基于全彈道控制分析的水下航行器攻擊模型視景仿真*

葛立志

(昆明船舶設備研究試驗中心 昆明 650051)

?

基于全彈道控制分析的水下航行器攻擊模型視景仿真*

葛立志

(昆明船舶設備研究試驗中心 昆明 650051)

研究并建立高空滑翔水下航行器的虛擬現(xiàn)實的視景仿真系統(tǒng),分析水下航行器全彈道控制并在視景仿真平臺下實現(xiàn)水下航行器全彈道多狀態(tài)攻擊軌跡模型。高空滑翔水下航行器姿態(tài)變化快,背景參數(shù)復雜,視景仿真中會出現(xiàn)局部模型快速變化或者模型分離的難題。提出采用DOF和Switch節(jié)點相結合的方法,利用其Matlab Simulink仿真模型,計算高空滑翔水下航行器的六自由度數(shù)據(jù),通過Matlab的“To Workspace”模塊將六自由度數(shù)據(jù)輸出并存檔。在VC++6.0環(huán)境下編寫Vega應用程序,讀取運動參數(shù),應用LOD技術在不降低顯示速度的同時提高仿真視覺效果。仿真實驗和測試效果表明,系統(tǒng)實能實現(xiàn)水下航行器在空中滑翔、低空突防、滑翔翼脫離以及水下攻擊等多狀態(tài)的水下航行器運動彈道軌跡和視景仿真效果,以及運動控制參數(shù)的同步跟蹤,不再會因局部模型快速變化和模型分離而失真。為分析空投滑翔水下航行器的運動軌跡提供了數(shù)據(jù)支撐和視景平臺支持,對展開高空滑翔水下航行器的彈道控制研究和試驗具有重要價值。

滑翔水下航行器; 虛擬現(xiàn)實; 視景仿真; 全彈道

Class Number TJ630.1

1 引言

隨著潛射水下航行器的發(fā)展,高空滑翔水下航行器逐漸成為反潛和反艦攻擊的重要武器。高空遠程滑翔水下航行器的作戰(zhàn)流程可以分為:無動力滑翔、低空變軌突防、減速入水以及水下搜索攻擊。研究基于全彈道控制分析的水下航行器攻擊模型視景仿真系統(tǒng),全面、形象、直觀、生動地顯示滑翔水下航行器的形狀、航跡、姿態(tài)以及動態(tài)運動過程,在對該武器的系統(tǒng)設計和試驗測試具有重要指導意義。

三維視景仿真技術是近幾年隨著計算機技術與仿真理論的發(fā)展而產(chǎn)生的一門新興學科,可以有效地解決水下航行器攻擊模型視景仿真這一問題[1]。采用Multigen Creator3.2建模、Vega Prime2.2.1視景仿真平臺、Vc.net和Matlab7.0聯(lián)合編程等建立仿真系統(tǒng)的總體技術路線,充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢,將以上四者結合可以開發(fā)出功能強大的視景仿真系統(tǒng)。本文基于實際需求,使用Creator和Vega建立高空滑翔水下航行器的全彈道視景仿真系統(tǒng),選擇Visual C++6.0作為編程工具[2],應用LOD技術在不降低顯示速度的同時提高仿真視覺效果。高空滑翔水下航行器的視景仿真中會出現(xiàn)局部模型快速變化或者模型分離的問題[3]。針對這一問題,提出DOF和Switch節(jié)點相結合的方法,大幅減輕了編程和建模工作,實現(xiàn)了高空滑翔水下航行器的可視化仿真。系統(tǒng)開發(fā)理論聯(lián)系實際,密切結合工程應用,通過視景仿真實現(xiàn)高空滑翔水下航行器多種攻擊狀態(tài)階段的全彈道分析效果,為后續(xù)研究提供數(shù)據(jù)支持和平臺基礎。

