基于虛擬現(xiàn)實(shí)的裝甲車輛運(yùn)動(dòng)仿真研究①

郭立威,王 權(quán),高克斌,顧 聞

(陸軍炮兵防空兵學(xué)院 士官學(xué)校,沈陽(yáng) 110000)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality,簡(jiǎn)稱VR)技術(shù)已經(jīng)滲透進(jìn)了軍事生活的各個(gè)方面.VR 技術(shù)因具有良好的可控性、安全性、費(fèi)用低、不受氣候影響、不受空間場(chǎng)地的限制等特點(diǎn),已被廣泛應(yīng)用到虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境、軍事訓(xùn)練等領(lǐng)域[1].如今將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用在軍隊(duì)建設(shè)實(shí)用化方面受到越來(lái)越多的重視.中國(guó)軍隊(duì)同樣也無(wú)法避免軍事虛擬仿真訓(xùn)練的國(guó)際化浪潮.各國(guó)都面臨國(guó)防預(yù)算削減、病理削減、同時(shí)要更加努力保持其有效性的要求.中國(guó)軍隊(duì)在國(guó)際地位的崛起.也面臨著進(jìn)入許多陌生國(guó)際地區(qū)進(jìn)行軍事防衛(wèi)的任務(wù).這就迫切要求軍事人員能夠在他們可能不熟或難以進(jìn)入的國(guó)家和氣候條件下進(jìn)行作戰(zhàn),因此用虛擬仿真模擬的訓(xùn)練演練架構(gòu)支持將是十分重要的.現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)作戰(zhàn)方式的改變和科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展促使武器裝備更新迭代周期加快,隨之增加的還有裝備訓(xùn)練和演練的各種經(jīng)費(fèi),例如場(chǎng)地、裝備、訓(xùn)練等費(fèi)用.新形式下,針對(duì)創(chuàng)新裝甲車輛等裝備的訓(xùn)練方法,大幅度降低日常訓(xùn)練成本、提高訓(xùn)練效率、增加訓(xùn)練靈活性和擴(kuò)展性、提高訓(xùn)練安全性成為發(fā)展裝備訓(xùn)練技術(shù)的需求驅(qū)動(dòng).隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的高速發(fā)展,采用智能傳感器、三維建模、三維地理信息、粒子效果、沉浸式顯示等技術(shù)手段能夠逼真的建立虛擬的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境,采用物理仿真可以仿真車輛的動(dòng)力學(xué)特性,從視覺(jué)場(chǎng)景和交互操作上完全模擬實(shí)裝.正是因?yàn)樘摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以高度逼真的模擬人在自然環(huán)境中的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等行為,真實(shí)的模擬環(huán)境多變的特點(diǎn),使得采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和物理仿真技術(shù)代替實(shí)裝訓(xùn)練成為了一個(gè)非常重要的研究方向[2-4].裝甲車輛的運(yùn)動(dòng)仿真目前已經(jīng)有了許多的研究,在文獻(xiàn)[5]的研究中只是做了一個(gè)可視化的交互式的裝甲車輛仿真系統(tǒng),文獻(xiàn)[6]的研究中,并未考慮不同地形對(duì)裝甲車運(yùn)動(dòng)性能的影響.在文獻(xiàn)[7]中,研究重點(diǎn)是裝甲車在任意地形上的運(yùn)動(dòng),只是分析了裝甲車的受力,并未對(duì)裝甲車自身姿態(tài)做進(jìn)一步的研究.文獻(xiàn)[8]則將重點(diǎn)放在了場(chǎng)景和裝甲車的建模上面.以上研究皆未對(duì)裝甲車在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中自身姿態(tài)的問(wèn)題做出更進(jìn)一步的研究,本文將針對(duì)在不同地形上,裝甲車自身姿態(tài)調(diào)整的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行研究.

1 裝甲車輛駕駛仿真模型

建立了裝甲車輛駕駛的仿真模型,如圖1所示.

