一種推土鏟內(nèi)動態(tài)土壤仿真建模方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種推土鏟內(nèi)動態(tài)土壤仿真建模方法，首先預(yù)先對推土鏟動態(tài)生成的土塊、三維地形網(wǎng)格及推土機(jī)進(jìn)行三維建模；然后根據(jù)地形及推土鏟相對位置，動態(tài)生成數(shù)量不等的土塊，并計(jì)算土塊位移、速度、角速度等信息；根據(jù)推土鏟當(dāng)前位置，實(shí)時改變推土鏟作用范圍內(nèi)地形；最后根據(jù)鏟前土堆體積，對推土機(jī)推土過程中的運(yùn)動速度進(jìn)行模擬。本發(fā)明可以在粘土、沙石及土塊等工況下對推土機(jī)推土?xí)r鏟內(nèi)土塊的運(yùn)動過程進(jìn)行仿真，具有運(yùn)算量小、模擬效果逼真，可推廣應(yīng)用于不同型號推土機(jī)，挖掘機(jī)等工程機(jī)械仿真建模，具有極大的應(yīng)用價值。
【專利說明】一種推土鏟內(nèi)動態(tài)土壤仿真建模方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)仿真領(lǐng)域，具體地說是一種推土鏟內(nèi)動態(tài)土壤仿真方法。
【背景技術(shù)】
[0002]推土機(jī)是各種建筑工程綜合機(jī)械化施工不可缺少的技術(shù)裝備，并且已被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、水電建設(shè)、礦山開采、交通、國防等經(jīng)濟(jì)建設(shè)的各個領(lǐng)域，是縮短施工工期，提高工程質(zhì)量、節(jié)省施工費(fèi)用的重要保證。虛擬訓(xùn)練設(shè)備可為受訓(xùn)人員提供一個反復(fù)熟悉操作的逼真模擬訓(xùn)練環(huán)境，提高訓(xùn)練效率和訓(xùn)練安全性，降低訓(xùn)練成本，具有十分顯著的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。另外大型工程機(jī)械產(chǎn)品受使用環(huán)境、位置空間等限制，無法采用實(shí)物進(jìn)行產(chǎn)品宣傳和功能展示，因此虛擬訓(xùn)練設(shè)備可替代實(shí)物用于新型號、新產(chǎn)品的功能展示，具有極大的應(yīng)用價值。
[0003]在推土機(jī)模擬器方面，目前檢索到僅有卡特彼勒公司開發(fā)了推土機(jī)模擬器，其采用手柄連接主機(jī)進(jìn)行控制，用前后兩個顯示器進(jìn)行推土、松土過程顯示，其操作方式與真實(shí)機(jī)械完全一致，可使操作者快速熟悉推土機(jī)的基本操作，且模擬的推土過程較為逼真，用戶體驗(yàn)感也很強(qiáng)。
[0004]目前在國內(nèi)，一些高校和相關(guān)研制單位在此研究領(lǐng)域一直在積極開展研究，但與國際先進(jìn)水平相比，有較大的差距。主要體現(xiàn)如下:
[0005]1.雖然建立了挖掘機(jī)、叉車等工程機(jī)械模擬器，但由于推土機(jī)模擬器的一些關(guān)鍵技術(shù)(如土塊碰撞翻滾運(yùn)動，推土機(jī)車體六自由度運(yùn)動仿真建模技術(shù))沒有突破，到目前為止還未開發(fā)出可供人員訓(xùn)練的推土機(jī)模擬器；
[0006]2.國內(nèi)一些研究機(jī)構(gòu)嘗試用基于力學(xué)原理或基于ADMAS仿真軟件來模擬土塊之間的碰撞翻滾運(yùn)動，但存在運(yùn)算量過于龐大，無法滿足模型訓(xùn)練過程中實(shí)時操控響應(yīng)的要求。另外一些開發(fā)單位采用三維動畫效果模擬推土機(jī)推土過程，但存在畫面粗糙，模擬效果較差等問題，無法使受訓(xùn)者達(dá)到身臨其境的感覺。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種推土鏟內(nèi)動態(tài)土壤仿真建模方法。
[0008]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為:一種推土鏟內(nèi)動態(tài)土壤仿真方法，步驟如下:
[0009]步驟1、建立土塊三維模型，同時設(shè)置土塊的顏色、尺寸、形狀，使生成的土塊與實(shí)際推土機(jī)推土?xí)r產(chǎn)生的土塊在形狀、顏色及尺寸上接近；
[0010]步驟2、建立地形三維模型，同時設(shè)置地形網(wǎng)格之間距離及地形顏色，所述網(wǎng)格之間距離為50mm ；
[0011]步驟3、根據(jù)推土機(jī)實(shí)際尺寸，建立推土機(jī)整車三維模型；
[0012]步驟4、根據(jù)推土機(jī)運(yùn)動速度來確定車體的位移、方向；具體包括以下步驟:
[0013]步驟4-1、通過車輛的運(yùn)動速度、時間的乘積，確定車輛在X、Y、Z三個方向的位移，計(jì)算公式為:
