虛擬現(xiàn)實(shí)的履帶式裝甲車(chē)輛運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)研究

劉文學(xué)，王 濤，周迎春，賈 镕

(中國(guó)人民解放軍陸軍炮兵防空兵學(xué)院， 合肥 230031)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為近些年迅速發(fā)展并逐漸成熟的一種新興技術(shù)，在三維環(huán)境建模[1]、裝備應(yīng)用仿真、車(chē)輛模擬駕駛[2]等諸多領(lǐng)域都有著廣泛的研究和應(yīng)用。其較好的實(shí)時(shí)性、沉浸性和交互性尤其適合車(chē)輛模擬駕駛的應(yīng)用，諸多專(zhuān)家學(xué)者都對(duì)此進(jìn)行了相關(guān)研究。羅元等[3]在城區(qū)公路實(shí)現(xiàn)了不同交通情況下的汽車(chē)智能化運(yùn)動(dòng)仿真，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實(shí)交通流的模擬。王文峰、羅竹輝[4-5]等考慮車(chē)輛動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)了汽車(chē)模擬駕駛系統(tǒng)，較好地渲染了三維虛擬場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)了車(chē)輛較為逼真準(zhǔn)確的駕駛運(yùn)動(dòng)仿真，滿足了交互性、實(shí)時(shí)性的要求。冀杰等[6]建立了以車(chē)輛縱橫向運(yùn)動(dòng)跟蹤誤差為變量的車(chē)輛模型，借助仿真試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)汽車(chē)跟隨系統(tǒng)的路徑跟蹤能力進(jìn)行了驗(yàn)證，并比較了駕駛操作與車(chē)輛跟隨系統(tǒng)作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性差異，結(jié)果證明該仿真試驗(yàn)平臺(tái)具備較高的可靠性，另外，模擬駕駛系統(tǒng)也被開(kāi)發(fā)應(yīng)用于駕駛員的培訓(xùn),模擬實(shí)際駕駛操縱[7-8]。在國(guó)外，A.M.Sharaf和X.Yan同樣研發(fā)出了類(lèi)似的基于車(chē)輛模型的模擬駕駛系統(tǒng)[9-10]，重點(diǎn)整合了駕駛員的操控動(dòng)作，驗(yàn)證了模擬駕駛器在典型工況下的魯棒性和保真度表現(xiàn)。

自主行駛技術(shù)是當(dāng)今世界各主要軍事強(qiáng)國(guó)無(wú)人化軍事裝備研發(fā)的核心技術(shù)，其中的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)是其關(guān)鍵組成部分，處在連接上層路徑規(guī)劃和下層執(zhí)行系統(tǒng)的關(guān)鍵位置，對(duì)車(chē)輛自主運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)具有重要意義。但由于實(shí)車(chē)試驗(yàn)存在耗資大、周期長(zhǎng)的局限性，先期利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行虛擬場(chǎng)景下的車(chē)輛運(yùn)動(dòng)仿真成為研究熱點(diǎn)，而當(dāng)下模擬駕駛的研究大多針對(duì)民用汽車(chē)進(jìn)行，軍事應(yīng)用背景下的履帶式裝甲車(chē)輛研究較少，且多為研究獨(dú)立式電機(jī)驅(qū)動(dòng)履帶車(chē)輛[11-12]，對(duì)采用二級(jí)行星轉(zhuǎn)向機(jī)的履帶式裝甲車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)控制研究相對(duì)較少。

針對(duì)上述問(wèn)題，筆者提出了虛擬現(xiàn)實(shí)的履帶式裝甲車(chē)輛運(yùn)動(dòng)控制仿真方法。本文首先簡(jiǎn)述了虛擬仿真系統(tǒng)的支持軟件和仿真結(jié)構(gòu)，然后以某型履帶式裝甲車(chē)輛為研究對(duì)象，建立車(chē)輛的滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)模型，結(jié)合駕駛操縱規(guī)律和預(yù)瞄-跟隨理論，設(shè)計(jì)車(chē)輛跟隨折線型軌跡的運(yùn)動(dòng)控制方法，在三維虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中，以駕駛員操縱轉(zhuǎn)向拉桿、兩側(cè)履帶處主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速等相關(guān)參數(shù)為輸入，以車(chē)體的速度、角速度為輸出，實(shí)現(xiàn)履帶式裝甲車(chē)輛在低速工況下的運(yùn)動(dòng)控制。

