兩棲車輛實(shí)時控制水陸性能虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)

劇冬梅，項(xiàng)昌樂，李軍，孫旭光，劉靜

(1.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京100081;2.中國兵器科學(xué)研究院，北京100089)

0 引言

虛擬試驗(yàn)是指在計算機(jī)上通過對試驗(yàn)環(huán)境、試驗(yàn)車輛、試驗(yàn)方法進(jìn)行數(shù)字化集成，在虛擬環(huán)境下完成初步試驗(yàn)的手段，可以大幅度縮減研制周期和費(fèi)用。目前，國外武器研制的虛擬試驗(yàn)技術(shù)已經(jīng)到了實(shí)用化程度，我國雖然在高校和研究機(jī)構(gòu)建立了一些虛擬仿真系統(tǒng)，但是還沒有對兩棲車輛進(jìn)行系統(tǒng)全工況分析的虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)。

區(qū)別于傳統(tǒng)車輛，兩棲車輛有水上、陸上、水陸過渡3 種工況。主流的仿真計算主要有兩種:一是利用多體動力學(xué)軟件平臺進(jìn)行陸上仿真;二是利用計算流體力學(xué)(CFD)軟件進(jìn)行水上性能仿真［1］。都是針對單一工況進(jìn)行計算，無法滿足虛擬試驗(yàn)多工況兼顧、高實(shí)時性、可操控性的要求。

本文基于粒子流體系統(tǒng)與多體動力學(xué)耦合建模，利用同步的視景系統(tǒng)作為操控界面，建立了兩棲車輛實(shí)時控制水陸性能虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)，包含水陸試驗(yàn)場數(shù)字化模型、兩棲車輛動力學(xué)模型、逼真高效視景模型和實(shí)時同步的操控系統(tǒng)，能夠完成兩棲車輛水、陸、過渡3 種工況的機(jī)動性、平順性、通過性、水上穩(wěn)定性、航姿航態(tài)測定等大部分試驗(yàn)測試，為兩棲車輛的設(shè)計與研制提供了全新的手段。

1 系統(tǒng)框架、計算流程及硬件條件

1.1 系統(tǒng)框架

圖1 虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)模型框架Fig.1 Modeling framework of virtual test system

本文所建立的虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)基于Vortex 軟件構(gòu)建動力學(xué)模型、利用Creator 軟件構(gòu)建視景模型、以半實(shí)物裝置(方向盤、油門、制動踏板等)接入虛擬系統(tǒng)完成操控。其中車體動力學(xué)建模部分基于傳統(tǒng)多體動力學(xué)理論建模;水上試驗(yàn)場采用約束光滑粒子流場理論建模;地形視景采用高程數(shù)據(jù)進(jìn)行逼真紋理貼圖，對于有碰撞屬性不同、材料不同的地表形態(tài)設(shè)置獨(dú)立節(jié)點(diǎn)以便于程序里設(shè)置不同參數(shù)，例如水泥路、砂石路、特種路面、樹、房屋等;車輛視景在CAD 模型基礎(chǔ)上加上實(shí)車照片達(dá)到高逼真度，具有相對運(yùn)動的部件設(shè)置獨(dú)立節(jié)點(diǎn)以便于試驗(yàn)過程中對其進(jìn)行獨(dú)立操控;半實(shí)物仿真裝置通過USB 口連接，通過動力學(xué)軟件里的專用模塊進(jìn)行驅(qū)動及信息傳輸?？傮w的模型架構(gòu)及模塊之間的關(guān)系如圖1 所示。

