DVENET中坦克装甲车辆机动性仿真的研究

相对于 Oi 点的位移 。Ui 可写成如下表达式 :
Ui = A ui
(4. 2)
这里 , A 是旋转矩阵 , ui 是 Xi Yi Zi 下 P 点相对于 Oi 点的位
移。
4. 2 多刚体系统中点的位移分析
4. 3 刚体定轴转动时的旋转矩阵
自由刚体的一般运动可以分解为随刚体上一个任选基
刚体定轴转动的旋转矩阵有很多种描述方法[6] , 如 :方
在 DV EN ET 中存在着多种实体 ,按性质可分为静态实 体和动态实体两种 。静态实体是指那些静止的 、仿真中无法 自主改变状态的物体 ,如各种建筑物 、树木 、灯塔等 。动态实 体是指仿真中可以主动改变自身状态的物体 ,如地面上行驶 的各种装甲战辆 、空中飞行的飞机 、海洋中行驶的舰艇等 ,它 可以是人操纵的 ,或者是计算机自动控制的 。动态实体具有 行为特性 ,其中机动性是重要的行为特性之一 。
QRR Fθ + ω ×Iθθω)
(3. 1)
其中 : M RR为坦克的质量矩阵 , Iθθ为转动惯量 , R¨为坦克质心 的加速度 ,α为坦克角加速度 , QRR为合外力 , Fθ为合力矩 ,ω 为角速度 。合外力 QRR可用下式计算 :
Q RR = Ft - Ff = Fi - Fw - Fb
(3. 2)
在美国 ,仿真技术在军事领域得到了广泛的应用 。从八 十年代开始 ,美国就开展了许多项目的研究工作[2 ] 。如 :美 国国防部高级计划局为陆军研制的 Simulation Network (简称 SIMN ET) 项 目 ; 美 国 陆 军 仿 真 训 练 与 测 试 指 挥 委 员 会 (SETICOM) 研制的综合武器战术训练器 ( CA TT) 项目 。从
第 12 卷第 4 期 2000 年 7 月
文章编号 :10042731X (2000) 0420315204
系统仿真学报
JOURNAL OF SYSTEM SIMULATION
Vol. 12 No. 7 J uly 2000
D VENET 中坦克装甲车辆机动性仿真的研究
张景骞 , 焦 洁 , 李 新
如何验证坦克的机动性是否达到设计要求呢 ? 长期以 来 ,研制单位主要通过试车方式来验证 。传统的方法不仅需 要大量的人力 、物力和时间 ,而且无法克服实验中因操作人 员的技术熟练程度等非客观因素对实验结果的影响 。90 年 代以来 ,随着计算机虚拟现实技术 、网络技术 、数据库技术的 发展 ,分布式交互仿真 DIS 技术在军事领域受到了广泛的应 用 。使用仿真技术 ,不仅节省研制经费 ,而且缩短研制周期 , 提高研制效率 。因此 ,借助于先进的仿真技术来验证坦克的 机动性 ,将具有重大的现实意义 。
张景骞等 :DV EN ET 中坦克装甲车辆机动性仿真的研究
的坐标原点 , P 为炮管顶点 , W 为一个车轮的接地点 。如图 6 所示 。
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图 6 坦克分解图
图 7 刚体上的点在空间中的位移
运动学分析的目的是求在已知 O1 的坐标值 , 车体的旋 转角θ1 ,炮塔的旋转角θ2 ,车轮的旋转角θ3 成的情况下求炮 管顶点 P ,车轮的接地点 W 的坐标 。因为 P 点是射击状况 下 ,炮弹的出口点 , 在计算弹道的轨迹方程时需要该点的坐 标值 ; W 点是车轮的接地点 ,在进行地形匹配时需要该点的 坐标值 。
收稿日期 : 2000203201 基金项目 : 国家 863 计划重点项目资助 :86323062ZD210202
1994 年开始 ,美国 DARPA 和美军大西洋司令部联合又开展 了高 级 概 念 技 术 演 示 项 目 ( Advanced Concept Technology Demonstration , 简 称 ACTD) 和 战 争 综 合 演 练 场 ( Synt hetic Theater Of War ,简称 STOW) 。
