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水下超空泡航行體運(yùn)動(dòng)視景仿真方法

文檔序號(hào):6323559閱讀:275來源:國(guó)知局
專利名稱:水下超空泡航行體運(yùn)動(dòng)視景仿真方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā) 明涉及的是一種仿真方法,具體地說是一種超空泡航行體運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的可視化仿真技術(shù),特別是將超空泡航行體的運(yùn)動(dòng)姿態(tài),空泡的形成過程,與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)相結(jié)合的可視化仿真技術(shù)。
背景技術(shù)
超空泡航行體由于單體全部或大部分被空泡包裹,使得航行體所受的流體阻力顯著減小,因而,其航行速度可以達(dá)到100m/S以上。目前,超空泡航行體的動(dòng)力學(xué)及控制問題成為各國(guó)的研究熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)相關(guān)機(jī)構(gòu)和高校已經(jīng)意識(shí)到超空泡航行體的發(fā)展前景,并紛紛著手相關(guān)研究工作。國(guó)內(nèi)也從相關(guān)國(guó)際會(huì)議上了解到了更多國(guó)際上的研究動(dòng)態(tài),但在很多方面還存在著諸多技術(shù)難題。對(duì)于超空泡航行體動(dòng)力學(xué)及控制問題的研究方法主要有數(shù)值模擬仿真和射彈實(shí)驗(yàn)兩種方法。數(shù)值模擬主要借助于計(jì)算軟件,對(duì)航行體的動(dòng)力學(xué)模型(微分方程組)進(jìn)行建模,求解微分方程的數(shù)值解,對(duì)航行體的航行姿態(tài)進(jìn)行仿真模擬分析。射彈實(shí)驗(yàn)方法根據(jù)模型的尺寸設(shè)計(jì)并加工樣彈,在水洞或水池中進(jìn)行射彈實(shí)驗(yàn)。以上兩種研究方法都存在一定的缺陷,其中以理論研究為基礎(chǔ)的數(shù)值模擬仿真方法,該方法根據(jù)理論計(jì)算得到超空泡航行體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,研究結(jié)果多以仿真曲線或統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的形式出現(xiàn),表現(xiàn)形式抽象,且研究所獲得的結(jié)論與實(shí)際有較大的差距。射彈研究方法為實(shí)物仿真,可以從宏觀全局上把握控制體的性能及運(yùn)動(dòng)情況,但成本高、工藝要求復(fù)雜,特別是重復(fù)性差、風(fēng)險(xiǎn)性高。因而,完全依賴于實(shí)驗(yàn)研究獲得超空泡航行體的動(dòng)力學(xué)特性及控制規(guī)律難度較大。對(duì)于超空泡航行體動(dòng)力學(xué)與控制問題的研究急需一種既能提供精確數(shù)學(xué)模型,同時(shí)能夠多次重復(fù)試驗(yàn),節(jié)省研制經(jīng)費(fèi)的研究方法。虛擬現(xiàn)實(shí)的仿真技術(shù)具有安全、經(jīng)濟(jì)、可控、無破壞性、允許多次重復(fù)等許多優(yōu)點(diǎn)。采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù),可以用準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型代替真實(shí)的物理模型,在計(jì)算機(jī)平臺(tái)上重復(fù)多次的模擬試驗(yàn),分析試驗(yàn)結(jié)果,從而縮短試驗(yàn)和研制周期,節(jié)省試驗(yàn)和研制經(jīng)費(fèi)。而基于OpenGL的虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù),更勝于傳統(tǒng)的二維仿真技術(shù),使仿真結(jié)果更加直觀化、現(xiàn)場(chǎng)化,具有良好的可視化和交互性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有良好的可視及交互性,有助于超空泡魚雷運(yùn)動(dòng)控制的研究及控制方案的選擇的水下超空泡航行體運(yùn)動(dòng)視景仿真方法。