兩棲車輛實時控制水陸性能虛擬試驗系統開發

劇冬梅，項昌樂，李軍，孫旭光，劉靜

(1.北京理工大學 機械與車輛學院，北京100081;2.中國兵器科學研究院，北京100089)

0 引言

虛擬試驗是指在計算機上通過對試驗環境、試驗車輛、試驗方法進行數字化集成，在虛擬環境下完成初步試驗的手段，可以大幅度縮減研制周期和費用。目前，國外武器研制的虛擬試驗技術已經到了實用化程度，我國雖然在高校和研究機構建立了一些虛擬仿真系統，但是還沒有對兩棲車輛進行系統全工況分析的虛擬試驗系統。

區別于傳統車輛，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軟件平臺進行陸上仿真;二是利用計算流體力學(CFD)軟件進行水上性能仿真［1］。都是針對單一工況進行計算，無法滿足虛擬試驗多工況兼顧、高實時性、可操控性的要求。

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

1 系統框架、計算流程及硬件條件

1.1 系統框架

圖1 虛擬試驗系統模型框架Fig.1 Modeling framework of virtual test system

本文所建立的虛擬試驗系統基于Vortex 軟件構建動力學模型、利用Creator 軟件構建視景模型、以半實物裝置(方向盤、油門、制動踏板等)接入虛擬系統完成操控。其中車體動力學建模部分基于傳統多體動力學理論建模;水上試驗場采用約束光滑粒子流場理論建模;地形視景采用高程數據進行逼真紋理貼圖，對于有碰撞屬性不同、材料不同的地表形態設置獨立節點以便于程序里設置不同參數，例如水泥路、砂石路、特種路面、樹、房屋等;車輛視景在CAD 模型基礎上加上實車照片達到高逼真度，具有相對運動的部件設置獨立節點以便于試驗過程中對其進行獨立操控;半實物仿真裝置通過USB 口連接，通過動力學軟件里的專用模塊進行驅動及信息傳輸。總體的模型架構及模塊之間的關系如圖1 所示。

1.2 計算流程

進行虛擬試驗計算時，通過車輛的加速、減速、轉向、制動、換檔等操作按鈕(或手柄)及可控部件的操控完成試驗項目。其中，可控部件包括炮塔、槍塔、可收放懸掛、滑板、翼面、舵面等。系統的特點是突出實時性，計算過程中運動狀態與實車相仿，試驗的操作過程和試驗方法與實車試驗相同，可參考GJB 59.64—2000“裝甲車輛試驗規程 水上性能試驗”和GJB 59.71—2004“裝甲車輛試驗規程兩棲裝甲車輛水上射擊試驗”等標準，此處不做贅述。在該系統里可完成的試驗項目及虛擬試驗流程如圖2 所示。

圖2 虛擬試驗系統的試驗流程及試驗項目Fig.2 The test process and items of virtual test system

1.3 硬件條件

系統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雜程度。視景模型和陸面模型越復雜、模型面數越多，水上模型計算域越廣泛則計算量越大。

本文所建系統陸面模型總面數為5.6 萬，車輛模型總面數為1 256，計算水域為100 m×50 m，所用計算機為HPz800 圖形工作站，運行流暢，僅供參考。

2 模塊功能及建模方法

2.1 車輛動力學模塊功能及建模方法

該模塊包含動力傳動、車體、轉向系統、行動系統、炮塔、槍塔、可控運動部件等子模塊，是車輛的數字化模型，實現對車輛性能的仿真。

動力學建模采用多體系統動力學方法，建立幾何模型和動力學模型，經過對模型的數值求解，最后得到分析結果，其流程如圖3 所示。

圖3 多體系統動力學建模流程Fig.3 The modeling process of multi-body dynamics

對車輛各主要部件進行數學模型建模，主要的模型參數為:

1)車體。設置車體形狀、重心、質量等參數。

2)動力傳動模塊。包含發動機、傳動系統、水上推進三部分。其中:發動機用萬有特性描述，這樣做可以減小計算量，保證實時性;傳動系統設置傳動比序列、軸的轉動慣量、輸入輸出變量、換擋策略等;水上推進系統通過發動機輸出的動力按照推進效率、推力方向來計算得出水上推進力。

3)行動系統。設置車輪數量、車輪質量、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)車輛運動件設置。如炮塔、槍塔、探測裝置等與車體有相對運動的部件，需要設置運動件與車體的連接關系、約束類型、運動自由度、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的計算結果真實、高效、實時地顯示出來，以便于虛擬試驗過程中對模型進行操控。

