿透地形；所述地形網(wǎng)格之間距離為50mm，網(wǎng)格過寬，容易造成仿真逼真度不夠；網(wǎng)格間距過小，則會(huì)增加仿真運(yùn)算量，從而降低仿真刷新頻率，地形網(wǎng)格的效果如圖1。第2步，履帶車輛三維建模:通過三維造型軟件3D Max對(duì)履帶車輛的履帶、車體(上部)的實(shí)際尺寸及形狀進(jìn)行建模，同時(shí)為履帶車輛整體添加立方體剛體碰撞器，從而使車輛能與地形進(jìn)行碰撞檢測(cè)。第3步，履帶車輛簡(jiǎn)化方法:將履帶車輛上部形狀簡(jiǎn)化為一個(gè)BOX剛體對(duì)象，將履帶車輛的履帶簡(jiǎn)化為多個(gè)車輪。所述履帶車輛簡(jiǎn)化方法，具體包括以下步驟:(3.1)履帶車輛上部形狀簡(jiǎn)化方法:履帶車輛的上部形狀不會(huì)影響到車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因此履帶車輛的上部形狀在三維空間中簡(jiǎn)化為一個(gè)BOX剛體對(duì)象，該BOX剛體對(duì)象使用預(yù)設(shè)值的包圍盒方式，包圍盒緊密包圍物體，履帶車輛上部剛體對(duì)象的簡(jiǎn)化效果如圖2所示。(3.2)履帶車輛的履帶簡(jiǎn)化方法:將車輛的每個(gè)履帶簡(jiǎn)化為多個(gè)車輪，車輪半徑均相等，每個(gè)履帶至少簡(jiǎn)化為3個(gè)車輪；(3.3)車輪的位置變化導(dǎo)致上部BOX剛體對(duì)象的位置發(fā)生相應(yīng)變化，因此上部BOX剛體對(duì)象表示整個(gè)履帶車輛的傾斜情況；(3.4)設(shè)置車輪和BOX剛體對(duì)象的接觸點(diǎn)，對(duì)于常規(guī)的車輛、汽車等輪式車輛，輪子和汽車接觸點(diǎn)只有4個(gè)，依據(jù)(3.2)，履帶車輛的接觸點(diǎn)至少為6個(gè)。第4步，確定地形碰撞檢測(cè)點(diǎn):根據(jù)地形的三角面，僅需要計(jì)算當(dāng)前車輪與地形接觸點(diǎn)的碰撞，并將此碰撞轉(zhuǎn)化為車輪的上下移動(dòng)即可，確定履帶車輪與地形接觸點(diǎn)的碰撞具體包括以下步驟:(4.1)將車輪的位置轉(zhuǎn)化到地形網(wǎng)格的局部坐標(biāo)系中，轉(zhuǎn)換公式為:MPi=Pi^M其中，Pi是第i個(gè)車輪的世界坐標(biāo)點(diǎn)，MPi是第i個(gè)車輛在地形網(wǎng)格的局部坐標(biāo)點(diǎn)，M是轉(zhuǎn)化矩陣；(4.2)根據(jù)地形網(wǎng)格局部坐標(biāo)系中車輪周邊網(wǎng)格點(diǎn)的高度位置，確定車輪的接觸點(diǎn)位置，公式為:Api= (pl+p2+…pn)/n其中，pi是車輪周邊網(wǎng)格點(diǎn)的坐標(biāo)值，滿足條件Ip1-MPi I <R，R是車輪的半徑值，表示在車輪半徑R范圍內(nèi)的所有點(diǎn)，Api為車輪半徑R范圍內(nèi)所有點(diǎn)的均值，即車輪接觸點(diǎn)的位置，Api的坐標(biāo)為(xO, yO, zO)；(4.3)根據(jù)車輪接觸點(diǎn)的坐標(biāo)，確定車輪與上部BOX剛體對(duì)象接觸點(diǎn)的坐標(biāo)為(xO, yO, zO+2R)。第5步，碰撞檢測(cè)點(diǎn)簡(jiǎn)化方法:采用六個(gè)碰撞檢測(cè)點(diǎn)確定履帶車輛上部BOX剛體平面的傾斜角；對(duì)于履帶車輛，履帶和車輛的碰撞點(diǎn)有很多個(gè)，對(duì)所有碰撞點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算將耗費(fèi)大量資源，因此需要對(duì)碰撞點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，對(duì)于一般輪式車輛使用4個(gè)碰撞點(diǎn)即可完成車輪與上部剛體運(yùn)動(dòng)的檢測(cè)實(shí)現(xiàn)，而為了更好的處理履帶車輛在凹凸起伏的路面的行進(jìn)狀態(tài)，可以加入更多的碰撞點(diǎn)，在此我們采用6個(gè)點(diǎn)的處理方式，如圖3所示，具體包括以下步驟:(5.1)將每側(cè)履帶簡(jiǎn)化為3個(gè)車輪，可以檢測(cè)到車體前部、中部、后部的起伏狀態(tài)，從而引起上部BOX剛體對(duì)象的傾斜角度變化，如圖4、圖5、圖6所示；(5.2)根據(jù)第4步獲取的每個(gè)車輪與上部BOX剛體接觸點(diǎn)的坐標(biāo)，從每側(cè)3個(gè)車輪接觸點(diǎn)中找出高度Z最大的兩個(gè)接觸點(diǎn)，再?gòu)倪@4個(gè)接觸點(diǎn)中找出高度Z最大的3個(gè)接觸占.