圖1 裝甲車輛駕駛仿真模型

模型分為半實(shí)物裝甲車輛駕駛裝置、幾何模型、車輛動(dòng)力學(xué)模型、第一視角/第三視角同步顯示模型、Unity3D 引擎和顯示六部分.半實(shí)物裝甲車輛駕駛裝置提供操作的輸入信號(hào),包括操縱桿、油門、剎車和離合器等裝置,將輸入信號(hào)作為幾何建模的輸入數(shù)據(jù),為幾何建模提供數(shù)據(jù)上的支持.幾何模型包括車輛的實(shí)體模型、駕駛的場(chǎng)景模型(如城市、草原、山區(qū)等)、地理信息模型(包括高程數(shù)據(jù)和遙感影像).車輛動(dòng)力學(xué)模型用來(lái)計(jì)算車體的姿態(tài).在模型創(chuàng)建完成之后,為使用者提供不同的視角.第一視角/第三視角同步顯示模型實(shí)現(xiàn)仿真過(guò)程中,駕駛位第一視角和第三視角的同步顯示.通過(guò)Unity3D 引擎將駕駛場(chǎng)景部署到VR 沉浸式頭盔.以VR 沉浸式頭盔作為第一視角顯示載體,投影屏幕可作為第三視角顯示載體.

1.1 裝甲車輛實(shí)體模型構(gòu)建

在對(duì)當(dāng)前最流行的幾種建模工具軟件進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比后,結(jié)合裝甲車的特征和不同軟件的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn),使用了建模能力較強(qiáng)的3DMAX 工具軟件對(duì)裝甲車進(jìn)行初步的幾何建模.裝甲車模型是由相對(duì)規(guī)則的組件構(gòu)成的,使用網(wǎng)格建模法,采用一系列的陣列、放樣、鏡像、網(wǎng)格編輯、紋理材質(zhì)等方法作為幾何建模的輔助手段對(duì)模型進(jìn)行外觀上的優(yōu)化,最后將輸出的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到MultiGen Creator 當(dāng)中對(duì)模型進(jìn)行詳細(xì)的處理,得到最終的裝甲車側(cè)模型.輸出的數(shù)據(jù)是由半實(shí)物裝甲車輛駕駛裝置提供的包括操縱桿、油門、剎車和離合器等裝置的真實(shí)數(shù)據(jù),保證了模型的仿真[9-11].

圖2是對(duì)裝甲車實(shí)體模型的構(gòu)建,其中最重要的部分是對(duì)于履帶模型的構(gòu)建,履帶與一般的車輪不一樣,一般的車輪可以抽象成圓繞圓心旋轉(zhuǎn),而履帶卻抽象成橢圓.

圖2 裝甲車實(shí)體模型

履帶實(shí)體建模如3 圖所示.履帶式裝甲車在行進(jìn)過(guò)程中自身重力有部分是由負(fù)重輪來(lái)承擔(dān),并通過(guò)履帶將自身重力作用于地面.前行運(yùn)動(dòng)通過(guò)模擬真實(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)引擎,轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)是通過(guò)調(diào)整左右履帶的速度來(lái)實(shí)現(xiàn)的.裝甲車輛模型可由模擬駕駛艙來(lái)操控,也可以使用手柄操控.

圖3 履帶模型圖

1.2 裝甲車輛運(yùn)動(dòng)過(guò)程動(dòng)力學(xué)建模

對(duì)裝甲車輛運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模,主要分析其受力,運(yùn)動(dòng)形態(tài)[12].

1.2.1 受力分析

裝甲車輛在與地平面成α 角的斜坡上行駛,受到的主要力有自身重力、空氣阻力、地面阻力以及引擎的牽引力.

1)重力

重力是由裝甲車自身重量決定的,假設(shè)裝甲車輛是左右對(duì)稱的,其重心在其縱對(duì)稱面上.

2)空氣阻力Rk

計(jì)算公式可表示為：

其中：A表示坦克的正投影面積,假設(shè)在理想環(huán)境中,裝甲車在前行過(guò)程中只會(huì)受到迎面而來(lái)的風(fēng).C是空氣阻力系數(shù).v是裝甲車行駛的速度.A表示的就是受到風(fēng)吹的面積,其計(jì)算公式表示為：

W是履帶的中心距,H是高度,m是修正系數(shù),v是裝甲車行駛速度.