1.2 計算流程

進(jìn)行虛擬試驗(yàn)計算時，通過車輛的加速、減速、轉(zhuǎn)向、制動、換檔等操作按鈕(或手柄)及可控部件的操控完成試驗(yàn)項(xiàng)目。其中，可控部件包括炮塔、槍塔、可收放懸掛、滑板、翼面、舵面等。系統(tǒng)的特點(diǎn)是突出實(shí)時性，計算過程中運(yùn)動狀態(tài)與實(shí)車相仿，試驗(yàn)的操作過程和試驗(yàn)方法與實(shí)車試驗(yàn)相同，可參考GJB 59.64—2000“裝甲車輛試驗(yàn)規(guī)程 水上性能試驗(yàn)”和GJB 59.71—2004“裝甲車輛試驗(yàn)規(guī)程兩棲裝甲車輛水上射擊試驗(yàn)”等標(biāo)準(zhǔn)，此處不做贅述。在該系統(tǒng)里可完成的試驗(yàn)項(xiàng)目及虛擬試驗(yàn)流程如圖2 所示。

圖2 虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)的試驗(yàn)流程及試驗(yàn)項(xiàng)目Fig.2 The test process and items of virtual test system

1.3 硬件條件

系統(tǒng)對硬件的要求取決于視景模型、陸面模型和水上模型的顆粒度和復(fù)雜程度。視景模型和陸面模型越復(fù)雜、模型面數(shù)越多，水上模型計算域越廣泛則計算量越大。

本文所建系統(tǒng)陸面模型總面數(shù)為5.6 萬，車輛模型總面數(shù)為1 256，計算水域?yàn)?00 m×50 m，所用計算機(jī)為HPz800 圖形工作站，運(yùn)行流暢，僅供參考。

2 模塊功能及建模方法

2.1 車輛動力學(xué)模塊功能及建模方法

該模塊包含動力傳動、車體、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、行動系統(tǒng)、炮塔、槍塔、可控運(yùn)動部件等子模塊，是車輛的數(shù)字化模型，實(shí)現(xiàn)對車輛性能的仿真。

動力學(xué)建模采用多體系統(tǒng)動力學(xué)方法，建立幾何模型和動力學(xué)模型，經(jīng)過對模型的數(shù)值求解，最后得到分析結(jié)果，其流程如圖3 所示。

圖3 多體系統(tǒng)動力學(xué)建模流程Fig.3 The modeling process of multi-body dynamics

對車輛各主要部件進(jìn)行數(shù)學(xué)模型建模，主要的模型參數(shù)為:

1)車體。設(shè)置車體形狀、重心、質(zhì)量等參數(shù)。

2)動力傳動模塊。包含發(fā)動機(jī)、傳動系統(tǒng)、水上推進(jìn)三部分。其中:發(fā)動機(jī)用萬有特性描述，這樣做可以減小計算量，保證實(shí)時性;傳動系統(tǒng)設(shè)置傳動比序列、軸的轉(zhuǎn)動慣量、輸入輸出變量、換擋策略等;水上推進(jìn)系統(tǒng)通過發(fā)動機(jī)輸出的動力按照推進(jìn)效率、推力方向來計算得出水上推進(jìn)力。

3)行動系統(tǒng)。設(shè)置車輪數(shù)量、車輪質(zhì)量、車輪直徑、車輪位置、車輪材料接觸屬性、懸掛的剛度、懸架阻尼、懸架限位等。

4)車輛運(yùn)動件設(shè)置。如炮塔、槍塔、探測裝置等與車體有相對運(yùn)動的部件，需要設(shè)置運(yùn)動件與車體的連接關(guān)系、約束類型、運(yùn)動自由度、位移限制等。

2.2 視景模塊功能及建模方法

視景模塊的功能是將系統(tǒng)的計算結(jié)果真實(shí)、高效、實(shí)時地顯示出來，以便于虛擬試驗(yàn)過程中對模型進(jìn)行操控。

本文設(shè)計的視景系統(tǒng)基于OSG 的三維引擎，可以將視景模型調(diào)入動力學(xué)軟件運(yùn)行程序里，OSG 引擎導(dǎo)入模型，設(shè)置初始視點(diǎn)，并依據(jù)動力學(xué)軟件解算的信息處理數(shù)據(jù)和指令，根據(jù)處理結(jié)果實(shí)時繪制更新場景，進(jìn)行可視化仿真;同時OSG 引擎將視景模型各節(jié)點(diǎn)位置信息實(shí)時傳回解算程序，做到人機(jī)交互，完成虛擬試驗(yàn)指令［2-3］。

