水下高速运行体运动形态的虚拟现实仿真

作     者：兰贺 

作者单位：哈尔滨工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孙尧

授予年度：2011年

学科分类：11[军事学] 110502[军事学-军事运筹学] 1105[军事学-军队指挥学] 08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 

主      题：超空泡 虚拟现实仿真 OpenGL PID反馈 

摘      要：超空泡—未来海战的杀手锏。在国内,对超空泡技术的研究已迫在眉睫。但由于其开发周期长、试验成本高、理论研究复杂、可重复性差、试验风险大等特性,因而不易于进行反复的物理实验。结合当今计算机领域中的热点研究方向虚拟现实,基于OpenGL的标准3D图形接口,实现水下高速运行体的虚拟现实仿真系统。这一系统不但对了解超空泡运行的实际过程有一定的帮助,更重要的是可以帮助研究人员在计算机平台上重复实验,检验并筛选实验结果,协助完成设计需求。更可以作为今后实现虚拟作战系统的基础研究。可见这一研究具有深远、重大的意义。 首先,介绍超空泡的相关理论,包括超空泡的形成与维持机理,稳定模式下超空泡的模型。并对运行体周围形成的空泡在理想条件下及考虑到各影响因素条件下进行形态仿真,并进行仿真的结果分析。由于空泡的包裹,航行体的动力学特性发生了改变,对航行体进行受力分析并建立动力学模型。 其次,为航行体设计控制器,以稳定其纵向运动。首先设计PID反馈控制器,仅以空化器的偏转角作为系统输入,通过MATLAB仿真,理论上可以使纵向运动稳定,且实现相对容易。简单介绍空化器及尾翼联合控制的反馈线性化方法及滑模控制算法,并对两种控制算法分别进行MATLAB仿真,用以检验控制效果。对于PID反馈控制算法进行二维动态的VC仿真,使控制效果的观察更加直观,更为后续的虚拟现实仿真打下基础。这些算法的研究在国内是领先的,可作为后续研究的基础。研究这些控制算法的目的是将其应用到仿真系统中,用以真实体现航行体的运动形态,而不仅仅是简单的动画效果。 再次,对虚拟现实及OpenGL的相关知识进行介绍,包括概念、特征,及基本的渲染流水线,并介绍VC下实现OpenGL的虚拟现实仿真系统时的系统配置过程,后续仿真系统实现的基础。并应用软件工程的原理及方法,对仿真平台的开发目的、需求分析及设计思想进行总体的概述,作为整个系统开发的指导思想,并为仿真系统设计类图。这些工作均有利于仿真系统的实现。 最后,根据上述的需求分析,完成了水下高速运动体仿真系统的实现。系统有友好的人机操作界面,并实现了海洋、海底及海面的渲染,海底障碍物的绘制,超空泡鱼雷模型的绘制、加载及显示,航行体周围空泡的动态生成过程及稳定形态的绘制,航行体尾部烟雾的实现,航行体纵向运动形态的动态显示及键盘控制实现视角变换的功能等内容。