1 虛擬仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

Creator/Vega Prime具備出色的三維實(shí)體建模與視景仿真能力，已成為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用最為廣泛的工具之一。其中，Creator集成了強(qiáng)大便捷的矢量編輯、交互式建模與裝配以及地形地貌生成等多種功能，提供了一個(gè)“所見(jiàn)即所得”的視景仿真建模環(huán)境[13]?；赩SG的Vega Prime具有突出的面向?qū)ο竽芰?，功能模塊化特征明顯，程序設(shè)置靈活。設(shè)計(jì)履帶式裝甲車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)控制仿真結(jié)構(gòu)如圖1所示。

履帶式裝甲車(chē)輛屬于對(duì)外部操作型實(shí)體，其模型的建立首先要獲取車(chē)輛的外部特征尺寸及相關(guān)的紋理數(shù)據(jù)，同時(shí)運(yùn)用LOD技術(shù)，遠(yuǎn)近距離不同LOD模型的精度不同，細(xì)節(jié)的展現(xiàn)程度也不同。地形建模則利用Creator提供的插件模塊處理高程數(shù)據(jù)文件，將其轉(zhuǎn)換成可用的DED格式文件，最終形成flt格式的地形道路和障礙模型文件。實(shí)體建模完成后，利用Vega Prime進(jìn)行視景仿真驅(qū)動(dòng)，借助模型的API接口，用戶(hù)能夠以編程的方式讀、寫(xiě)和建立flt文件。運(yùn)行程序的工作流程為：初始化vp模塊；定義配置文件；配置所要用到的資源；幀循環(huán)；關(guān)閉vp模塊。初始化和關(guān)閉方法定義在namespace中，定義、配置、幀循環(huán)以及其他的運(yùn)行時(shí)控制方法都定義在vpKernel類(lèi)中[14]，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)視景程序如圖2所示。為增強(qiáng)車(chē)輛運(yùn)動(dòng)的沉浸感，加入音效、車(chē)轍等渲染效果，并進(jìn)行實(shí)體模型間的碰撞檢測(cè)設(shè)計(jì)。

圖1 履帶式裝甲車(chē)輛運(yùn)動(dòng)控制仿真結(jié)構(gòu)框圖

圖2 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)視景程序框圖

2 履帶式裝甲車(chē)輛運(yùn)動(dòng)控制建模

2.1 車(chē)輛滑動(dòng)模型

履帶行走裝置的車(chē)輛與輪式車(chē)輛轉(zhuǎn)向機(jī)理不同，其是基于兩側(cè)履帶速度差的差速轉(zhuǎn)向。車(chē)輛由直線行駛變換成轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，內(nèi)側(cè)履帶的環(huán)繞速度降低，外側(cè)履帶的環(huán)繞速度保持不變，在兩側(cè)下支履帶與地面相互作用下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，相互作用表現(xiàn)為強(qiáng)烈的摩擦與滑動(dòng)。本節(jié)從平面運(yùn)動(dòng)角度出發(fā)分析低速工況下履帶式裝甲車(chē)輛的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)，認(rèn)為車(chē)輛在幾何上關(guān)于其橫縱向平面對(duì)稱(chēng)，且質(zhì)心與車(chē)體的幾何中心重合；車(chē)輛在水平地面上作均勻穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向；低速轉(zhuǎn)向時(shí)離心力作用較小，可忽略。

(1)

圖3 履帶式裝甲車(chē)輛滑動(dòng)模型示意圖

履帶式裝甲車(chē)輛兩側(cè)履帶處主動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)力大小不同，其環(huán)繞速度不同，同時(shí)兩側(cè)履帶的滑動(dòng)速度Δv也不同。認(rèn)為車(chē)輛轉(zhuǎn)向時(shí)內(nèi)外側(cè)履帶處的主動(dòng)輪角速度分別為ω1、ω2，主動(dòng)輪節(jié)圓半徑為rz，則車(chē)輛轉(zhuǎn)向過(guò)程中兩側(cè)履帶滑移/滑轉(zhuǎn)率可表示為

(2)

車(chē)輛的理想轉(zhuǎn)向半徑為

(3)

考慮兩側(cè)履帶的滑動(dòng),則車(chē)輛實(shí)際轉(zhuǎn)向半徑為

(4)