2.3 陸面模塊功能及建模方法

2.3.1 陸面模塊功能

陸面模塊包含路面高程、材料、碰撞屬性等，是陸上試驗(yàn)場的數(shù)字化模型，為虛擬試驗(yàn)提供陸上試驗(yàn)環(huán)境。

2.3.2 陸面模塊建模方法

陸上試驗(yàn)場的建模時首先導(dǎo)入* . dem 高程數(shù)據(jù)文件，根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)場地進(jìn)行調(diào)整，加入樹、房屋、出入口等地形地貌特征，利用實(shí)拍照片對其進(jìn)行紋理貼圖，并在模型中加入路面碰撞屬性，如材料、摩擦系數(shù)、摩擦形式等，模型如圖4、圖5 所示。

圖4 陸面試驗(yàn)場模型結(jié)構(gòu)Fig.4 The structure of virtual on-land test site

圖5 陸面試驗(yàn)場模型Fig.5 The model of virtual on-land test site

2.4 水面模塊功能及建模方法

2.4.1 水面模塊功能

水面模塊包含水面波形、水體密度、粒子碰撞屬性等，是水上試驗(yàn)場的數(shù)字化模型，為虛擬試驗(yàn)提供水上試驗(yàn)環(huán)境，采用粒子流場與剛體碰撞的理論進(jìn)行建模。

2.4.2 水面模塊建模方法

首先要設(shè)置液體屬性，包括密度、浮力方向、形狀、水體顏色、原始位置，其次要在程序里設(shè)置水體運(yùn)動函數(shù)(包含波高、周期等參數(shù))、實(shí)時更新函數(shù)等。其中水體運(yùn)動函數(shù)可以采用波浪普數(shù)據(jù)，因數(shù)據(jù)難于獲取，本文采用數(shù)學(xué)函數(shù)代替，并根據(jù)海況標(biāo)準(zhǔn)對波高、周期進(jìn)行設(shè)置，海況特性如表1 所示［4］。

表1 海況標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 The sea state standard

2.5 水陸過渡模塊功能

2.5.1 水陸過渡模塊功能

水陸過渡模塊主要用來實(shí)現(xiàn)兩棲車輛入水、出水狀態(tài)轉(zhuǎn)換這個復(fù)雜的過程，是系統(tǒng)建模的重點(diǎn)，此模塊的準(zhǔn)確度直接關(guān)系到仿真計算的精度。

2.5.2 水陸過渡模塊建模方法

水陸過渡模塊只需要對水面、陸面、兩棲車輛三部分進(jìn)行動力學(xué)建模和耦合，視景部分利用陸面模塊和水面模塊的疊加顯示即可。

動力學(xué)建模過程中涉及到流體、剛性陸面、剛性車體三者的耦合計算。本系統(tǒng)的解決方法是把流體離散成一個粒子集合，每個粒子的質(zhì)量集中在質(zhì)心并且不可壓縮，粒子與粒子之間不存在摩擦力，只有根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的碰撞定律解算出的相互作用力［5］，從計算原理上把流-固耦合問題轉(zhuǎn)化為多個剛體的動力學(xué)碰撞問題。該模塊的關(guān)鍵是粒子系統(tǒng)的建模，方法如下:

1)粒子的運(yùn)動描述

系統(tǒng)中粒子i 的位置為pi(t)，mi為粒子質(zhì)量，其速度為動量為Li(t)=mivi(t)，加速度為受到的作用力為Fi(t)=則粒子動力學(xué)狀態(tài)為

2)粒子的力

粒子系統(tǒng)存在5 種受力。

一為全局受力F1，這類力的作用點(diǎn)在質(zhì)心處，比如重力等。計算公式為F1=miai.

