專利名稱：復(fù)雜運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)三維仿真模擬中的建模方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)仿真模擬方法技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及針對(duì)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)在進(jìn)行三維仿真模擬過(guò)程中的建模方法。
背景技術(shù)：
三維計(jì)算機(jī)仿真的應(yīng)用涉及游戲、新聞、電影、飛行器模擬等各個(gè)方面，特別是對(duì)于仿真可視化已經(jīng)成為科研人員開發(fā)仿真系統(tǒng)、開展仿真實(shí)驗(yàn)的重要輔助手段。在仿真模擬三維運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，通過(guò)利用各種先進(jìn)的硬件技術(shù)和軟件工具，設(shè)計(jì)出合理的硬件、軟件及交互手段，使參與者能交互地觀察和操縱系統(tǒng)生成的虛擬世界。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)技術(shù)的日益成熟和廣泛應(yīng)用，當(dāng)前該技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于針對(duì)復(fù)雜組裝系統(tǒng)模擬系統(tǒng)中。根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模和復(fù)雜程度大體可以將其分為兩類第一類是單部件裝置，如各類輕型武器裝備(如槍械、小型導(dǎo)彈、普通火炮)等，這類裝置的結(jié)構(gòu)與規(guī)模簡(jiǎn)單；第二類是復(fù)雜裝·備系統(tǒng)，如坦克、飛機(jī)、艦船等，這類系統(tǒng)由諸多分系統(tǒng)組成，例如制導(dǎo)系統(tǒng)、火控系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)等，這類武器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。在仿真虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中如何快速構(gòu)建復(fù)雜系統(tǒng)的模型是三維運(yùn)動(dòng)仿真模擬的主要問(wèn)題。傳統(tǒng)的模型構(gòu)建方法是將復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行三維網(wǎng)格劃分，針對(duì)每個(gè)格點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行跟蹤，在將各個(gè)格點(diǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行整合，從而確定整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，但其存在以下缺陷
(I)由于使用網(wǎng)格劃分，運(yùn)動(dòng)精度依賴于網(wǎng)格的精度，網(wǎng)格過(guò)密時(shí)，運(yùn)動(dòng)精度高，但跟蹤仿真的計(jì)算量大，效率低；(2)不能準(zhǔn)確反映構(gòu)建整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)模塊單元的狀態(tài)，不能仿真確定各個(gè)部分的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；(3)運(yùn)動(dòng)相對(duì)坐標(biāo)和絕對(duì)坐標(biāo)之間的變換關(guān)系復(fù)雜，容易產(chǎn)生計(jì)算誤差。因此在仿真模擬過(guò)程中，設(shè)計(jì)新的構(gòu)建運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)模型方法，是簡(jiǎn)化仿真計(jì)算，提高仿真精度的必然選擇。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明技術(shù)方案針對(duì)上述問(wèn)題，提出了一種解決方法，能夠方便地構(gòu)建復(fù)雜運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的三維幾何模型簡(jiǎn)化運(yùn)動(dòng)仿真模擬的建模過(guò)程，提高模擬準(zhǔn)確度。實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的技術(shù)方案為復(fù)雜運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)三維仿真模擬中的建模方法，該方法包括以下步驟(1)系統(tǒng)組成層次分拆，將復(fù)雜運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行逐級(jí)分拆各級(jí)子系統(tǒng)直至部件單元；(2)對(duì)分拆后的各級(jí)子系統(tǒng)和部件單元分別確定位置坐標(biāo)、旋轉(zhuǎn)角度，及相互間的相對(duì)位置關(guān)系和相對(duì)角度旋轉(zhuǎn)關(guān)系；(3)記錄各級(jí)子系統(tǒng)和部件單元的獨(dú)立及相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系；(4)根據(jù)(I)、(2)及(3)步的數(shù)據(jù)關(guān)系構(gòu)建整個(gè)系統(tǒng)及各級(jí)子系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)模型。