2.2 車(chē)輛運(yùn)動(dòng)控制模型

某型履帶式裝甲車(chē)輛采用二級(jí)行星轉(zhuǎn)向機(jī)實(shí)現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向，此類(lèi)車(chē)輛與當(dāng)下研究較熱的獨(dú)立式電機(jī)驅(qū)動(dòng)履帶車(chē)輛的轉(zhuǎn)向有較大不同，由于其內(nèi)部單功率流機(jī)械傳動(dòng)裝置性能的限制，低速工況下利用轉(zhuǎn)向機(jī)第一、二位置只能實(shí)現(xiàn)部分有級(jí)轉(zhuǎn)向，因而對(duì)車(chē)輛進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制時(shí)無(wú)法跟隨曲率連續(xù)變化的平滑曲線軌跡，而獨(dú)立式電機(jī)驅(qū)動(dòng)履帶車(chē)輛理論上通過(guò)兩側(cè)電機(jī)的協(xié)同控制能夠跟隨各種軌跡。結(jié)合此類(lèi)車(chē)輛的操縱規(guī)律與駕駛經(jīng)驗(yàn)，可知其低速工況下轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)主要依靠局部航向調(diào)整與直線行駛的協(xié)調(diào)配合，最終形成直線與弧線間隔連接的運(yùn)動(dòng)軌跡。在預(yù)瞄-跟隨理論基礎(chǔ)上，提出針對(duì)此類(lèi)履帶式裝甲車(chē)輛低速工況下跟隨折線型軌跡的運(yùn)動(dòng)控制新方法，預(yù)瞄點(diǎn)的選取是其中重要環(huán)節(jié)，此處不再采用常規(guī)遍歷路徑點(diǎn)選擇預(yù)瞄點(diǎn)的方法，而是結(jié)合此類(lèi)車(chē)輛運(yùn)動(dòng)特性選擇折線軌跡中的轉(zhuǎn)折點(diǎn)作為預(yù)瞄點(diǎn)，轉(zhuǎn)折點(diǎn)坐標(biāo)設(shè)為(Xd,Yd,θd)。

如圖4所示，車(chē)輛跟隨折線期望軌跡(折線部分)，點(diǎn)A、B、C分別為3個(gè)依次的預(yù)瞄點(diǎn)，θ為車(chē)輛航向角，β為車(chē)輛實(shí)時(shí)航向與實(shí)時(shí)位置—預(yù)瞄點(diǎn)連線間夾角，此處定義為航偏角，轉(zhuǎn)折點(diǎn)附近不同半徑的圓代表轉(zhuǎn)向機(jī)第一、二位置轉(zhuǎn)向半徑大小，d為到達(dá)預(yù)瞄點(diǎn)前的制動(dòng)轉(zhuǎn)向距離，不規(guī)則區(qū)域代表障礙區(qū)域。

圖4 履帶式裝甲車(chē)輛軌跡跟隨示意圖

根據(jù)轉(zhuǎn)向半徑所在圓與期望軌跡相切，可得

(5)

車(chē)輛軌跡跟隨位姿誤差E描述為

(6)

式(6)中：α為期望軌跡轉(zhuǎn)折點(diǎn)拐角，B為車(chē)輛履帶中心距。

車(chē)輛軌跡跟隨的運(yùn)動(dòng)控制問(wèn)題可描述為在一定兩側(cè)履帶處主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速條件下，合理選擇制動(dòng)轉(zhuǎn)向時(shí)機(jī)與制動(dòng)轉(zhuǎn)向時(shí)長(zhǎng)，使得車(chē)輛運(yùn)動(dòng)軌跡與期望軌跡擬合，位姿誤差E不斷減小，收斂于預(yù)瞄點(diǎn)附近。結(jié)合車(chē)輛操縱規(guī)律與駕駛經(jīng)驗(yàn)，選擇航偏角的余弦作為車(chē)輛運(yùn)動(dòng)控制的目標(biāo)函數(shù)，即

(7)

車(chē)輛轉(zhuǎn)向工況與直駛工況的模式切換條件為

(8)

3 運(yùn)動(dòng)控制仿真實(shí)例

為驗(yàn)證上文提出的履帶式裝甲車(chē)輛運(yùn)動(dòng)控制方法，設(shè)計(jì)折線型期望軌跡實(shí)現(xiàn)車(chē)輛軌跡跟隨運(yùn)動(dòng)，由于本節(jié)重在檢驗(yàn)控制方法的有效性，滑轉(zhuǎn)/移率較難測(cè)得且兩側(cè)履帶的環(huán)繞轉(zhuǎn)速易得，所以當(dāng)車(chē)輛在某一路面條件下以某一速度和轉(zhuǎn)向半徑運(yùn)動(dòng)時(shí)，常采取將滑移/滑轉(zhuǎn)率假定為一定值的方式[15]。最終車(chē)輛單一位置轉(zhuǎn)向軌跡跟隨仿真結(jié)果如圖5所示，上面為車(chē)輛運(yùn)動(dòng)軌跡圖，下面為車(chē)輛橫向位置誤差。