2 基于Creator和Vega的視景仿真平臺的建立

高空滑翔水下航行器的仿真模型可以分為質量慣矩模塊、氣動參數(shù)模塊、大氣模塊、地球物理模型模塊、六自由度方程模塊。Matlab Simulink Air_Weapons_UUVes工具箱的使用,可以很方便地構建高空滑翔水下航行器數(shù)字仿真平臺,如圖1所示。使用該平臺對高空滑翔水下航行器的運動過程進行數(shù)字仿真,并將六自由度數(shù)據(jù)通過“To Workspace”模塊輸出并保存,為進一步的視景仿真提供數(shù)據(jù)[4]。

高空滑翔水下航行器的整體仿真環(huán)境包括入水前和入水后兩部分:入水前主要包括天空、海面環(huán)境、艦艇和艦載直升機等;入水后主要包括海水、海底環(huán)境等。仿真開始時,艦艇在海面巡航,一定時間后,艦載直升機起飛,將航空吊放聲納投放在可疑區(qū)域,通過聲納發(fā)現(xiàn)目標后,目標信息發(fā)送至機場。之后掛載高空滑翔水下航行器的反潛飛機進入攻擊位置并投放高空滑翔水下航行器,高空滑翔水下航行器一定時延后打開折疊翼進入滑翔段彈道。當高度降至適當位置時,突防火箭點火,進入低空突防彈道。突防結束后,通過爆炸螺栓將滑翔翼分離,減速火箭點火,高空滑翔水下航行器入水轉入水下彈道,直至完成攻擊任務[5～8]。為了最大可能地利用Matlab simulink的仿真成果,調用了DWK的模型庫。系統(tǒng)模型開發(fā)的主要內(nèi)容有:

1) 三維模型庫:涉及的模型有高空滑翔水下航行器、空投飛機、艦載直升機、機場、潛艇、艦艇等;

2) 海洋環(huán)境:海底、海面以及海水;

3) 特效:主要包括直升機起飛、入水、潛艇、航行尾跡、艦艇航行效果等。

仿真平臺建模過程示意圖如圖1所示。從圖1中可見,首先對水下航行器的外形數(shù)據(jù),進行CAD建模,相應的圖像經(jīng)過圖像處理技術進行加工,通過虛擬現(xiàn)實軟件Creator以及Vega對視景平臺進行開發(fā),然后進行水下航行器控制后置處理,實現(xiàn)高空滑翔水下航行器六自由度全彈道分析及視景仿真。

圖1 視景仿真和彈道分析平臺建模過程示意圖

3 滑翔水下航行器運動控制數(shù)學模型

采用六自由度全彈道分析方法研究高空滑翔水下航行器視景仿真效果,首先需要對滑翔水下航行器運動控制模型進行數(shù)學建模。

本文主要用到以下幾個坐標系:速度坐標系Ox3y3z3、體坐標系Ox1y1z1、彈道坐標系Ox2y2z2、地面坐標系Axyz。假定滑翔水下航行器的縱向運動是對稱的,而且在縱向運動時,水下航行器滑翔中的傾斜操縱機構和偏航操縱機構沒有動作,也就是說舵面沒有做出破壞縱向運動對稱性的偏轉?；蛘哒f,雖然出現(xiàn)了橫滾等運動,但是能夠在很短的時間內(nèi)消除,從而沒有來得及影響縱向運動。這時就可以單獨得到滑翔水下航行器的動力學模型方程組為

(1)

(2)

式中,m為水下航行器質量;P為動量矩;θ為彈道傾角,速度矢量(Ox2軸)與水平面間的夾角;α為攻角,水下航行器質心的速度矢量(Ox3軸)在水下航行器縱向對稱面Ox1y1上的投影與Ox1軸之間的夾角,若Ox1軸位于速度矢量的投影線的上方時α為正,反之為負。X,Y,Z表示作用在高空滑翔水下航行器的總空氣動力沿速度坐標系分解得到的阻力、升力、側向力。

通過計算滑翔水下航行器橫滾力矩、偏航力矩和俯仰力矩以及之間的關系,可列出高空滑翔水下航行器的相對運動方程為

(3)

(4)

(5)

(6)