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明的技術(shù)要點(diǎn)主要體現(xiàn)在它是由包括三維彈體模型的加載模塊、負(fù)責(zé)超空泡航行體運(yùn)動(dòng)軌跡的計(jì)算與控制規(guī)律的運(yùn)用、空泡形成過程的仿真繪制的計(jì)算模塊,接收實(shí)時(shí)控制消息并提供相應(yīng)的顯示視圖的視圖顯示模塊,提供統(tǒng)一接口獲取計(jì)算模塊數(shù)據(jù)、同時(shí)將相關(guān)數(shù)據(jù)傳送給視圖顯示模塊的通訊模塊組成。所述的模型加載模塊先由三維動(dòng)畫渲染和制作軟件3dmax根據(jù)航行體的尺寸繪制三維彈體模型,運(yùn)用材質(zhì)貼圖,布爾運(yùn)算方法的加工,使其方便的加載到OpenGL中。選用轉(zhuǎn)換軟件MilkShape將繪制好的航行體模型轉(zhuǎn)換成ms 3d格式,并實(shí)現(xiàn)在OpenGL中的加載顯不。所述的計(jì)算模塊根據(jù)航行體的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,穩(wěn)定超空泡計(jì)算模型,以及控制規(guī)律, 實(shí)時(shí)解算航行體在各個(gè)時(shí)刻的航行狀態(tài)的姿態(tài)數(shù)據(jù),包括航行深度Z,垂向速度VT ,俯仰角 θ,俯仰角速度q等姿態(tài)信息的實(shí)時(shí)解算??张轄顟B(tài)的主要參數(shù)的計(jì)算,包括空化數(shù)σ隨速度的變化,空泡半徑R。,空泡長(zhǎng)度1,空泡收縮率悉的變化等。所述的空泡繪制模塊,利用三角形拼接空泡的外形,即在OpenGL的函數(shù) glBegin(GL_TRIANGLES)及glEnd()之間加入glVertex3f ()函數(shù),函數(shù)參數(shù)為以坐標(biāo)方式描述的三角型頂點(diǎn)數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)取為所述計(jì)算模塊中實(shí)時(shí)解算的以數(shù)組形式表示的空泡狀態(tài)參數(shù),如此進(jìn)行循環(huán)繪制,由于所繪制的空泡為三維形態(tài),還需為實(shí)時(shí)解算的空泡狀態(tài)參數(shù)在Y軸和Z軸方向分別乘余弦與正弦角度,角度進(jìn)行360度的循環(huán),即可完成三維繪制工作。所述的視圖顯示模塊包括超空泡航行體、航行體周圍形成的空泡及航行體飛越的大面積基本環(huán)境。對(duì)配置的模型進(jìn)行實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)并顯示,可以直觀的觀察航行體在運(yùn)動(dòng)過程中周圍形成空泡的過程及空泡的形態(tài),以及航行體在選擇的穩(wěn)定控制模式下縱向運(yùn)動(dòng)的俯仰角、深度等各姿態(tài)信息的變化情況。VC++中,在Project- > Settings- > Link選項(xiàng)卡下,Object/library modules下面的文本框中添加庫文件,使其工作在OpenGL環(huán)境中,建立初始化、定義、配置等一系列仿真流程來實(shí)現(xiàn)對(duì)模型及仿真環(huán)境的驅(qū)動(dòng),使用幀循環(huán)不斷接收數(shù)據(jù),并在每一幀中不斷更新,從而實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。所述的通信模塊負(fù)責(zé)從計(jì)算模塊取得數(shù)據(jù),發(fā)送數(shù)據(jù)給視圖顯示并且負(fù)責(zé)計(jì)算模塊和視圖之間在時(shí)間上的同步,使計(jì)算模塊,加載模塊及顯示模塊,各功能單元之間通過交互來共同完成設(shè)計(jì)任務(wù)。超空泡航行體運(yùn)動(dòng)過程視景仿真系統(tǒng)是以水下超空泡航行體為研究對(duì)象、對(duì)航行體復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)過程進(jìn)行仿真,仿真實(shí)驗(yàn)過程包括航行體本身的三維建模、模型的驅(qū)動(dòng)、三維空泡的繪制與顯示、水下環(huán)境的渲染、觀察者視景的切換、航行體控制規(guī)律的篩選與確定等,可以三維動(dòng)態(tài)模擬超空泡航行體在不同控制規(guī)律下的運(yùn)動(dòng)情況,具有研究周期短,成本低,可信度高的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的視景仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基本功能如下1.