[0014]Xt+1=Xt+Vx* Δ t ；
[0015]Yt+1=Yt+Vy* Δ t ；
[0016]Zt+1=Zt+Vz* Δ t ；
[0017]其中Xt+1、Yt+1、Zt+1是t+1時刻的橫坐標(biāo)X、縱坐標(biāo)Y、高度Z的位置，Xt、Yt、Zt是t時刻的三個坐標(biāo)的位置，Vx、Vy、Vz是t時刻車輛的三個坐標(biāo)的速度，AtSt時刻到t+1時刻的時間；
[0018]步驟4-2、通過車輛運(yùn)動的速度，求得車輛的運(yùn)動方向，計(jì)算公式為:
[0019]C=actag (Vx/Vy)
[0020]其中C為車輛的運(yùn)動方向，Vx、Vy是車輛的橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)上的速度。
[0021]步驟5、根據(jù)地形及推土鏟相對位置，動態(tài)生成數(shù)量不等的土塊，并設(shè)置土塊初始位置及速度；具體包括以下步驟:
[0022]步驟5-1、設(shè)置采樣點(diǎn)，在推土鏟底部橫向均勻布置7個半徑為20厘米的采樣點(diǎn)；
[0023]步驟5-2、獲取推土機(jī)的行駛狀態(tài)，向前行駛為1，停止為O,后退為-1,只有當(dāng)推土機(jī)向前行駛時，才動態(tài)生成土塊；
[0024]步驟5-3、將采樣點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到地形網(wǎng)格空間坐標(biāo)，轉(zhuǎn)換公式如下:
【權(quán)利要求】
1.一種推土鏟內(nèi)動態(tài)土壤仿真建模方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1、建立土塊三維模型，同時設(shè)置土塊的顏色、尺寸、形狀，使生成的土塊與實(shí)際推土機(jī)推土?xí)r產(chǎn)生的土塊在形狀、顏色及尺寸上接近； 步驟2、建立地形三維模型，同時設(shè)置地形網(wǎng)格之間距離及地形顏色，所述網(wǎng)格之間距離為50_ ； 步驟3、根據(jù)推土機(jī)實(shí)際尺寸，建立推土機(jī)整車三維模型； 步驟4、根據(jù)推土機(jī)運(yùn)動速度來確定車體的位移、方向； 步驟5、根據(jù)地形及推土鏟相對位置，動態(tài)生成數(shù)量不等的土塊，并設(shè)置土塊初始位置及速度； 步驟6、對土塊與土塊，土塊與推土鏟進(jìn)行碰撞檢測，完成土塊碰撞后的動力學(xué)模擬； 步驟7、模擬推土鏟內(nèi)土壤由于鏟刀推擠而產(chǎn)生的形變； 步驟8、確定推土鏟前土壤體積，模擬推土機(jī)推土過程中運(yùn)動速度； 步驟9、根據(jù)推土鏟當(dāng)前位置，更新推土鏟所在區(qū)域內(nèi)地形網(wǎng)格顏色。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的推土鏟內(nèi)動態(tài)土壤仿真建模方法，其特征在于，步驟4中根據(jù)推土機(jī)運(yùn)動速度來計(jì)算車體位移及方向，具體包括以下步驟: 步驟4-1、通過車輛的運(yùn)動速度、時間的乘積，確定車輛在X、Y、Z三個方向的位移，計(jì)算公式為:
Xt+1=Xt+Vx* Δ t ；
Yt+1=Yt+Vy* Δ t ；
Zt+1=Zt+Vz* Δ t ； 其中Xt+1、Yt+1、Zt+1是t+1時刻的橫坐標(biāo)X、縱坐標(biāo)Y、高度Z的位置，Xt、Yt、Zt是t時刻的三個坐標(biāo)的位置，Vx、Vy, Vz是t時刻車輛的三個坐標(biāo)的速度，AtSt時刻到t+Ι時刻的時間； 步驟4-2、通過車輛運(yùn)動的速度，求得車輛的運(yùn)動方向，計(jì)算公式為:
C=actag(Vx/Vy) 其中C為車輛的運(yùn)動方向，Vx、Vy是車輛的橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)上的速度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的推土鏟內(nèi)動態(tài)土壤仿真建模方法，其特征在于，步驟5中動態(tài)生成數(shù)量不等的土塊，具體包括以下步驟: 步驟5-1、設(shè)置采樣點(diǎn)，在推土鏟底部橫向均勻布置7個半徑為20厘米的采樣點(diǎn)； 步驟5-2、獲取推土機(jī)的行駛狀態(tài)，向前行駛為1，停止為O,后退為-1,只有當(dāng)推土機(jī)向前行駛時，才動態(tài)生成土塊； 步驟5-3、將采樣點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到地形網(wǎng)格空間坐標(biāo)，轉(zhuǎn)換公式如下:
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的推土鏟內(nèi)動態(tài)土壤仿真建模方法，其特征在于，步驟6中對土塊進(jìn)行碰撞檢測，并完成土塊動力學(xué)模擬，具體包括以下步驟: 步驟6-1、對土塊進(jìn)行碰撞檢測:首先將土塊簡化為球體，設(shè)土塊A的球心為Ca,半徑為;rA ; 土塊B的球心為Cb,半徑為rB,表面接觸容許距離為δ，則當(dāng)I Cb-Ca I < rA+rB時，兩土塊發(fā)生相交；rA+rB<|CB-CA| 5? rA+rB+ δ時,認(rèn)為土塊發(fā)生接觸；當(dāng)I Cb-Ca | > rA+rB時，兩球體相離； 步驟6-2、計(jì)算剛性土塊運(yùn)動力學(xué)，假設(shè)土塊的接觸都是點(diǎn)接觸，設(shè)土塊中心為C，半徑為r，接觸點(diǎn)為P，與之發(fā)生接觸的對象的接觸點(diǎn)為P’ ；具體為:將接觸面法線作為新坐標(biāo)系I，軸，新坐標(biāo)系原點(diǎn)與原坐標(biāo)系重合，設(shè)原坐標(biāo)系到新坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣為R，土塊質(zhì)心的慣性張量為J。，質(zhì)量為m，兩物體間的碰撞恢復(fù)系數(shù)為K，靜摩擦系數(shù)為f，滑動摩擦系數(shù)為f’，土塊碰撞前線速度為& ,角速度為S，P點(diǎn)絕對速度為；po ；碰撞后線速度為二，角速度為G , P點(diǎn)絕對速度為,在原坐標(biāo)系中剛體碰撞后線速度為?ι，角速度為二 當(dāng)土塊與推土鏟碰撞時，根據(jù)碰撞的恢復(fù)系數(shù)理論，碰撞后P點(diǎn)在新坐標(biāo)系沿y軸方向速度為:ily = -kVpOy，k為彈性系數(shù)，iflj；為碰撞前沿I軸方向速度，V ,力碰撞后I軸方向速度； 當(dāng)兩土塊發(fā)生碰撞時，設(shè)與之發(fā)生碰撞的另一土塊質(zhì)量為m’，碰撞前在P點(diǎn)絕對速度為^。，根據(jù)碰撞的恢復(fù)系數(shù)理論，碰撞后P點(diǎn)在新坐標(biāo)系中沿y軸方向速度為:
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的推土鏟內(nèi)動態(tài)土壤仿真建模方法，其特征在于，步驟7中模擬推土鏟內(nèi)土壤形變，具體包括以下步驟: 步驟7-1、判斷地形網(wǎng)格的篩選標(biāo)記flag是否為1，如果為I則執(zhí)行步驟7-2，否則不處理； 步驟7-2、改變地形網(wǎng)格位置，新的地形網(wǎng)格位置表達(dá)式為:


6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的推土鏟內(nèi)動態(tài)土壤仿真建模方法，其特征在于，步驟8中確定推土鏟前土壤體積，具體包括以下步驟: 步驟8-1、確定推土鏟前有效土堆的體積，鏟前有效土堆是以推土鏟寬作為土堆長度，沿推土鏟底切線方向向前0.Sm為土堆寬度所構(gòu)成的四邊形區(qū)域ABCD ;將土堆細(xì)分成多個底面積相同，高度不同的網(wǎng)格體積之和，具體實(shí)現(xiàn)方法如下: a.確定有效土堆四邊形AB⑶的面積S，S= aXb，a, b分別為土堆的長、寬； b.分別確定由網(wǎng)格點(diǎn)X和AB，BC,⑶，DA構(gòu)成的三角形面積SI，S2; 三角形面積公式為S = IMsinC，其中&，13，(:分別為三角形兩邊邊長及兩邊之間夾角； c.判定所構(gòu)成的兩個三角形的面積之和是否與四邊形ABCD的面積相同； 如果面積相同則點(diǎn)X位于四邊形的內(nèi)部，否則點(diǎn)X位于四邊形的外部；


η d.確定土堆體積為C= ，其中a為網(wǎng)格長度，Iii為第i個網(wǎng)格對應(yīng)的高度；


2=1 步驟8-2、確定推土機(jī)速度V，土堆體積C與推土機(jī)速度V存在如下關(guān)系式:V =Vmax(l-c/100)，Vmax為推土機(jī)的最大速度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的推土鏟內(nèi)動態(tài)土壤仿真建模方法，其特征在于，步驟9中更新推土鏟區(qū)域內(nèi)地形網(wǎng)格顏色，具體包括以下步驟: 確定地形網(wǎng)格的篩選標(biāo)記flag是否為1，若flag=l，將地形網(wǎng)格位置發(fā)生變化的網(wǎng)格點(diǎn)設(shè)置暗黑色，并更新網(wǎng)格。
【文檔編號】G06T17/00GK103632003SQ201310627537
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年12月1日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月1日
【發(fā)明者】韓海良, 翟永翠, 蔣充劍, 劉明皓, 楊志鐸 申請人:中國船舶重工集團(tuán)公司第七一六研究所