其中,Mx、My、Mz為分別橫滾力矩、偏航力矩和俯仰力矩;Jx、Jy、Jz分分別表示水下航行器繞體坐標系各軸的轉動慣量。

通過計算水下航行器的質心位置與水下航行器彈道側滑角、俯仰舵偏角、彈道傾角的關系,可得得到高空滑翔水下航行器運動學模型表達為

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

其中,x,y,z為質心位置;ψV為俯仰舵偏角;θ為彈道傾角,?為俯仰角,水下航行器的縱軸(Ox1軸)與水平面(Oxy平面)間的夾角;γ為橫滾舵角,又稱差動舵角。

另外,水下航行器運動方程中角度關系表示為

sinβ=cosθ[cosγsin(ψ-ψV)+sin?sinγcos(ψ-ψV)]-sinθcos?sinγ

(13)

sinα={cosθ[sin?cosγcos(ψ-ψV)-sinγsin(ψ-ψV)]-sinθcos?cosγ}/cosβ

(14)

α=?-θ

(15)

ψV=f(e1)

(16)

其中,α為攻角,水下航行器質心的速度矢量(Ox3軸)在水下航行器縱向對稱面Ox1y1上的投影與Ox1軸之間的夾角;β為水下航行器的側滑角;e1為控制系統(tǒng)誤差。

綜上可得高空滑翔水下航行器的縱向運動方程是一組由非線性微分方程組成的動力系統(tǒng)。根據(jù)上述控制理論和動力學模型,以某型實驗水下航行器與研究載體,計算該型高空滑翔水下航行器六自由度全彈道數(shù)據(jù),作為后續(xù)的視景仿真平臺的狀態(tài)參量輸入數(shù)據(jù),為后置處理所用。

4 平臺開發(fā)及關鍵技術

4.1 LOD技術的應用

高空滑翔水下航行器視景仿真實現(xiàn)中,當需要具體表現(xiàn)某個模型時,需要將仿真的視覺注意力集中在這個模型上面,如高空滑翔水下航行器在滑翔的時候,觀察者關注的只是滑翔和空中的細節(jié),對于機場及海面等其它模型并不需要表現(xiàn)出它的細微特征。因此需要在仿真時用到LOD技術,LOD技術可以在不降低顯示速度的同時提高仿真視覺效果,降低計算機資源的占有率[9～11]。

LOD即層次細節(jié)技術,其根據(jù)模型節(jié)點在環(huán)境中所處的位置和重要度,決定物體渲染的資源分配,降低非重要物體的面數(shù)和細節(jié)度,從而獲得高效的渲染。因此,LOD技術是控制場景復雜度的一種有效的方法[3]。LOD技術包含靜態(tài)LOD技術和動態(tài)LOD技術。靜態(tài)LOD技術事先為源目標建立一組不同的LOD的模型,在顯示時提供調用;動態(tài)LOD技術是需要根據(jù)顯示條件實時構建不同LOD的模型,以達到提高顯示效率的目的。第一種模型由于占用內(nèi)存大,模型過渡不流暢,因此常應用于動態(tài)模型和復雜的靜態(tài)實體模型;第二種模型則較多地應用于大形地形數(shù)據(jù)庫。

本系統(tǒng)采用靜態(tài)LOD技術生成一般模型,之后設置每個節(jié)點的轉入(Switch-in)和轉出(Switch-out)參數(shù)。再使用Morph方法平滑相鄰的LOD模型,使其過渡更為自然;采用Creator的CTS(Creator Terrain Studio)工具生成機場的多層次細節(jié)信息。生成的視景仿真平臺包括滑翔水下航行器模型,攜帶空投滑翔水下航行器的戰(zhàn)機模型以及直升機模型、和滑翔水下航行器攻擊目標艦船模型,四類主要的武器模型庫仿真圖如圖2所示。

圖2 仿真平臺構建的四類主要武器模型

4.2 代碼開發(fā)

基于Vega Prime的視景仿真分為LynX Prime圖形界面的設計和視景仿真程序設計。基本場景的搭建、模型初始位置的設置、仿真環(huán)境的配置以及常用的特效設置都可以通過LynX Prime圖形界面設計完成。LP是一個編輯器,用于增加不同種類的模型,為模型定義參數(shù)。這些參數(shù)都存貯于應用配置文件(ACF)中的一個模型結構內(nèi),例如觀察者的位置,模型及它們在場景中的位置,在場景中的移動,光線,環(huán)境效果,及目標硬件平臺。ACF文件包含了VP在初始化和運行時所需的信息,使用它可以大大減輕開發(fā)者的工作量。