根據(jù)給定的初始條件,三維顯示超空泡航行體的運(yùn)行狀態(tài)。給定的初始條件包括航行體外觀的各個(gè)參數(shù)、各部分的比例等,用以繪制更符合實(shí)際的彈體模型。空泡狀態(tài)的主要參數(shù)包括空化數(shù)σ隨速度的變化,空泡半徑R。,空泡長(zhǎng)度1,空泡收縮率悉的變化等,用以實(shí)時(shí)繪制魚雷周圍所形成的空泡的形態(tài)。航行體的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型以及控制規(guī)律,用來實(shí)時(shí)解算航行體在各個(gè)時(shí)刻的航行狀態(tài)的姿態(tài)數(shù)據(jù),包括航行深度ζ,垂向速度VT,俯仰角θ,俯仰角速度q等姿態(tài)信息。由以上的 初始條件,即可三維顯示超空泡航行體的運(yùn)行狀態(tài)。2.可以顯示航行體所處場(chǎng)景環(huán)境及相對(duì)航行姿態(tài)。
該系統(tǒng)采用紋理映射技術(shù)來生成海底地形,即在多個(gè)四邊形上進(jìn)行紋理貼圖來近似模擬超空泡運(yùn)行過程中的海底地形,由于四邊形的個(gè)數(shù)多,該過程采用循環(huán)處理。運(yùn)行過程中的海洋環(huán)境的顯示采用同樣的方法。超空泡航行體縱向平面的俯仰角運(yùn)動(dòng)表示成航行體繞其頭部空化器的角度旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)角度即為實(shí)時(shí)解算出來的航行體姿態(tài)信息中的俯仰
角。 3.可以實(shí)現(xiàn)不同視角的切換。利用虛擬現(xiàn)實(shí)中的人機(jī)交互作用,設(shè)置當(dāng)鍵盤上的某個(gè)鍵被按下時(shí),可以實(shí)現(xiàn)不同視角的切換功能。使用OpenGL中的gluLookAtO函數(shù),使其中的參數(shù)按照設(shè)計(jì)要求實(shí)時(shí)發(fā)生變化,完成了不同視角的切換功能。本發(fā)明的有益效果是不僅是通過仿真使用戶更加直觀的了解超空泡魚雷的運(yùn)行情況,而且更是要協(xié)助完成運(yùn)行方案的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、篩選機(jī)確定,所以必須采用基于物理規(guī)律的運(yùn)動(dòng)建模方法。本發(fā)明將水下超空泡航行體的縱向運(yùn)動(dòng)控制與基于OpenGL的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合,使結(jié)果具有良好的可視及交互性,有助于超空泡魚雷運(yùn)動(dòng)控制的研究及控制方案的選擇。本發(fā)明將超空泡航行體的縱向運(yùn)動(dòng)控制與基于OpenGL的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合, 其目的在于提供一種不僅能通過仿真使用戶更加直觀的掌握超空泡航行體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,而且能夠協(xié)助完成控制方案的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、篩選和確定的超空泡航行體視景仿真系統(tǒng)。


圖1是水下超空泡航行體運(yùn)動(dòng)視景仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程框圖;圖2是虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)運(yùn)行過程框圖;圖3是仿真系統(tǒng)運(yùn)行所需總體配置框圖;圖4是OpenGL仿真工作流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)地描述如圖1所示的是水下超空泡航行體運(yùn)動(dòng)視景仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程框圖,框圖中數(shù)據(jù)源主要包括超空泡航行體的運(yùn)行姿態(tài)數(shù)據(jù)、視景環(huán)境數(shù)據(jù)、實(shí)際超空泡航行體的外觀結(jié)構(gòu)。 