運輸機裝載規(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)機電工程學(xué)院，太原030051）

運輸機裝載規(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)機電工程學(xué)院，太原030051）

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

運輸機裝載規(guī)劃，視景仿真，重心，Unity3D

0 引言

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

視景仿真技術(shù)是現(xiàn)在較為成熟的一項計算機技術(shù)，它綜合了傳統(tǒng)的計算機圖形學(xué)和代碼編程學(xué)，實現(xiàn)人與虛擬環(huán)境的交互，給予操作者較為真實的體驗［2］。通過建立數(shù)學(xué)模型，可實現(xiàn)真實場景的模擬，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)的運輸機裝載規(guī)劃技術(shù)，首先將運輸機裝載規(guī)劃過程進行簡化，然后編寫裝載規(guī)劃程序，最終實現(xiàn)運輸機整個裝載過程的三維實時顯示。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)功能

建立裝備三維模型，對裝備的尺寸、質(zhì)量、質(zhì)心位置、系留點位置等參數(shù)進行定義，結(jié)合裝備真實的運動特性，賦予裝備相應(yīng)性能。裝載過程中，三維實時顯示裝備裝載過程和運輸機質(zhì)心位置的變化。

1.2 系統(tǒng)組成

運輸機裝載規(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。運輸機裝載規(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)心計算函數(shù)

裝備在運輸機貨艙內(nèi)進行運動時會導(dǎo)致運輸機質(zhì)心的偏移，該過程產(chǎn)生的質(zhì)心變化會對運輸機的飛行穩(wěn)定性產(chǎn)生很大影響［4］。根據(jù)兩質(zhì)點系質(zhì)心計算公式推導(dǎo)，世界坐標(biāo)系下空間任意兩質(zhì)點系質(zhì)心公式：

設(shè)點X0（X0，Y0，Z0）質(zhì)量為M0，點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)點系質(zhì)心位置，該式可推廣到多質(zhì)點系質(zhì)心公式的推導(dǎo)。同時由于裝載過程中整個系統(tǒng)動量守恒［5］，故裝備質(zhì)量為M1的裝備，運動位移為L時，質(zhì)量為M0的運輸機運動位移L'為：

設(shè)運輸機質(zhì)量為140 T［6］，則裝載不同裝備時運輸機質(zhì)心水平運動位移匯總表如表1所示（忽略運輸機加載后運輸機質(zhì)心垂直方向的位移）。

表1運輸機裝載不同裝備時運輸機質(zhì)心水平運動位移

綜上所述，裝載過程后，修正后的運輸機質(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，裝備運動姿態(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行實現(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

以及在小角度時的近似關(guān)系式

綜上所述，用程序進行裝備姿態(tài)轉(zhuǎn)換函數(shù)的編寫，即可實現(xiàn)裝備運動過程中的姿態(tài)調(diào)整。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

運輸機裝載、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)與實際參數(shù)相符，因此，需對相關(guān)參數(shù)進行簡化計算，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)及對應(yīng)變量匯總表如表2所示。

表2 典型裝備參數(shù)及其對應(yīng)變量匯總表

3.1 裝載過程的實現(xiàn)

裝載過程除需要裝備參數(shù)外，還需要運輸機相關(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)記點不同距離下的輸出扭矩，使得裝備運動速度發(fā)生改變，最終實現(xiàn)整個裝備的裝載過程。裝載過程流程圖如圖3所示。

3.2 觸發(fā)系留動作的實現(xiàn)

裝載過程中，機構(gòu)動作主要是通過調(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），但是實際運行中發(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，改用多個盒觸發(fā)器（Box Collider），這樣不僅運行可靠，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)比用時間控制程序更為可靠，同時還可使得裝載過程中裝備的運動狀態(tài)更加真實。

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

3.3 相機程序控制

裝載過程中，需在多個位置添加觀察視角。其中，裝備跟蹤相機需跟隨裝備運動，由于裝備在裝載過程中會發(fā)生晃動，為了達(dá)到較為合理的視覺效果，因此，需要對相機跟隨裝備的運動過程進行程序控制。相機程序定義變量匯總表如表4所示。

表4 定義變量及其對應(yīng)名稱匯總表

其中currentRotationAngle與wantedRotationAngle之間用LerpAngle函數(shù)進行差值，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實現(xiàn)currenHeight與currentRotation的關(guān)聯(lián)。

通過對相機進行程序設(shè)定，可使得相機跟隨目標(biāo)時更為平穩(wěn)，符合真實視覺效果。

3.4 仿真系統(tǒng)實現(xiàn)與優(yōu)化

運輸機裝載規(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。

運輸機裝載規(guī)劃視景仿真系統(tǒng)在運行過程中，由于參數(shù)設(shè)定不合理會導(dǎo)致整個仿真過程卡頓，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算機內(nèi)存導(dǎo)致。

裝備1：1三維模型的制作是一個工作量較大，且需不斷優(yōu)化的過程，由于仿真系統(tǒng)需在真實和虛擬中達(dá)到一個均衡，因此，需要對裝備模型的多邊形面數(shù)進行優(yōu)化［10］。結(jié)合仿真系統(tǒng)實際運行情況，在裝備模型總面數(shù)為10 W時，8 G內(nèi)存占用率為87 %，在裝備模型面數(shù)總為1W時，8G內(nèi)存占用率為21 %，可見，裝備模型優(yōu)化對于整個仿真系統(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

4 結(jié)論

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

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

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

［2］高穎，黃羅軍，許志國，等.基于OpenGL某導(dǎo)彈視景仿真技術(shù)研究［J］.兵工學(xué)報，2007，28（1）：125-128.

［3］丁斌，祖家奎.基于虛擬現(xiàn)實的無人機可視化仿真［J］.計算機測量與控制，2007，15（12）：1769-1771.

［4］中國航空工業(yè)總公司.貨運飛機專用技術(shù)設(shè)計指南［M］.北京：航空工業(yè)出版社，1996.

［5］KALUZNY B L，DAVID S R H A.Optimal aircraft load balancing［J］.International Transactions in Operational Research，2009，16（6）：767-787.

［6］MONGEAU M，Bès C.Optimization of aircraft container loading［J］.IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems，2003，39（1）：140-150.

［7］張有濟.戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈飛行力學(xué)設(shè)計（上）［M］.北京：宇航出版社，1996.

［8］郭璽，薛青，顏國明，等.視景仿真中車輛在不同路面上運動狀態(tài)的研究［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2006，18（8）：201-205.

［9］王洪源，陳慕羿，華宇寧，等.Unity3D人工智能編程精粹［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2014.

［10］DUNN F.3D數(shù)學(xué)基礎(chǔ)：圖形與游戲開發(fā)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2014.

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：機械結(jié)構(gòu)仿真、視景技術(shù)。