复杂运动系统三维仿真模拟中的建模方法技术方案

本发明专利技术公开了复杂运动系统三维仿真模拟中的建模方法，该方法包括以下步骤：（1）系统组成层次分拆，将复杂运动系统进行逐级分拆各级子系统直至部件单元；（2）对分拆后的各级子系统和部件单元分别确定位置坐标、旋转角度，及相互间的相对位置关系和相对角度旋转关系；（3）记录各级子系统和部件单元的独立及相对运动关系；（4）根据（1）、（2）及（3）步的数据关系构建整个系统及各级子系统运动模型。本发明专利技术技术方案将复杂系统经过逐渐拆分至各子系统及模块单元，对其建立三维位置跟踪及旋转角度变化模型，根据子系统及模块单元之间的位置相关关系实现子系统的建模及整体系统模型，减少网格划分方法的大计算量，提高仿真模拟精度，同时实现了快速仿真模拟的可视化。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于计算机仿真模拟方法
，尤其是涉及针对复杂运动系统在进行三维仿真模拟过程中的建模方法。
技术介绍
三维计算机仿真的应用涉及游戏、新闻、电影、飞行器模拟等各个方面，特别是对于仿真可视化已经成为科研人员开发仿真系统、开展仿真实验的重要辅助手段。在仿真模拟三维运动系统时，通过利用各种先进的硬件技术和软件工具，设计出合理的硬件、软件及交互手段，使参与者能交互地观察和操纵系统生成的虚拟世界。随着虚拟现实系统技术的日益成熟和广泛应用，当前该技术已经应用于针对复杂组装系统模拟系统中。根据系统规模和复杂程度大体可以将其分为两类第一类是单部件装置，如各类轻型武器装备(如枪械、小型导弹、普通火炮)等，这类装置的结构与规模简单；第二类是复杂装·备系统，如坦克、飞机、舰船等，这类系统由诸多分系统组成，例如制导系统、火控系统、动力系统等，这类武器系统结构复杂。在仿真虚拟现实系统中如何快速构建复杂系统的模型是三维运动仿真模拟的主要问题。传统的模型构建方法是将复杂系统进行三维网格划分，针对每个格点的运动进行跟踪，在将各个格点运动进行整合，从而确定整个系统的运动状态，但其存在以下缺陷(I)由于使用网格划分，运动精度依赖于网格的精度，网格过密时，运动精度高，但跟踪仿真的计算量大，效率低；(2)不能准确反映构建整个系统的各个模块单元的状态，不能仿真确定各个部分的相对运动状态；(3)运动相对坐标和绝对坐标之间的变换关系复杂，容易产生计算误差。因此在仿真模拟过程中，设计新的构建运动系统模型方法，是简化仿真计算，提高仿真精度的必然选择。
技术实现思路
本专利技术技术方案针对上述问题，提出了一种解决方法，能够方便地构建复杂运动系统的三维几何模型简化运动仿真模拟的建模过程，提高模拟准确度。实现上述专利技术目的技术方案为，该方法包括以下步骤(1)系统组成层次分拆，将复杂运动系统进行逐级分拆各级子系统直至部件单元；(2)对分拆后的各级子系统和部件单元分别确定位置坐标、旋转角度，及相互间的相对位置关系和相对角度旋转关系；(3)记录各级子系统和部件单元的独立及相对运动关系；(4)根据(I)、(2)及(3)步的数据关系构建整个系统及各级子系统运动模型。上述步骤(2)中各级子系统和部件单元的位置坐标和旋转角度可以采用与上级系统的相对坐标。上述步骤中，各级子系统和部件单元的位置坐标、旋转角度，及相互间的相对位置关系和相对角度旋转关系是时间的函数。上述步骤中，各级子系统对象的平移、旋转和缩放通过线性坐标变换实现。本专利技术的建模方案中，采用部件拆分的方法将复杂系统经过逐渐拆分至各子系统及模块单元，对每级子系统及模块单元建立三维位置跟踪及旋转角度变化模型，根据子系统及模块单元之间的位置相关关系实现子系统的建模及整体系统模型，该方法可以减少网格划分方法中根据格点运动仿真整体运动的大计算量，提高仿真模拟精度，同时实现了三维运动快速仿真模拟的可视化。附图说明图I为本专利技术以坦克系统为例的模块分拆建模示意图。具体实施例方式下面结合图I的坦克系统模块分拆建模示意图，来详细介绍本专利技术的技术方案，对于坦克系统进行三维建模时，采用本专利技术的层次建模方法构件其三维模型。采用本专利技术的层次建模方法时，首先将坦克系统分解为若干个分系统，子系统又可以根据其复杂程度分解为更细的子系统直至最终的模块单元，这些子系统和模块单元可以复原拼装为完整的·坦克系统。常用的子系统的几何建模使用专业的三维建模工具软件构建，如Autodesk公司的3D Studio Max和Presagis公司的Creator等。