﻿ 基于虚拟现实的装甲车辆运动仿真研究
 计算机系统应用  2019, Vol. 28 Issue (6): 221-227 PDF

Research on Armored Vehicle Motion Simulation Based on Virtual Reality
GUO Li-Wei, WANG Quan, GAO Ke-Bin, GU Wen
NCO School, Artillery and Air-defense Forces Academy of Army, Shenyang 110867, China
Abstract: The simulation of vehicle body posture in the running of armored vehicles is the key technology to simulate the driving training system. In order to realize the simulation of armored vehicle driving under different terrain based on virtual reality, the method of motion simulation of armored vehicle based on virtual reality is presented in this paper. Firstly, the structure, shape, and real terrain of the armored vehicle are constructed, and the driving scenarios are displayed simultaneously from the first and third perspectives. Secondly, the dynamic model of vehicle driving is established to solve the attitude data of vehicle body under different topography. Finally, the whole scene and vehicle posture are dynamically rendered through Unity3D engine. The experimental results show that this method can accurately simulate the vehicle body posture under various topographic conditions and truly simulate the running state of the vehicle.
Key words: virtual reality     driving simulation     dynamic modeling     bodywork posture

1 装甲车辆驾驶仿真模型

 图 1 装甲车辆驾驶仿真模型

1.1 装甲车辆实体模型构建

 图 2 装甲车实体模型

 图 3 履带模型图

1.2 装甲车辆运动过程动力学建模

1.2.1 受力分析

1) 重力

2) 空气阻力Rk

 ${R_k} = CA{v^2}$ (1)

 $A = mWH$ (2)

W是履带的中心距, H是高度, m是修正系数, v是装甲车行驶速度.

3) 地面阻力

 ${\rm{R}} = {\mu _\gamma }Q$ (3)

4) 牵引力

 $F = \frac{{{M_f}i\eta }}{{{r_z}}}$ (4)

1.2.2 运动形态分析

1) 直线行驶状态

 图 4 直线行驶状态图

 $Ro{{t}_{v}}=\arcsin ({{{y}_{d}}}/{v\Delta t}\;)$ (5)

 $Ro{{t}_{h}}=\arctan ({{{z}_{d}}}/{{{x}_{d}}}\;)$ (6)

 \left\{ \begin{align} & {x}'=x+v\Delta \cos Ro{{t}_{h}}*\cos Ro{{t}_{v}} \\ & {y}'=y+v\Delta t\sin Ro{{t}_{h}} \\ & {z}'=z+v\Delta \cos Ro{{t}_{h}}*\sin Ro{{t}_{v}} \\ \end{align} \right. (7)

 图 5 装甲车俯仰角

 图 6 装甲车调整俯仰角

2) 转弯行驶状态

① 小半径区就是指转弯半径的取值范围[0, W/2]之间, 其中W是车身的宽度, 也就意味着旋转中心在装甲车内部. 此时装甲车两侧的履带的速度的方向是相反的, 模拟这种情况可以简化为给装甲车一个固定的角速度, 让装甲车绕质心所在的法向量做旋转运动, 即原地打转.

② 大半径区是指转弯半径大于W/2. 此时装甲车转弯的形态就像一般的车辆. 即使是这样, 装甲车辆的转向行驶状态也是十分复杂的. 假定装甲车是在水平面上运动, 但是装甲车在高速转弯和低速转弯时所受到的离心力影响是不同的, 转向阻力矩也是不同的. 若是把装甲车看成是刚体, 则它应该有六个自由度: 横向、纵向、垂直三个平移自由度, 翻滚、俯仰、和偏航三个旋转自由度. 由于是在水平面做转向运动, 就没有垂直方向的平移自由度和翻滚、俯仰两个旋转自由度. 只剩横向、纵向两个平移自由度和偏航一个旋转自由度. 为了简化设计的复杂性, 不考虑离心力和转向阻力矩, 只考虑装甲车以速度v进行转向(以左转为例)行驶. 为了方便观察, 以俯视的角度绘制示意图. 其中Center(x0, y0)是装甲车转弯轨迹圆的圆心, CurPos(x, z)是装甲车的当前所处的位置, Dir(xd, zd)是当前的行驶方向, AimPos(x’, z’)是装甲车目标位置, Dir’(xd’, zd’)是装甲车到达目标位置时的行驶方向.

 $v\Delta t={\rm{R}\theta }/{2}\;$ (8)
 $\sqrt{{{({{x}^{'}}-x)}^{2}}+{{({{z}^{'}}-z)}^{2}}}=2R\sin ({\theta }/{2}\;)$ (9)

 图 7 水平地面转弯

3) 比较复杂的情况是在坡路上转弯

 $\angle { B}{ O}{ B}' = \angle { A}{ O}{ B} * \angle { A}{ O}{ A}'/{90^ \circ }$ (10)

 图 8 坡道转弯

1.3 地形场景构建以及驾驶视角

 图 9 第一视角图

 图 10 第三视角图

2 试验与分析

 图 11 坡道模型图

 图 12 直行上坡图

 图 13 坡道左转图(上坡)

 图 14 坡道左转图(下坡)

3 结论

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