[发明专利]水下超空泡航行体运动视景仿真方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种仿真方法，具体地说是一种超空泡航行体运动控制系统的可视化仿真技术，特别是将超空泡航行体的运动姿态，空泡的形成过程，与计算机图形学相结合的可视化仿真技术。

背景技术

超空泡航行体由于单体全部或大部分被空泡包裹，使得航行体所受的流体阻力显著减小，因而，其航行速度可以达到100m/s以上。目前，超空泡航行体的动力学及控制问题成为各国的研究热点。国内相关机构和高校已经意识到超空泡航行体的发展前景，并纷纷着手相关研究工作。国内也从相关国际会议上了解到了更多国际上的研究动态，但在很多方面还存在着诸多技术难题。

对于超空泡航行体动力学及控制问题的研究方法主要有数值模拟仿真和射弹实验两种方法。数值模拟主要借助于计算软件，对航行体的动力学模型(微分方程组)进行建模，求解微分方程的数值解，对航行体的航行姿态进行仿真模拟分析。射弹实验方法根据模型的尺寸设计并加工样弹，在水洞或水池中进行射弹实验。

以上两种研究方法都存在一定的缺陷，其中以理论研究为基础的数值模拟仿真方法，该方法根据理论计算得到超空泡航行体的运动规律，研究结果多以仿真曲线或统计数据的形式出现，表现形式抽象，且研究所获得的结论与实际有较大的差距。射弹研究方法为实物仿真，可以从宏观全局上把握控制体的性能及运动情况，但成本高、工艺要求复杂，特别是重复性差、风险性高。因而，完全依赖于实验研究获得超空泡航行体的动力学特性及控制规律难度较大。

对于超空泡航行体动力学与控制问题的研究急需一种既能提供精确数学模型，同时能够多次重复试验，节省研制经费的研究方法。虚拟现实的仿真技术具有安全、经济、可控、无破坏性、允许多次重复等许多优点。采用计算机仿真技术，可以用准确的数学模型代替真实的物理模型，在计算机平台上重复多次的模拟试验，分析试验结果，从而缩短试验和研制周期，节省试验和研制经费。而基于OpenGL的虚拟现实仿真技术，更胜于传统的二维仿真技术，使仿真结果更加直观化、现场化，具有良好的可视化和交互性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有良好的可视及交互性，有助于超空泡鱼雷运动控制的研究及控制方案的选择的水下超空泡航行体运动视景仿真方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的技术要点主要体现在：

它是由包括三维弹体模型的加载模块、负责超空泡航行体运动轨迹的计算与控制规律的运用、空泡形成过程的仿真绘制的计算模块，接收实时控制消息并提供相应的显示视图的视图显示模块，提供统一接口获取计算模块数据、同时将相关数据传送给视图显示模块的通讯模块组成。

所述的模型加载模块先由三维动画渲染和制作软件3dmax根据航行体的尺寸绘制三维弹体模型，运用材质贴图，布尔运算方法的加工，使其方便的加载到OpenGL中。选用转换软件MilkShape将绘制好的航行体模型转换成ms 3d格式，并实现在OpenGL中的加载显示。

所述的计算模块根据航行体的运动学模型，稳定超空泡计算模型，以及控制规律，实时解算航行体在各个时刻的航行状态的姿态数据，包括航行深度z，垂向速度俯仰角θ，俯仰角速度q等姿态信息的实时解算。空泡状态的主要参数的计算，包括空化数σ随速度的变化，空泡半径R_c，空泡长度l，空泡收缩率的变化等。

所述的空泡绘制模块，利用三角形拼接空泡的外形，即在OpenGL的函数glBegin(GL_TRIANGLES)及glEnd()之间加入glVertex3f()函数，函数参数为以坐标方式描述的三角型顶点数据，数据取为所述计算模块中实时解算的以数组形式表示的空泡状态参数，如此进行循环绘制，由于所绘制的空泡为三维形态，还需为实时解算的空泡状态参数在Y轴和Z轴方向分别乘余弦与正弦角度，角度进行360度的循环，即可完成三维绘制工作。

所述的视图显示模块包括超空泡航行体、航行体周围形成的空泡及航行体飞越的大面积基本环境。对配置的模型进行实时驱动并显示，可以直观的观察航行体在运动过程中周围形成空泡的过程及空泡的形态，以及航行体在选择的稳定控制模式下纵向运动的俯仰角、深度等各姿态信息的变化情况。VC++中，在Project-＞Settings-＞Link选项卡下，Object/library modules下面的文本框中添加库文件，使其工作在OpenGL环境中，建立初始化、定义、配置等一系列仿真流程来实现对模型及仿真环境的驱动，使用帧循环不断接收数据，并在每一帧中不断更新，从而实现场景的相对运动。