其中 : Ft为发动机驱动力 , Ff 为滚动阻力 , Fi 为坡度阻力 , Fw 为空气阻力 , Fb为制动阻力 。
3. 1 发动机驱动力的计算
Ft
=
T t q i g i 0ηt r
(3. 3)
Ttq为发动机扭矩 , Ttq大小 Ttq满足下列公式要求 :
Pe = Ttq 3 N / 9549
3. 2 滚动阻力 ,坡度阻力 ,空气阻力的计算
的坦克系统在行驶中各部件是有变形的 ,但该变形相对于各
滚动阻力 Ff = G 3 f
部件的尺寸来说很小 ,因此 ,可忽略不计 。
坡度阻力 Fi = G 3 i p
假定 3 坦克各部分之间的连结采用定轴转动方式 。 假定 4 坦克的车体部分与车轮之间采用定轴转动连结 方式 ,不考虑悬架的弹性影响 。
空气阻力 FW
=
Cd 3 A 21. 15
3
U a2
G 为坦克重量 , f 为阻力系数 , ip 为坡度系数 。
假定 5 为了简化地形匹配模型 ,假定坦克只有四个车
轮。
(3. 5) (3. 6)
(3. 7)
3 坦克行驶动力学分析
行驶动力学模型将直接影响坦克的机动性 。具体来说 ,
将坦克总体设计 CAD 软件提供的发动机动力特性 、液力变
在我国 ,虽然研究 DIS 的时间不长 ,但也已经取得了较 为丰硕的成果 。如 : 北京航空航天大学承担的 863 重点课 题%% 分布式虚拟战场环境 (Distributed Virtual Environment Network ,简称 DV EN ET) [3 , 4 ] 。该课题的研究目标是开发一 个基于 DIS 协议的分布式虚拟战场环境演练系统 ,即将分布 在不同地域的若干仿真器联合在一起 ,并应用虚拟现实技术 研制了一些虚拟仿真平台 ,构成一个进行异地协同与对抗战 术仿真演练的分布式虚拟环境 。
矩器特性 、车辆动力特性 、车辆阻力特性等数据 ,和检索到的
地形数据 ,以及行驶时的排档 、油门开度 、制动因子 、转向半
径等驾驶操纵参数作为输入条件 ,求解坦克行驶动力学状态
方程的数值解 。具体来说 ,要求解车体中心 O1 的坐标值 ,车 体的旋转角 θ1 。坦克行驶方程如下 :
M RR 0
0 R¨ Iθθ α =
(北京航空航天大学计算机科学与工程系 , 北京 100083)
摘 要 : 以多体系统动力学为理论基础 ,对真实坦克进行简化 ,建立了适合在 DV EN ET 中使用的坦克模型 。并以此 模型为基础 ,提出了对 DV EN ET 中的坦克装甲车辆进行动力学分析 、运动学分析和地形匹配的方法 。最后 ,根据这 些方法建立了坦克装甲车辆的机动性仿真模型 ,并在 DV EN ET 中实现了机动性仿真 。 关键词 : 虚拟战场环境 ; 坦克装甲车辆 ; 机动性 ; 多体系统动力学 中图分类号 : TJ 306 + . 3 文献标识码 : A
1 引 言
不管未来战争如何发展 ,坦克在战场中的作用仍然是非 常重要的 ,因此 ,各国都在加大力度研制新型坦克 ,如 :美国 的 M1A1 - HA 坦克 、俄罗斯的 T - 80 Y 坦克 、中国的三代主 战坦克等 。在研制新型坦克过程中 ,机动性是研制单位和军 方所共同关心的问题之一 ,当然还包括火力性 、防护性等性 能。
以上坦克系统由三个刚体组成 ,是一个典型的多刚体系 统运动学问题 ,可用多体系统运动学的方法进行求解 。
动两部分的合成 ,可用如下公式表达 :
ri = Ri + Ui
(4. 1)
这里 , ri 是 P 点在 X Y Z 下相对于座标原点 O 的位移 , Ri 是
Xi Yi Zi 的座标原点 Oi 在 X Y Z 下的位移 , Ui 是 X Y Z 下 P 点