二為粘性力F2，計算公式為F2= -kvvi，其中kv為粘性力系數(shù)。

三為彈簧阻尼力F3，在這種力的作用下，粒子與粒子之間像存在一個彈簧和一個阻尼一樣，力的大小取決于距離，計算公式為

式中:r0為“彈簧”無受力時兩粒子的距離;r1、r2分別為兩個粒子的位置;ks為彈性系數(shù);kd為阻尼系數(shù);v1、v2分別為兩個粒子的速度。

四為有約束的空間力F4，計算公式為

式中:Fc為作用點(diǎn)所受的外力;ri為相對距離;R 為空間力起作用半徑。

五為無約束的空間力F5，粒子之間的作用取決于兩個粒子之間的距離，計算公式為

式中:m1、m2分別為兩個粒子的質(zhì)量;G 為萬有引力常數(shù)。

本文所述系統(tǒng)只考慮前兩種受力，包含重力、推力和粘性力。其中推力為兩棲車噴水推進(jìn)器所產(chǎn)生的作用力，由動力傳動模塊計算輸出;粘性力表征流體的流動特性，根據(jù)水體屬性和運(yùn)動狀態(tài)選取經(jīng)驗(yàn)公式。

3)碰撞反應(yīng)

粒子與剛體之間的碰撞反應(yīng)過程如圖6 所示。圖6 第一幅圖為粒子與剛體碰撞時間點(diǎn)tk前的狀態(tài);圖6 第二幅圖為粒子與剛體碰撞結(jié)束;所有粒子對剛體碰撞產(chǎn)生的力疊加等效為作用在質(zhì)心的凈力Fp和凈轉(zhuǎn)矩Tp，如圖6 第三幅圖所示;剛體對Fp和Tp作用做出反應(yīng)，在計算步長h 后到達(dá)新的位置。

碰撞過程速度與力按下式［5］計算:

式中:n 為粒子數(shù)量;mi為粒子質(zhì)量;vi為粒子速度;m 為剛體質(zhì)量;v 為剛體速度。

2.6 虛擬試驗(yàn)方法

虛擬試驗(yàn)過程中，通過事件定制模塊(Event subscribers)利用鍵盤、操控手柄或其他操控設(shè)備實(shí)現(xiàn)對虛擬車輛的操縱控制，完成試驗(yàn)流程，輸出試驗(yàn)數(shù)據(jù)。事件定制模塊根據(jù)車輛屬性和試驗(yàn)要求設(shè)置事件觸發(fā)條件、操控鍵、動作步長、控制參數(shù)等［6-8］。例如，對于對兩棲車輛的噴水推進(jìn)器進(jìn)行加速(w)、減速(s)、左轉(zhuǎn)向(a)、右轉(zhuǎn)向(f)的控制代碼為:

圖6 粒子與剛體之間的碰撞反應(yīng)過程Fig.6 The collision reaction process of particle and rigid body

3 計算實(shí)例

圖7 某高速兩棲履帶車輛陸上平順性虛擬試驗(yàn)Fig.7 The virtual ride comfort test of a high-speed amphibious tank

3.1 仿真模型

以某高速兩棲履帶車輛為例，該車戰(zhàn)斗全質(zhì)量28 t，陸上最高速度為70 km/h，水上最高航速達(dá)30 km/h，陸面環(huán)境采用某裝甲兵試驗(yàn)場1∶1建模，水面環(huán)境為2 級海況的正弦波浪，其陸上、水上仿真狀態(tài)如圖7、圖8 所示。

3.2 仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

通過與實(shí)車試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比可以發(fā)現(xiàn)，該仿真方法的計算誤差在15%以內(nèi)，具有一定的準(zhǔn)確度。部分對比數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比Tab.2 The comparison of simulation and experimental data

4 結(jié)論

本文采用光滑粒子系統(tǒng)理論，通過建立粒子水域模擬水上試驗(yàn)場、虛擬地形模擬陸上試驗(yàn)場、動力學(xué)模型模擬實(shí)車狀態(tài)、半實(shí)物操控程序完成試驗(yàn)車輛的操控，構(gòu)建了一個高實(shí)時性的兩棲車輛虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)，能夠完成兩棲車輛絕大部分試驗(yàn)項(xiàng)目，通過仿真數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比、仿真姿態(tài)和試驗(yàn)姿態(tài)對比，具有較高的可信度。

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