根據(jù)實(shí)際的超空泡航行體的外觀數(shù)據(jù)在3DMax軟件中繪制三維航行體體模型,經(jīng)過軟件 MilkShape模塊轉(zhuǎn)換成可以加載到OpenGL中的Ms3d格式的文件,放入工程目錄下。同時(shí)結(jié)合數(shù)據(jù)源中的航行體姿態(tài)數(shù)據(jù)及視景環(huán)境數(shù)據(jù),編寫OpenGL應(yīng)用程序,實(shí)時(shí)發(fā)聲器API接口自定義代碼。最后編寫實(shí)時(shí)應(yīng)用程序,實(shí)現(xiàn)模型加載并在屏幕上的顯示的功能及驅(qū)動(dòng)所渲染場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)仿真。如圖4所示的OpenGL仿真工作流程圖,新建一個(gè)MFC的工程,添加OpenGL庫文件, 將其初始化為OpenGL編程環(huán)境。系統(tǒng)定義包括,設(shè)置SetupPixelFormat ()函數(shù)中的參數(shù), 使其OpenGL顯示的像素格式。設(shè)置InitialGLO函數(shù),對(duì)OpenGL環(huán)境初始化。捕獲WM_ CREATE消息,最后捕獲WM_DESTR0Y消息。系統(tǒng)的配置中,使用類MilkshapeModel及Model 加載ms3d格式的超空泡航行體模型,并在類View中進(jìn)行初始化設(shè)置。加載海水及海底的紋理,并在類View中初始化。根據(jù)動(dòng)力學(xué)方程計(jì)算航行體運(yùn)行的姿態(tài)及周圍形成的空泡的形態(tài)。變換視角觀察魚雷的運(yùn)行及其周圍空泡的形態(tài)。設(shè)置定時(shí)器,其定時(shí)器的工作線程如下所示OnTimer() (Invalidate(FALSE))- > OnDraw(CDOpDC) (RenderSceneO)- >進(jìn)行屏幕上的所有繪制工作,包括繪制彈體,繪制空泡,繪制尾部煙霧,繪制地形,繪制海洋環(huán)境,如此按照設(shè)置的定時(shí)器周期進(jìn)行幀循環(huán)并實(shí)現(xiàn)繪制任務(wù)。其中,在進(jìn)行航行體和空泡的繪制過程中使用的OpenGL混色功能 ,使超空泡周圍的空泡顯示為半透明色,在空泡動(dòng)態(tài)形成的過程中視覺效果良好。
權(quán)利要求
1.一種水下超空泡航行體運(yùn)動(dòng)視景仿真方法,其特征是由包括超空泡航行體運(yùn)動(dòng)模型、穩(wěn)定空泡流模型、控制規(guī)律、超空泡航行體飛行彈道模型組成的計(jì)算模塊,建立二維模型、接收更新數(shù)據(jù)及消息的模型加載模塊,接收實(shí)時(shí)操縱指令并進(jìn)行二維圖形實(shí)時(shí)顯示及視圖重繪的視圖顯示模塊,提供統(tǒng)一接口獲取軌道計(jì)算模型數(shù)據(jù)、同時(shí)將實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)傳遞給各個(gè)視圖的通信模塊構(gòu)成視景仿真系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下超空泡航行體運(yùn)動(dòng)視景仿真方法,其特征是所述的計(jì)算模塊根據(jù)航行體的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,穩(wěn)定超空泡計(jì)算模型,以及控制規(guī)律,實(shí)時(shí)解算航行體在各個(gè)時(shí)刻的航行狀態(tài)的姿態(tài)數(shù)據(jù),空泡狀態(tài)的主要參數(shù),對(duì)有控狀態(tài)下,超空泡航行體的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行仿真計(jì)算。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的水下超空泡航行體運(yùn)動(dòng)視景仿真方法,其特征是所述的模型加載模塊先由3dmaX根據(jù)航行體的尺寸繪制彈體模型,運(yùn)用材質(zhì)貼圖,布爾運(yùn)算方法的加工,使其加載到OpenGL中;選用轉(zhuǎn)換軟件MilkShape將繪制好的水下超空泡航行體模型轉(zhuǎn)換成ms3d格式,并實(shí)現(xiàn)在OpenGL中的加載顯示。