部分幀循環(huán)代碼如下:

while ( beginFrame() != 0 )

{

m_dSimTime = kernel->getSimulationTime();

dtime = m_dSimTime - m_dSimStartTime;

if( dtime - dplodetime > 2 )

{

onKeyInput( vrWindow::KEY_ESCAPE ,0 );

goto L_endframe;

}

……

if( dtime > 30 ) //艦艇

{

warship->Stop();//艦艇停

warship->Turnoff();//直升機起飛

}

else

warship->Run( dtime );//艦艇開

……

//聲納

sn->Suspend();//直升機到達位置且聲納沒有完成工作,放聲納

else

sn->FollowHeli( warship->m_pHelicopter ); //直升機沒有到達位置或聲納沒有工作,聲納隨直升機

if( sn->m_bIsSearchFinish )//聲納工作完成

{

//返回目標值

……

//戰(zhàn)斗機起飛

plant->TrunOff( m_dSimTime - m_dPlantTurnOffTime );

……

if( plant->m_bIsTrunOff )

{

plant->Fly( m_dSimTime - m_dPlantFlyTime ); //戰(zhàn)斗機飛往發(fā)射點

warship->Reset();

}

if( !plant->b_IsReachTarget )//到達目標點

{……//投放

UUV->Send();

}

if( UUV->m_bUnderWater )//潛艇開始規(guī)避

sub->Update(m_dSimTime-m_dSearchTime );

L_endframe:

endFrame();

高空滑翔水下航行器的整個仿真過程由視景仿真程序完成。仿真程序首先對視景仿真系統(tǒng)進行配置,這一過程通過調用acf.文件來實現(xiàn)。然后再調用Vega Prime提供的API函數(shù)驅動模型完成仿真任務。動態(tài)仿真通過Vega仿真應用程序來實現(xiàn)。通過編寫程序,還可以實現(xiàn)觀察模式,利用鍵盤操作實現(xiàn)觀察角度的隨意變化,從而達到人機交互的目的。

5 仿真實現(xiàn)與結果分析

根據(jù)某型水下航行器的總體參數(shù)和滑翔水下航行器運動控制數(shù)學模型,計算控制參數(shù),得到彈道分析的前置處理原始數(shù)據(jù),在本系統(tǒng)構建的視景仿真系統(tǒng)上進行高空滑翔水下航行器的彈道模擬控制和彈道分析的仿真實驗。實驗中,設定高空滑翔水下航行器的投放高度為6000m,初始速度為速度280m/s?；瓒喂潭ǜ┭鼋菫?2°,到達近海面時突防高度為50m。通過本系統(tǒng)構建的仿真平臺,得到空投滑翔水下航行器的全彈道運行視景效果圖如圖3所示。圖3顯示了仿真實現(xiàn)的水下航行器在空中滑翔、低空突防、滑翔翼脫離以及進入水下攻擊等四個階段的水下航行器運動彈道軌跡和視景實現(xiàn),具有生動效果,符合現(xiàn)實實際,對展開后續(xù)科研及理論分析和模擬實驗都具有重要意義和使用價值。水下航行器在攻擊過程中的空間坐標全彈道曲線如圖4所示。圖4分別體現(xiàn)了水下航行器在滑翔段、低空突防段以及減速段的運行曲線坐標方位圖,為分析空投滑翔水下航行器的運動軌跡提供了數(shù)據(jù)支撐。圖5展示了滑翔水下航行器在空中運行過程中全彈道俯仰角曲線。所有彈道運行參數(shù),都會在視景仿真平臺中同步跟蹤顯示,研究成果為研究空投滑翔水下航行器的運行控制軌跡和彈道分析,展開科研實驗具有重要價值。