3)地面阻力

由于裝甲車體積大,重量大,履帶與地面接觸面積大的原因,裝甲車在經(jīng)過(guò)時(shí),地面會(huì)下陷從而對(duì)裝甲車有一個(gè)向上的反作用力,在離開(kāi)某段地面時(shí),又會(huì)給裝甲車一個(gè)前行的牽引力,再加上地面的摩擦力.再加上路況的原因,裝甲車可能會(huì)發(fā)生打滑的現(xiàn)象.這些原因使得地面阻力的分析變得十分復(fù)雜.根據(jù)以上分析,考慮到實(shí)際需求,對(duì)地面阻力進(jìn)行了以下簡(jiǎn)化：①地面不會(huì)因裝甲車的重量而下陷.②裝甲車在前行過(guò)程中的地面附著力要大于牽引力,不會(huì)出現(xiàn)打滑的現(xiàn)象.③裝甲車在轉(zhuǎn)彎的時(shí)候不會(huì)產(chǎn)生側(cè)滑.簡(jiǎn)化后的地面阻力公式可表示為：

其中,μγ是裝甲車行駛過(guò)程中地面變形阻力的系數(shù),Q是裝假車對(duì)地面的附著重力.

4)牽引力

牽引力分為裝甲車引擎的動(dòng)力和經(jīng)過(guò)某段路后,土壤給裝甲車的牽引力.在這里要求不是很高,土壤給裝甲車的牽引力可以忽略不計(jì).只考慮裝甲車引擎的牽引力就足夠了.裝甲車牽引力F的計(jì)算公式可表示為：

其中,Mf表示發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩,rz表示主動(dòng)輪半徑,i表示某檔的總傳動(dòng)比,η表示裝甲車的效率.

1.2.2 運(yùn)動(dòng)形態(tài)分析

裝甲車的運(yùn)動(dòng)形態(tài)主要分為直線行駛狀態(tài)和轉(zhuǎn)彎狀態(tài).為了保證裝甲車在行駛過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)嵌入地里和懸空的情況,還要及時(shí)對(duì)裝甲車的姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整.裝甲車的行駛有六個(gè)自由度,前后、左右和上下三個(gè)移動(dòng)自由度,翻滾、偏航和俯仰三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度.通過(guò)移動(dòng)自由度確定裝甲車的位置,通過(guò)旋轉(zhuǎn)自由度來(lái)調(diào)整裝甲車的姿態(tài).

1)直線行駛狀態(tài)

以有一定坡度的上坡路為例,裝甲車在上坡路上直線行駛的過(guò)程中速度為v,假設(shè)當(dāng)前所處的位置為CurPos(x,y,z),目標(biāo)位置是AimPos(x’,y’,z’),移動(dòng)方向?yàn)镈ir(xd,yd,zd),垂直偏轉(zhuǎn)角度(移動(dòng)方向與水平面的夾角)為Rotv,水平偏轉(zhuǎn)角度Roth,移動(dòng)方向在水平面上的投影為：Dir(xh,zh),如圖4.

圖4 直線行駛狀態(tài)圖

由圖4可以得出：

垂直偏轉(zhuǎn)角度

水平偏轉(zhuǎn)角度

目標(biāo)位置的坐標(biāo)為：

其中Δt是時(shí)間的變化量.

裝甲車姿態(tài)的調(diào)整

在簡(jiǎn)單的上坡、下坡行駛中,需要調(diào)整俯仰自由度.如果不調(diào)整,裝甲車在上坡的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)嵌入地面的情況,下坡的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)懸空的情況.

如圖5取裝甲車兩邊履帶所在的平面與水平面的夾角為俯仰角,實(shí)時(shí)調(diào)整俯仰角保證兩邊履帶所在平面與接觸地面的法向量垂直.通過(guò)這種方法調(diào)整裝甲車的姿態(tài).(利用裝甲車行駛的方向向量所在的垂直于水平面的面將地形切出一個(gè)平面).

圖5 裝甲車俯仰角

如圖6所示,將裝甲車的運(yùn)動(dòng)投影到XOY 平面上,則裝甲車在某點(diǎn)上的俯仰角等于曲線在該點(diǎn)的斜率.