例如对坦克三维建模时,可以首先把坦克划分为两部分，坦克壳体和塔台两个子系统，而坦克壳体又细化为车轮组和车体，塔台由分为转台和炮管，如图I所示就对坦克系统进行上述划分；(2)对划分的每个子系统及单元进行建模，每个子系统或模块由其位置坐标及旋转关系决定，本实施例中，使用PresagisCreator在对坦克建模，分别构建坦克车壳体模型(hull，三维模型文件名为hull, fit)和塔台模型(turret,三维模型文件名为turret, f It),而壳体模型又由车轮组(wheels,三维模型文件名为wheels, fit)和车身(body,三维模型文件名为body, fit)组成，塔台模型由转台(tur2xhi,三维模型文件名为tur2xhi. fit)和炮管(gun2xhi,三维模型文件名为gun2xhi. fit)组成。坦克三维模型(vehicle,三维模型文件名为vehicle, fit)由壳体模型(hull)和塔台模型(turret)组成，同时将子系统间相对位置关系(X、Y、Z);方位关系(H、P、R)，也建立相关数据模型；(3)坦克系统运动时，跟踪模拟各个子系统的位置数据、旋转数据，及子系统之间相对位置、相对旋转关系的变化确定整个系统的复杂运动，实现复杂运动的仿真模拟过程。在三维空间中，一个刚体质量的自由度数是确定它在空间的位置所需要的最少坐标数目。一个空间刚体共有六个自由度三个平动自由度(X，Y，z)确定质量中心的位置，三个转动自由度(Qx, 0 y, 0z)确定刚体的方位。三维空间中的自由度(Degreeof Freedom，D0F)是描述或确定一个系统(主体)的运动或状态(如位置)所必需的独立参变量(或坐标数)。一个不受任何约束的自由主体,在空间运动时,具有6个独立运动参数(自由度)，即沿XYZ三个轴的独立移动和绕XYZ三个轴的独立转动。刚体受到约束后，某些独立运动参数不再存在，相对应的，这些自由度也就被消除。当6个自由度都被消除后，主体就被完全定位并且不可能再发生任何运动。武器装备各分系统之间的运动关系可以简化分解为两种运动类型沿轴移动和绕轴转动，复杂运动关系是这两种运动关系的组合而来。本实施在建立运动模型时，通过描述分系统间沿轴移动关系，即X、Y、Z方向，确定各系统和坦克整天的平动，通过使用旋转方位角，旋转俯仰角，旋转横滚角度确定各部分的转动关系，最后通过运动矢量合成确定坦克系统复杂运动仿真模拟。以上所述，为本
技术实现思路
的较佳实施例，并非对本
技术实现思路
作任何限制,凡根据本
技术实现思路
技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均属于本
技术实现思路
技术方案的保护范围内。·权利要求1.，其特征在于，该方法包括以下步骤(1)系统组成层次分拆，将复杂运动系统进行逐级分拆各级子系统直至部件单元；(2)对分拆后的各级子系统和部件单元分别确定位置坐标、旋转角度，及相互间的相对位置关系和相对角度旋转关系；(3)记录各级子系统和部件单元的独立及相对运动关系；(4)根据(I)、(2)及(3)步的数据关系构建整个系统及各级子系统运动模型。2.根据权利要求I所述的，其特征在于，步骤(2)中各级子系统和部件单元的位置坐标和旋转角度可以采用与上级系统的相对坐标。3.根据权利要求I或2所述的，其特征在于，各级子系统和部件单元的位置坐标、旋转角度，及相互间的相对位置关系和相对角度旋转关系是时间的函数。4.根据权利要求I所述的，其特征在于，各级子系统对象的平移、旋转和缩放通过线性坐标变换实现。全文摘要本专利技术公开了，该方法包括以下步骤(1)系统组成层次分拆，将复杂运动系统进行逐级分拆各级子系统直至部件本文档来自技高网...

【技术保护点】
复杂运动系统三维仿真模拟中的建模方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：（1）系统组成层次分拆，将复杂运动系统进行逐级分拆各级子系统直至部件单元；（2）对分拆后的各级子系统和部件单元分别确定位置坐标、旋转角度，及相互间的相对位置关系和相对角度旋转关系；（3）记录各级子系统和部件单元的独立及相对运动关系；（4）根据（1）、（2）及（3）步的数据关系构建整个系统及各级子系统运动模型。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张博，阎晋屯，钱东，康凤举，喻细辉，王笑寒，余苗，夏旻，刘明皓，姚临海，
申请(专利权)人：中国人民解放军九二二三二部队，
类型：发明
国别省市：