圖3 水下航行器全彈道運行視景仿真效果

圖4 攻擊全彈道曲線

圖5 空中全彈道俯仰角

6 結語

本文利用Matlab Simulink設計高空滑翔水下航行器的數(shù)字仿真系統(tǒng),得到了基于全彈道控制分析的水下航行器攻擊模型視景仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠展示高空滑翔水下航行器所需的場景,包含了系統(tǒng)設計部分的各個方面,并具有較強的真實感。彈道分析實驗仿真效果表明,本文所建立的視景仿真系統(tǒng)解決了高空滑翔水下航行器視景仿真系統(tǒng)中的關鍵問題,實現(xiàn)了所需的特定功能,在保證實時性要求的前提下達到預期的視覺效果。通過仿真實現(xiàn)了水下航行器在空中滑翔、低空突防、滑翔翼脫離以及進入水下攻擊等階段的水下航行器運動彈道軌跡和視景仿真效果,視景效果與運動參數(shù)具有同步跟蹤功能,不會再因局部模型快速變化和模型分離而失真,保證了實時性和有效性,平臺搭建和系統(tǒng)的構建對展開后續(xù)空投水下航行器的科研模擬試驗和理論分析都具有重要意義和工程應用價值。

[1] 王乘,李利軍,周均清,等.Vega實時三維視景仿真技術[M].武漢:華中科技大學出版社,2005.

[2] 張礴,呂赟.基于DSP的水下航行器舵機控制系統(tǒng)設計[J].科學技術與工程,2011,11(14):3225-3228.

[3] 胡光波,周勇.基于Vega Prime的艦船尾流視景仿真研究[J].艦船電子工程,2010,30(6):91-94.

[4] 潘光,吳文輝,毛昭勇,等.高空遠程滑翔全彈道仿真關鍵技術[J].水下航行器技術,2009,17(4):10-15.

[5] 耿維忠,謝步瀛,胡笳,等.基于Creator和Vega的視景仿真系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[J].東華大學學報(自然科學版),2010,36(4):356-359.

[6] 劉昊晨,梁紅.線性調頻信號參數(shù)估計和仿真研究[J].計算機仿真,2011,10(14):157-159.

[7] 張儀,陳迎春,曹海軍.基于Vega的彈道視景仿真軟件設計[J].艦船電子工程,2011,31(8):109-112.

[8] 錢康,王愛民.基于Vega的艦載捷聯(lián)慣導虛擬平臺的航跡仿真[J].計算機測量與控制,2012,20(2):424-427.

[9] 王瑞,馬艷.基于分數(shù)階傅里葉變換的線性調頻脈沖信號波達方向估計[J].兵工學報,2014,35(3):421-427.

[10] 嚴昊平,徐友根,王亞昕,等.基于OpenGL的飛機航跡動態(tài)仿真[J].計算機與數(shù)字工程,2014,42(2):304-307.

[11] Alfaro V M, Vilanovab R. Robust tuning of 2DoF five-parameter PID controllers for inverse response controlled processes[J]. Journal of Process Control,2013,23(4):453-462.

Visual Simulation of UUV Attack Model Based on Whole Trajectory Control Analysis

GE Lizhi

(Kunming Shipborne Equipment Research and Test Center, Kunming 650051)

The visual simulation system of the high altitude gliding underwater vehicle(UUV) was researched and established accurately. The whole trajectory control was analyzed, and multimode attacking trajectory was realized in the simulation platform. Because the attitude angle of the gliding UUV changed quickly, and the background parameters were complicated, and the problem of rapid change part and separation of the model always existed. The method with combined using DOF and Switch node was proposed. The Matlab Simulink model was used to calculate the 6 DOF data and save the data through the "To Workspace" module. Then Vega application program was written by VC++ 6.0, with reading the motion parameters and using LOD technology which couldn’t reduce the display speed, the simulation visual effect was also improved. Simulation results showed that the system can simulate the whole trajectory and visual effect of UUV in multiple modes such as gliding in the air, low altitude penetration and underwater attack etc, and the control parameters can be updated synchronously. The visual simulation could never be distorted because of rapid change and separation. It had important value for further research and experiment of altitude gliding UUV.

gliding UUV, virtual reality, visual simulation, whole trajectory

2014年9月2日,

2014年10月30日

葛立志,男,碩士研究生,研究方向:水下航行體控制與試驗。

TJ630.1

10.3969/j.issn1672-9730.2015.03.038