圖6 裝甲車調(diào)整俯仰角

2)轉(zhuǎn)彎行駛狀態(tài)

裝甲車因?yàn)槁膸У年P(guān)系使其與一般車輛的轉(zhuǎn)彎行駛有所不同.在文獻(xiàn)[1]中介紹了有關(guān)履帶車輛的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng).當(dāng)履帶車輛以速度v做半徑為R的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)時(shí),分為大半徑區(qū)和小半徑區(qū)兩種情況

① 小半徑區(qū)就是指轉(zhuǎn)彎半徑的取值范圍[0,W/2]之間,其中W是車身的寬度,也就意味著旋轉(zhuǎn)中心在裝甲車內(nèi)部.此時(shí)裝甲車兩側(cè)的履帶的速度的方向是相反的,模擬這種情況可以簡(jiǎn)化為給裝甲車一個(gè)固定的角速度,讓裝甲車?yán)@質(zhì)心所在的法向量做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),即原地打轉(zhuǎn).

② 大半徑區(qū)是指轉(zhuǎn)彎半徑大于W/2.此時(shí)裝甲車轉(zhuǎn)彎的形態(tài)就像一般的車輛.即使是這樣,裝甲車輛的轉(zhuǎn)向行駛狀態(tài)也是十分復(fù)雜的.假定裝甲車是在水平面上運(yùn)動(dòng),但是裝甲車在高速轉(zhuǎn)彎和低速轉(zhuǎn)彎時(shí)所受到的離心力影響是不同的,轉(zhuǎn)向阻力矩也是不同的.若是把裝甲車看成是剛體,則它應(yīng)該有六個(gè)自由度：橫向、縱向、垂直三個(gè)平移自由度,翻滾、俯仰、和偏航三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度.由于是在水平面做轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng),就沒(méi)有垂直方向的平移自由度和翻滾、俯仰兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度.只剩橫向、縱向兩個(gè)平移自由度和偏航一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度.為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的復(fù)雜性,不考慮離心力和轉(zhuǎn)向阻力矩,只考慮裝甲車以速度v 進(jìn)行轉(zhuǎn)向(以左轉(zhuǎn)為例)行駛.為了方便觀察,以俯視的角度繪制示意圖.其中Center(x0,y0)是裝甲車轉(zhuǎn)彎軌跡圓的圓心,CurPos(x,z)是裝甲車的當(dāng)前所處的位置,Dir(xd,zd)是當(dāng)前的行駛方向,AimPos(x’,z’)是裝甲車目標(biāo)位置,Dir’(xd’,zd’)是裝甲車到達(dá)目標(biāo)位置時(shí)的行駛方向.

如圖7所示,可求得兩點(diǎn)之間的弧長(zhǎng)(即裝甲車的運(yùn)動(dòng)軌跡的長(zhǎng)度)為vΔt,兩點(diǎn)之間的距離(即弧對(duì)應(yīng)的弦長(zhǎng))為可以由相關(guān)的公式求出裝甲車的轉(zhuǎn)彎半徑和對(duì)應(yīng)的角度.公式為：

在水平面上的轉(zhuǎn)彎不需要進(jìn)行姿態(tài)上的調(diào)整.

圖7 水平地面轉(zhuǎn)彎

3)比較復(fù)雜的情況是在坡路上轉(zhuǎn)彎

裝甲車在坡路上轉(zhuǎn)彎,會(huì)涉及到俯仰、偏航和翻滾三個(gè)自由度的變化.取裝甲車兩邊履帶所在平面的方向向量的方向?yàn)檠b甲車的速度方向.假定裝甲車在上坡路上向左轉(zhuǎn)彎俯仰自由度在減小的同時(shí),翻滾自由度在增大(右履帶要比左履帶高).兩者的改變量是相同的,所以翻滾自由度是不需要考慮的.在已知裝甲車行駛速度的前提下,討論偏航角和俯仰角之間的關(guān)系.

如圖8所示A是開(kāi)始轉(zhuǎn)向時(shí)速度的方向,A’是A在地面上的投影,B是轉(zhuǎn)向后的方向,B’是B在地面上的投影.∠AOA’是開(kāi)始轉(zhuǎn)向時(shí)的俯仰角∠BOB’是轉(zhuǎn)向后的俯仰角,∠A’OB’是偏航角,可以得到俯仰角和偏航角之間的關(guān)系為：

裝甲車的受力和地形是影響其自身姿態(tài)的最主要原因,自身姿態(tài)的改變體現(xiàn)在俯仰角、翻滾角、偏航角的變化.通過(guò)對(duì)裝甲車在不同地形上的受力分析以及裝甲車的當(dāng)前狀態(tài),利用公式計(jì)算出俯仰角、翻滾角、偏航角的變化,從而達(dá)到調(diào)整自身姿態(tài)的目的.