(5.3)使用高度最大的 3 個(gè)接觸點(diǎn)坐標(biāo) A(xl, yl, zl)、B(x2, y2, z3)、C(x3, y3, z3)確定車體所在平面的法向量，方法如下:本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種履帶車輛六自由度仿真方法，其特征在于，步驟如下：第1步，地形三維建模：通過三維造型軟件對(duì)三維地形進(jìn)行建模，設(shè)置地形網(wǎng)格之間的距離、以及地形材質(zhì)和顏色，同時(shí)為地形添加凸網(wǎng)格碰撞系統(tǒng)；第2步，履帶車輛三維建模：通過三維造型軟件對(duì)履帶車輛的履帶、車體的實(shí)際尺寸及形狀進(jìn)行建模，同時(shí)為履帶車輛整體添加立方體剛體碰撞器；第3步，履帶車輛簡(jiǎn)化方法：將履帶車輛上部形狀簡(jiǎn)化為一個(gè)BOX剛體對(duì)象，將履帶車輛的履帶簡(jiǎn)化為多個(gè)車輪；第4步，確定地形碰撞檢測(cè)點(diǎn)：根據(jù)地形的三角面，確定履帶車輪與地形接觸點(diǎn)的碰撞；第5步，碰撞檢測(cè)點(diǎn)簡(jiǎn)化方法：采用六個(gè)碰撞檢測(cè)點(diǎn)確定履帶車輛上部BOX剛體平面的傾斜角；第6步，確定履帶車輛運(yùn)動(dòng)的位置、姿態(tài)：根據(jù)履帶車輛的速度和時(shí)間確定履帶車輛的位移、航向角，根據(jù)第5步履帶車輛上部BOX剛體平面的傾斜角確定履帶車輛的俯仰角和滾轉(zhuǎn)角。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種履帶車輛六自由度仿真方法，其特征在于，步驟如下: 第I步，地形三維建模:通過三維造型軟件對(duì)三維地形進(jìn)行建模，設(shè)置地形網(wǎng)格之間的距離、以及地形材質(zhì)和顏色，同時(shí)為地形添加凸網(wǎng)格碰撞系統(tǒng)； 第2步，履帶車輛三維建模:通過三維造型軟件對(duì)履帶車輛的履帶、車體的實(shí)際尺寸及形狀進(jìn)行建模，同時(shí)為履帶車輛整體添加立方體剛體碰撞器； 第3步，履帶車輛簡(jiǎn)化方法:將履帶車輛上部形狀簡(jiǎn)化為一個(gè)BOX剛體對(duì)象，將履帶車輛的履帶簡(jiǎn)化為多個(gè)車輪； 第4步，確定地形碰撞檢測(cè)點(diǎn):根據(jù)地形的三角面，確定履帶車輪與地形接觸點(diǎn)的碰撞; 第5步，碰撞檢測(cè)點(diǎn)簡(jiǎn)化方法:采用六個(gè)碰撞檢測(cè)點(diǎn)確定履帶車輛上部BOX剛體平面的傾斜角； 第6步，確定履帶車輛運(yùn)動(dòng)的位置、姿態(tài):根據(jù)履帶車輛的速度和時(shí)間確定履帶車輛的位移、航向角，根據(jù)第5步履帶車輛上部BOX剛體平面的傾斜角確定履帶車輛的俯仰角和滾轉(zhuǎn)角。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的履帶車輛六自由度仿真方法，其特征在于，第I步所述地形網(wǎng)格之間距離為50mm。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的履帶車輛六自由度仿真方法，其特征在于，第3步所述履帶車輛簡(jiǎn)化方法，具體包括以下步驟: (3.1)履帶車輛上部形狀簡(jiǎn)化方法:履帶車輛的上部形狀在三維空間中簡(jiǎn)化為一個(gè)BOX剛體對(duì)象，該BOX剛體對(duì)象使用預(yù)設(shè)值的包圍盒方式，包圍盒緊密包圍物體； (3.2)履帶車輛的履帶簡(jiǎn)化方法:將車輛的每個(gè)履帶簡(jiǎn)化為多個(gè)車輪，車輪半徑均相等，每個(gè)履帶至少簡(jiǎn)化為3個(gè)車輪； (3.3)車輪的位置變化導(dǎo)致上部BOX剛體對(duì)象的位置發(fā)生相應(yīng)變化，因此上部BOX剛體對(duì)象表示整個(gè)履帶車輛的傾斜情況； (3.4)設(shè)置車輪和BOX剛體對(duì)象的接觸點(diǎn)，依據(jù)(3.2)，履帶車輛的接觸點(diǎn)至少為六個(gè)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的履帶車輛六自由度仿真方法，其特征在于，第4步所述確定...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：翟永翠，韓海良，蔣充劍，楊治鐸，劉明皓，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一六研究所，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：