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的水下超空泡航行體運(yùn)動(dòng)視景仿真方法,其特征是所述空泡的繪制方法為利用三角形拼接空泡的外形,即在OpenGL的函數(shù)glBegin(GL_TRIANGLES) 及glEndO之間加入glVerteX3f()函數(shù),函數(shù)參數(shù)為以坐標(biāo)方式描述的三角型頂點(diǎn)數(shù)據(jù), 數(shù)據(jù)取為所述計(jì)算模塊中實(shí)時(shí)解算的以數(shù)組形式表示的空泡狀態(tài)參數(shù),如此進(jìn)行循環(huán)繪制,為實(shí)時(shí)解算的空泡狀態(tài)參數(shù)在Y軸和Z軸方向分別乘余弦與正弦角度,角度進(jìn)行360度的循環(huán),完成三維繪制。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的水下超空泡航行體運(yùn)動(dòng)視景仿真方法,其特征是所述的視圖顯示模塊包括超空泡航行體、航行體周圍形成的空泡及航行體飛越的大面積基本環(huán)境的顯示,對(duì)配置的模型進(jìn)行驅(qū)動(dòng),細(xì)致模擬航行體在運(yùn)動(dòng)過程中空泡形成過程,以及航行體在選擇的控制模式下的縱向運(yùn)動(dòng)的俯仰角、深度姿態(tài)信息的變化情況,在VC++中添加庫文件,使其工作在OpenGL環(huán)境中,建立初始化、定義、配置仿真流程來實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的驅(qū)動(dòng),在幀循環(huán)中接收數(shù)據(jù),在每一幀中不斷更新,從而實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的水下超空泡航行體運(yùn)動(dòng)視景仿真方法,其特征是所述的通信模塊負(fù)責(zé)從計(jì)算模塊取得數(shù)據(jù),發(fā)送數(shù)據(jù)給視圖顯示并且負(fù)責(zé)計(jì)算模塊和視圖之間在時(shí)間上的同步,使計(jì)算模塊,加載模塊及顯示模塊,各功能單元之間交互。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種水下超空泡航行體運(yùn)動(dòng)視景仿真方法。由包括超空泡航行體運(yùn)動(dòng)模型、穩(wěn)定空泡流模型、控制規(guī)律、超空泡航行體飛行彈道模型組成的計(jì)算模塊,建立二維模型、接收更新數(shù)據(jù)及消息的模型加載模塊,接收實(shí)時(shí)操縱指令并進(jìn)行二維圖形實(shí)時(shí)顯示及視圖重繪的視圖顯示模塊,提供統(tǒng)一接口獲取軌道計(jì)算模型數(shù)據(jù)、同時(shí)將實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)傳遞給各個(gè)視圖的通信模塊構(gòu)成視景仿真系統(tǒng)。本發(fā)明將超空泡航行體的縱向運(yùn)動(dòng)控制與基于OpenGL的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合,提供了一種不僅能通過仿真使用戶更加直觀的掌握超空泡航行體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,而且能夠協(xié)助完成控制方案的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、篩選和確定的超空泡航行體視景仿真系統(tǒng)。
文檔編號(hào)G05B17/02GK102156412SQ20101061224
公開日2011年8月17日 申請(qǐng)日期2010年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月29日
發(fā)明者蘭賀, 孫堯, 安偉光, 梁鋒, 趙新華 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)
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