上述步驟(2)中各級(jí)子系統(tǒng)和部件單元的位置坐標(biāo)和旋轉(zhuǎn)角度可以采用與上級(jí)系統(tǒng)的相對(duì)坐標(biāo)。上述步驟中，各級(jí)子系統(tǒng)和部件單元的位置坐標(biāo)、旋轉(zhuǎn)角度，及相互間的相對(duì)位置關(guān)系和相對(duì)角度旋轉(zhuǎn)關(guān)系是時(shí)間的函數(shù)。上述步驟中，各級(jí)子系統(tǒng)對(duì)象的平移、旋轉(zhuǎn)和縮放通過(guò)線性坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明的建模方案中，采用部件拆分的方法將復(fù)雜系統(tǒng)經(jīng)過(guò)逐漸拆分至各子系統(tǒng)及模塊單元，對(duì)每級(jí)子系統(tǒng)及模塊單元建立三維位置跟蹤及旋轉(zhuǎn)角度變化模型，根據(jù)子系統(tǒng)及模塊單元之間的位置相關(guān)關(guān)系實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)的建模及整體系統(tǒng)模型，該方法可以減少網(wǎng)格劃分方法中根據(jù)格點(diǎn)運(yùn)動(dòng)仿真整體運(yùn)動(dòng)的大計(jì)算量，提高仿真模擬精度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了三維運(yùn)動(dòng)快速仿真模擬的可視化。


圖I為本發(fā)明以坦克系統(tǒng)為例的模塊分拆建模示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合圖I的坦克系統(tǒng)模塊分拆建模示意圖，來(lái)詳細(xì)介紹本發(fā)明的技術(shù)方案，對(duì)于坦克系統(tǒng)進(jìn)行三維建模時(shí)，采用本發(fā)明的層次建模方法構(gòu)件其三維模型。采用本發(fā)明的層次建模方法時(shí)，首先將坦克系統(tǒng)分解為若干個(gè)分系統(tǒng)，子系統(tǒng)又可以根據(jù)其復(fù)雜程度分解為更細(xì)的子系統(tǒng)直至最終的模塊單元，這些子系統(tǒng)和模塊單元可以復(fù)原拼裝為完整的·坦克系統(tǒng)。常用的子系統(tǒng)的幾何建模使用專業(yè)的三維建模工具軟件構(gòu)建，如Autodesk公司的3D Studio Max和Presagis公司的Creator等。例如對(duì)坦克三維建模時(shí),可以首先把坦克劃分為兩部分，坦克殼體和塔臺(tái)兩個(gè)子系統(tǒng)，而坦克殼體又細(xì)化為車輪組和車體，塔臺(tái)由分為轉(zhuǎn)臺(tái)和炮管，如圖I所示就對(duì)坦克系統(tǒng)進(jìn)行上述劃分；(2)對(duì)劃分的每個(gè)子系統(tǒng)及單元進(jìn)行建模，每個(gè)子系統(tǒng)或模塊由其位置坐標(biāo)及旋轉(zhuǎn)關(guān)系決定，本實(shí)施例中，使用PresagisCreator在對(duì)坦克建模，分別構(gòu)建坦克車殼體模型(hull，三維模型文件名為hull, fit)和塔臺(tái)模型(turret,三維模型文件名為turret, f It),而殼體模型又由車輪組(wheels,三維模型文件名為wheels, fit)和車身(body,三維模型文件名為body, fit)組成，塔臺(tái)模型由轉(zhuǎn)臺(tái)(tur2xhi,三維模型文件名為tur2xhi. fit)和炮管(gun2xhi,三維模型文件名為gun2xhi. fit)組成。坦克三維模型(vehicle,三維模型文件名為vehicle, fit)由殼體模型(hull)和塔臺(tái)模型(turret)組成，同時(shí)將子系統(tǒng)間相對(duì)位置關(guān)系(X、Y、Z);方位關(guān)系(H、P、R)，也建立相關(guān)數(shù)據(jù)模型；(3)坦克系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，跟蹤模擬各個(gè)子系統(tǒng)的位置數(shù)據(jù)、旋轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，及子系統(tǒng)之間相對(duì)位置、相對(duì)旋轉(zhuǎn)關(guān)系的變化確定整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的仿真模擬過(guò)程。在三維空間中，一個(gè)剛體質(zhì)量的自由度數(shù)是確定它在空間的位置所需要的最少坐標(biāo)數(shù)目。一個(gè)空間剛體共有六個(gè)自由度三個(gè)平動(dòng)自由度(X，Y，z)確定質(zhì)量中心的位置，三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度(Qx, 0 y, 0z)確定剛體的方位。三維空間中的自由度(Degreeof Freedom，D0F)是描述或確定一個(gè)系統(tǒng)(主體)的運(yùn)動(dòng)或狀態(tài)(如位置)所必需的獨(dú)立參變量(或坐標(biāo)數(shù))。一個(gè)不受任何約束的自由主體,在空間運(yùn)動(dòng)時(shí),具有6個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)參數(shù)(自由度)，即沿XYZ三個(gè)軸的獨(dú)立移動(dòng)和繞XYZ三個(gè)軸的獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)。剛體受到約束后，某些獨(dú)立運(yùn)動(dòng)參數(shù)不再存在，相對(duì)應(yīng)的，這些自由度也就被消除。當(dāng)6個(gè)自由度都被消除后，主體就被完全定位并且不可能再發(fā)生任何運(yùn)動(dòng)。