圖5 履帶式裝甲車(chē)輛單一位置轉(zhuǎn)向軌跡跟隨仿真結(jié)果

從圖5中明顯看出：車(chē)輛跟隨折線型軌跡運(yùn)動(dòng)時(shí)，較大橫向位置誤差均出現(xiàn)在預(yù)瞄點(diǎn)附近，尤其是拐角為銳角的預(yù)瞄點(diǎn)在轉(zhuǎn)向機(jī)第一位置轉(zhuǎn)向時(shí)誤差達(dá)到4.5 m，預(yù)瞄點(diǎn)間的過(guò)渡階段誤差較小，維持在1.5 m以?xún)?nèi)，轉(zhuǎn)向機(jī)第二位置轉(zhuǎn)向時(shí)橫向位置誤差均較小，但由于此種轉(zhuǎn)向?qū)?chē)輛內(nèi)部機(jī)件磨損傷害較大，不宜常規(guī)化使用。4.5 m橫向位置誤差的出現(xiàn)并不代表此控制方法無(wú)效，這是因?yàn)楣潭ㄞD(zhuǎn)向半徑轉(zhuǎn)向時(shí)受車(chē)輛自身物理模型的限制，某些軌跡車(chē)輛根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確跟隨，這正對(duì)路徑規(guī)劃提出相應(yīng)要求，應(yīng)盡量減少甚至消除折線型軌跡中的銳角拐點(diǎn)，使得期望軌跡趨于平順，或是在必須大轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)折點(diǎn)與障礙物間要設(shè)置足夠長(zhǎng)的距離，保證車(chē)輛能夠順利躲避障礙物，這完全符合駕駛員的駕駛經(jīng)驗(yàn)。

為進(jìn)一步解決轉(zhuǎn)向機(jī)單一位置轉(zhuǎn)向時(shí)存在的弊端，設(shè)置車(chē)輛轉(zhuǎn)向模式自切換條件：

(9)

式(9)中：1為轉(zhuǎn)向機(jī)第一位置，2為轉(zhuǎn)向機(jī)第二位置。

車(chē)輛組合位置轉(zhuǎn)向軌跡跟隨結(jié)果如圖6所示，可知車(chē)輛整體軌跡跟隨效果改善，橫向位置誤差維持在1.5 m的容錯(cuò)范圍內(nèi)。

圖6 履帶式裝甲車(chē)輛組合位置轉(zhuǎn)向軌跡跟隨仿真結(jié)果

運(yùn)用此種運(yùn)動(dòng)控制方法，設(shè)置“工”字型障礙桿排列，在虛擬場(chǎng)景中進(jìn)行履帶式裝甲車(chē)輛的視景驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，視野中車(chē)輛能夠依次成功躲避障礙桿，到達(dá)預(yù)期目標(biāo)位置，調(diào)整障礙桿的擺放位置與相互間距離，能夠?yàn)轳{駛員的駕駛培訓(xùn)方法的改進(jìn)提供參考，車(chē)輛自主繞桿運(yùn)動(dòng)過(guò)程如圖7所示。

圖7 履帶式裝甲車(chē)輛繞桿運(yùn)動(dòng)過(guò)程示意圖

4 結(jié)論

本文建立了車(chē)輛的滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)模型，得到實(shí)際轉(zhuǎn)向半徑會(huì)有增大，將滑動(dòng)參數(shù)作為控制輸入，結(jié)合駕駛員操縱規(guī)律與駕駛經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)基于預(yù)瞄—跟隨理論的履帶式裝甲車(chē)輛跟隨折線軌跡的運(yùn)動(dòng)控制方法，利用Creator與Vega Prime聯(lián)合實(shí)現(xiàn)了虛擬場(chǎng)景下的履帶式裝甲車(chē)輛運(yùn)動(dòng)控制仿真實(shí)驗(yàn)，辨識(shí)軌跡設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向模式自切換策略，仿真結(jié)果表明履帶式裝甲車(chē)輛通過(guò)一定的運(yùn)動(dòng)控制方法成功躲避障礙物，到達(dá)預(yù)期目標(biāo)位置。虛擬場(chǎng)景中加入音效、車(chē)轍等渲染效果，滿足虛擬仿真系統(tǒng)沉浸感和實(shí)時(shí)性要求，對(duì)履帶式裝甲車(chē)輛的駕駛員駕駛培訓(xùn)具有指導(dǎo)價(jià)值。