Abstract : Based on t he t heory about dynamics of multibody systems , t his paper builds a sample tank model from real tank model , which was used in DV EN ET. Secondly , it develops t he tank’s kinematic and dynamic analysis met hod and terrain match met hod. Based on t he above work , it implements t he maneuverability simulation of tank in DV EN ET. Keywords : virtual battlefield environment ; tank ; maneuverability ; dynamics
Research on Maneuverability Simulation of Tank in D VENET
Z HA N G Ji ng2qian , J IA O Jie , L I Xi n
(Computer Depart ment ,Beijing University of Aeronautics & Astronautics , Beijing 100083 , China)
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系 统 仿 真 学 报
2000 年 7 月
仿真的模型 ,并以此模型为基础 ,提出了坦克动力学分析和 运动学分析的方法 ,同时也给出一种地形匹配方法 。
2 D VENET 中坦克模型的确定
真实的坦克系统是非常复杂的 ,如果不加以简化 ,很难
在计算机上进行仿真 ,更难以达到仿真的实时性要求 。因 此 ,在 DV EN ET 中 ,本文将坦克系统进行简化 。提出了以下 几条假设 。
假定 1 坦克系统简化为车体 、车轮 、炮塔三部分 ,如图 所示 。
图 1 炮塔 图 2 车体 图 3 车轮
假定 2 不考虑坦克系统各部件的变形 ,将其视为刚体 系统 ,采用多刚体系统动力学的方法来研究 。因为尽管真实
随第 i 物体内 Oi 点的平动与绕通过该点的某一空间轴的转 转矩阵 A 可写为下式[6 ] :
1 - 2 (θ2) 2 - 2 (θ3) 2
2 (θ1θ2 - θ0θ3)
2 (θ1θ3 + θ0θ2)
A=
2 (θ1θ2 + θ0θ3)
1 - 2 (θ1) 2 - 2 (θ3) 2
2 (θ2θ3 - θ0θ1)
(3. 4)
Pe为发动机功率 , N 为转速 ,与坦克速度和变速箱传动比有
关 ,如图 4 所示 。
图 4 坦克发动机功力与转矩曲线
图 5 坦克驱动力与阻力平衡图
4 坦克运动学分析
4. 1 问题的提出
为了叙述的方便 ,本文将车体称为物体 1 ,炮塔称为物体
2 ,车轮称为物体 3 。物体 2 与物体 1 通过转动轴
点的平动和绕此基点的转动[6 ] 。在图 7 中 , X Y Z 是全局座 向余弦矩阵 、欧拉角 、卡尔登角 、Euler 参数等 。用 Euler 参数
标系 , Xi Yi Zi 是固定在第 i 物体上的局部座标系 , 它随第 i 法来描述刚体定轴转动的旋转矩阵 ,概念清楚 、形式简单 ,因
物体运动 。多刚体系统中第 i 物体上 P 点的位移可分解为 此本文选择了 Euler 参数法 。用 Euler 参数法 (4. 2) 式中的旋
O12
O
2 2
相
连 , 物体 2
与物体 3
通过转动轴
O23来自百度文库
O
3 3
相连 。 X Y Z
为全局座
标系 , X1 Y1 Z1 、X2 Y2 Z2 、X3 Y3 Z3 分别为物体 1 、物体 2 、物
体 3 的局部坐标系 , O1 、O2 、O3 分别为物体 1 、物体 2 、物体 3
第 12 卷 4 期
多体系统动力学是近 20 年来在经典力学基础上发展起 来的新的学科分支[6 ] ,它所建立的理论对于复杂系统的动力 学分析是一种行之有效的方法 ,对坦克这样的复杂系统尤其 适用 。因此 ,本文利用多体系统动力学中对空间机构动力学 分析方法的通用性和简便性 ,针对 DV EN ET 中的地面行驶 的装甲车辆的特点 ,建立了一套适用于坦克装甲车辆机动性