本文設計的視景系統基于OSG 的三維引擎，可以將視景模型調入動力學軟件運行程序里，OSG 引擎導入模型，設置初始視點，并依據動力學軟件解算的信息處理數據和指令，根據處理結果實時繪制更新場景，進行可視化仿真;同時OSG 引擎將視景模型各節點位置信息實時傳回解算程序，做到人機交互，完成虛擬試驗指令［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，是陸上試驗場的數字化模型，為虛擬試驗提供陸上試驗環境。

2.3.2 陸面模塊建模方法

陸上試驗場的建模時首先導入* . dem 高程數據文件，根據實際試驗場地進行調整，加入樹、房屋、出入口等地形地貌特征，利用實拍照片對其進行紋理貼圖，并在模型中加入路面碰撞屬性，如材料、摩擦系數、摩擦形式等，模型如圖4、圖5 所示。

圖4 陸面試驗場模型結構Fig.4 The structure of virtual on-land test site

圖5 陸面試驗場模型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，是水上試驗場的數字化模型，為虛擬試驗提供水上試驗環境，采用粒子流場與剛體碰撞的理論進行建模。

2.4.2 水面模塊建模方法

首先要設置液體屬性，包括密度、浮力方向、形狀、水體顏色、原始位置，其次要在程序里設置水體運動函數(包含波高、周期等參數)、實時更新函數等。其中水體運動函數可以采用波浪普數據，因數據難于獲取，本文采用數學函數代替，并根據海況標準對波高、周期進行設置，海況特性如表1 所示［4］。

表1 海況標準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現兩棲車輛入水、出水狀態轉換這個復雜的過程，是系統建模的重點，此模塊的準確度直接關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、兩棲車輛三部分進行動力學建模和耦合，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。本系統的解決方法是把流體離散成一個粒子集合，每個粒子的質量集中在質心并且不可壓縮，粒子與粒子之間不存在摩擦力，只有根據標準的碰撞定律解算出的相互作用力［5］，從計算原理上把流-固耦合問題轉化為多個剛體的動力學碰撞問題。該模塊的關鍵是粒子系統的建模，方法如下:

1)粒子的運動描述

系統中粒子i 的位置為pi(t)，mi為粒子質量，其速度為動量為Li(t)=mivi(t)，加速度為受到的作用力為Fi(t)=則粒子動力學狀態為

2)粒子的力

粒子系統存在5 種受力。

一為全局受力F1，這類力的作用點在質心處，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。

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;kd為阻尼系數;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量;G 為萬有引力常數。

本文所述系統只考慮前兩種受力，包含重力、推力和粘性力。其中推力為兩棲車噴水推進器所產生的作用力，由動力傳動模塊計算輸出;粘性力表征流體的流動特性，根據水體屬性和運動狀態選取經驗公式。

3)碰撞反應

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

碰撞過程速度與力按下式［5］計算:

式中:n 為粒子數量;mi為粒子質量;vi為粒子速度;m 為剛體質量;v 為剛體速度。

2.6 虛擬試驗方法

虛擬試驗過程中，通過事件定制模塊(Event subscribers)利用鍵盤、操控手柄或其他操控設備實現對虛擬車輛的操縱控制，完成試驗流程，輸出試驗數據。事件定制模塊根據車輛屬性和試驗要求設置事件觸發條件、操控鍵、動作步長、控制參數等［6-8］。例如，對于對兩棲車輛的噴水推進器進行加速(w)、減速(s)、左轉向(a)、右轉向(f)的控制代碼為:

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

3 計算實例

圖7 某高速兩棲履帶車輛陸上平順性虛擬試驗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，該車戰斗全質量28 t，陸上最高速度為70 km/h，水上最高航速達30 km/h，陸面環境采用某裝甲兵試驗場1∶1建模，水面環境為2 級海況的正弦波浪，其陸上、水上仿真狀態如圖7、圖8 所示。

3.2 仿真與試驗數據對比

通過與實車試驗數據對比可以發現，該仿真方法的計算誤差在15%以內，具有一定的準確度。部分對比數據如表2 所示。

表2 仿真與試驗數據對比Tab.2 The comparison of simulation and experimental data

4 結論

本文采用光滑粒子系統理論，通過建立粒子水域模擬水上試驗場、虛擬地形模擬陸上試驗場、動力學模型模擬實車狀態、半實物操控程序完成試驗車輛的操控，構建了一個高實時性的兩棲車輛虛擬試驗系統，能夠完成兩棲車輛絕大部分試驗項目，通過仿真數據和試驗數據對比、仿真姿態和試驗姿態對比，具有較高的可信度。

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