圖8 坡道轉(zhuǎn)彎

1.3 地形場(chǎng)景構(gòu)建以及駕駛視角

為了盡可能的模擬真實(shí)的裝甲車的行駛環(huán)境,檢驗(yàn)裝甲車輛運(yùn)動(dòng)姿態(tài)與虛擬地形表面的契合度,本系統(tǒng)選取某靶場(chǎng)的真實(shí)地形作為虛擬訓(xùn)練場(chǎng)景的地形來(lái)源.采用靶場(chǎng)真實(shí)地形的DEM 數(shù)據(jù)作為真實(shí)地形環(huán)境生成的依據(jù),同時(shí)從該靶場(chǎng)航拍影像數(shù)據(jù)中提取地形的真實(shí)紋理數(shù)據(jù),動(dòng)態(tài)鋪設(shè)虛擬環(huán)境的地形表面紋理,有效避免了遙感影像貼圖隨縮放而發(fā)生失真現(xiàn)象的產(chǎn)生.

駕駛者可以從第一視角和第三視角去觀察裝甲車的運(yùn)動(dòng)形態(tài)和自身姿態(tài).

圖9 第一視角圖

使用Unity3D 引擎在裝甲車模型內(nèi)部放置攝像機(jī),方向是裝甲車的正前方,該攝像機(jī)的視野就是第一視角的視野.

使用Unity3D 引擎在距離裝甲車中心一定距離處放置攝像機(jī),該攝像機(jī)可以在以裝甲車中心為圓心,以距離為半徑的球面上運(yùn)動(dòng),方向始終朝向裝甲車,該攝像機(jī)的視野就是第三視角的視野.

圖10 第三視角圖

2 試驗(yàn)與分析

利用Python 繪制如下坡道,在這個(gè)坡道上實(shí)驗(yàn)計(jì)算裝甲車行駛時(shí)模型的可行性.

裝甲車在坡道上做直線行駛時(shí),俯仰角和車輛位置之間的關(guān)系

表1 坡道直行,位置與俯仰角的關(guān)系

利用圖11中的坡道作為裝甲車坡道轉(zhuǎn)彎時(shí)的模型.假定裝甲車的初始位置是0.9,裝甲車左轉(zhuǎn)行駛,其偏航角、俯仰角和翻滾角之間的關(guān)系.

圖11 坡道模型圖

采用上述算法對(duì)裝甲車自身姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整結(jié)果如下：

在裝甲車運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中,如果不能對(duì)裝甲車自身的姿態(tài)做出及時(shí)的調(diào)整,會(huì)出現(xiàn)裝甲車懸空或嵌入地面的情況,本文通過(guò)對(duì)裝甲車受力分析以及對(duì)裝甲車當(dāng)前速度、位置等信息的分析,進(jìn)而對(duì)影響裝甲車自身姿態(tài)的三個(gè)變量進(jìn)行計(jì)算,達(dá)到調(diào)整裝甲車自身姿態(tài)的目的.可以看到在這三種形態(tài)下,裝甲車自身的姿態(tài)都能隨著地形的起伏變化做出相應(yīng)的調(diào)整,使得裝甲車的履帶緊貼地面.

表2 坡道轉(zhuǎn)彎,偏航角、俯仰角與翻滾角之間的關(guān)系

圖12 直行上坡圖

圖13 坡道左轉(zhuǎn)圖(上坡)

3 結(jié)論

在裝甲車輛模擬駕駛仿真中,實(shí)時(shí)調(diào)整裝甲車的姿態(tài)是重要組成部分.通過(guò)分析地形特點(diǎn)和裝甲車運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)模型本文給出了裝甲車在坡道上直線行駛和轉(zhuǎn)彎行駛的模型,通過(guò)對(duì)模型的仿真和數(shù)據(jù)的分析驗(yàn)證了模型的可行性.本文對(duì)三維地形下裝甲車的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)做了數(shù)據(jù)分析,后續(xù)將研究不同地形下裝甲車的運(yùn)動(dòng)所帶來(lái)的觸感進(jìn)行深入研究.