武器裝備各分系統(tǒng)之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系可以簡(jiǎn)化分解為兩種運(yùn)動(dòng)類型沿軸移動(dòng)和繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，復(fù)雜運(yùn)動(dòng)關(guān)系是這兩種運(yùn)動(dòng)關(guān)系的組合而來(lái)。本實(shí)施在建立運(yùn)動(dòng)模型時(shí)，通過(guò)描述分系統(tǒng)間沿軸移動(dòng)關(guān)系，即X、Y、Z方向，確定各系統(tǒng)和坦克整天的平動(dòng)，通過(guò)使用旋轉(zhuǎn)方位角，旋轉(zhuǎn)俯仰角，旋轉(zhuǎn)橫滾角度確定各部分的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)系，最后通過(guò)運(yùn)動(dòng)矢量合成確定坦克系統(tǒng)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)仿真模擬。
以上所述，為本發(fā)明內(nèi)容的較佳實(shí)施例，并非對(duì)本發(fā)明內(nèi)容作任何限制,凡根據(jù)本發(fā)明內(nèi)容技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、變更以及等效結(jié)構(gòu)變化，均屬于本發(fā)明內(nèi)容技術(shù)方案的保護(hù)范圍內(nèi)。·
權(quán)利要求
1.復(fù)雜運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)三維仿真模擬中的建模方法，其特征在于，該方法包括以下步驟(1)系統(tǒng)組成層次分拆，將復(fù)雜運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行逐級(jí)分拆各級(jí)子系統(tǒng)直至部件單元；(2)對(duì)分拆后的各級(jí)子系統(tǒng)和部件單元分別確定位置坐標(biāo)、旋轉(zhuǎn)角度，及相互間的相對(duì)位置關(guān)系和相對(duì)角度旋轉(zhuǎn)關(guān)系；(3)記錄各級(jí)子系統(tǒng)和部件單元的獨(dú)立及相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系；(4)根據(jù)(I)、(2)及(3)步的數(shù)據(jù)關(guān)系構(gòu)建整個(gè)系統(tǒng)及各級(jí)子系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)模型。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)三維仿真模擬中的建模方法，其特征在于，步驟(2)中各級(jí)子系統(tǒng)和部件單元的位置坐標(biāo)和旋轉(zhuǎn)角度可以采用與上級(jí)系統(tǒng)的相對(duì)坐標(biāo)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)三維仿真模擬中的建模方法，其特征在于，各級(jí)子系統(tǒng)和部件單元的位置坐標(biāo)、旋轉(zhuǎn)角度，及相互間的相對(duì)位置關(guān)系和相對(duì)角度旋轉(zhuǎn)關(guān)系是時(shí)間的函數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)三維仿真模擬中的建模方法，其特征在于，各級(jí)子系統(tǒng)對(duì)象的平移、旋轉(zhuǎn)和縮放通過(guò)線性坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明公開了復(fù)雜運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)三維仿真模擬中的建模方法，該方法包括以下步驟(1)系統(tǒng)組成層次分拆，將復(fù)雜運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行逐級(jí)分拆各級(jí)子系統(tǒng)直至部件單元；(2)對(duì)分拆后的各級(jí)子系統(tǒng)和部件單元分別確定位置坐標(biāo)、旋轉(zhuǎn)角度，及相互間的相對(duì)位置關(guān)系和相對(duì)角度旋轉(zhuǎn)關(guān)系；(3)記錄各級(jí)子系統(tǒng)和部件單元的獨(dú)立及相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系；(4)根據(jù)(1)、(2)及(3)步的數(shù)據(jù)關(guān)系構(gòu)建整個(gè)系統(tǒng)及各級(jí)子系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)模型。本發(fā)明技術(shù)方案將復(fù)雜系統(tǒng)經(jīng)過(guò)逐漸拆分至各子系統(tǒng)及模塊單元，對(duì)其建立三維位置跟蹤及旋轉(zhuǎn)角度變化模型，根據(jù)子系統(tǒng)及模塊單元之間的位置相關(guān)關(guān)系實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)的建模及整體系統(tǒng)模型，減少網(wǎng)格劃分方法的大計(jì)算量，提高仿真模擬精度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了快速仿真模擬的可視化。
文檔編號(hào)G06F17/50GK102789532SQ20121026781
公開日2012年11月21日 申請(qǐng)日期2012年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月31日
發(fā)明者余苗, 劉明皓, 喻細(xì)輝, 夏旻, 姚臨海, 康鳳舉, 張博, 王笑寒, 錢東, 閻晉屯 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍92232部隊(duì)