一種推土鏟內動態土壤仿真建模方法

2023-04-23 19:45:26 1

一種推土鏟內動態土壤仿真建模方法
【專利摘要】本發明公開了一種推土鏟內動態土壤仿真建模方法，首先預先對推土鏟動態生成的土塊、三維地形網格及推土機進行三維建模；然後根據地形及推土鏟相對位置，動態生成數量不等的土塊，並計算土塊位移、速度、角速度等信息；根據推土鏟當前位置，實時改變推土鏟作用範圍內地形；最後根據鏟前土堆體積，對推土機推土過程中的運動速度進行模擬。本發明可以在粘土、沙石及土塊等工況下對推土機推土時鏟內土塊的運動過程進行仿真，具有運算量小、模擬效果逼真，可推廣應用於不同型號推土機，挖掘機等工程機械仿真建模，具有極大的應用價值。
【專利說明】一種推土鏟內動態土壤仿真建模方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及計算機仿真領域，具體地說是一種推土鏟內動態土壤仿真方法。
【背景技術】
[0002]推土機是各種建築工程綜合機械化施工不可缺少的技術裝備，並且已被廣泛地應用於工業、水電建設、礦山開採、交通、國防等經濟建設的各個領域，是縮短施工工期，提高工程質量、節省施工費用的重要保證。虛擬訓練設備可為受訓人員提供一個反覆熟悉操作的逼真模擬訓練環境，提高訓練效率和訓練安全性，降低訓練成本，具有十分顯著的經濟效應。另外大型工程機械產品受使用環境、位置空間等限制，無法採用實物進行產品宣傳和功能展示，因此虛擬訓練設備可替代實物用於新型號、新產品的功能展示，具有極大的應用價值。
[0003]在推土機模擬器方面，目前檢索到僅有卡特彼勒公司開發了推土機模擬器，其採用手柄連接主機進行控制，用前後兩個顯示器進行推土、鬆土過程顯示，其操作方式與真實機械完全一致，可使操作者快速熟悉推土機的基本操作，且模擬的推土過程較為逼真，用戶體驗感也很強。
[0004]目前在國內，一些高校和相關研製單位在此研究領域一直在積極開展研究，但與國際先進水平相比，有較大的差距。主要體現如下:
[0005]1.雖然建立了挖掘機、叉車等工程機械模擬器，但由於推土機模擬器的一些關鍵技術(如土塊碰撞翻滾運動，推土機車體六自由度運動仿真建模技術)沒有突破，到目前為止還未開發出可供人員訓練的推土機模擬器；
[0006]2.國內一些研究機構嘗試用基於力學原理或基於ADMAS仿真軟體來模擬土塊之間的碰撞翻滾運動，但存在運算量過於龐大，無法滿足模型訓練過程中實時操控響應的要求。另外一些開發單位採用三維動畫效果模擬推土機推土過程，但存在畫面粗糙，模擬效果較差等問題，無法使受訓者達到身臨其境的感覺。

【發明內容】

[0007]本發明的目的在於提供一種推土鏟內動態土壤仿真建模方法。
[0008]實現本發明目的的技術解決方案為:一種推土鏟內動態土壤仿真方法，步驟如下:
[0009]步驟1、建立土塊三維模型，同時設置土塊的顏色、尺寸、形狀，使生成的土塊與實際推土機推土時產生的土塊在形狀、顏色及尺寸上接近；
[0010]步驟2、建立地形三維模型，同時設置地形網格之間距離及地形顏色，所述網格之間距離為50mm ；
[0011]步驟3、根據推土機實際尺寸，建立推土機整車三維模型；
[0012]步驟4、根據推土機運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、通過車輛的運動速度、時間的乘積，確定車輛在X、Y、Z三個方向的位移，計算公式為:
[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X、縱坐標Y、高度Z的位置，Xt、Yt、Zt是t時刻的三個坐標的位置，Vx、Vy、Vz是t時刻車輛的三個坐標的速度，AtSt時刻到t+1時刻的時間；
[0018]步驟4-2、通過車輛運動的速度，求得車輛的運動方向，計算公式為:
[0019]C=actag (Vx/Vy)
[0020]其中C為車輛的運動方向，Vx、Vy是車輛的橫坐標、縱坐標上的速度。
[0021]步驟5、根據地形及推土鏟相對位置，動態生成數量不等的土塊，並設置土塊初始位置及速度；具體包括以下步驟:
[0022]步驟5-1、設置採樣點，在推土鏟底部橫向均勻布置7個半徑為20釐米的採樣點；
[0023]步驟5-2、獲取推土機的行駛狀態，向前行駛為1，停止為O,後退為-1,只有當推土機向前行駛時，才動態生成土塊；
[0024]步驟5-3、將採樣點坐標轉換到地形網格空間坐標，轉換公式如下:
【權利要求】
1.一種推土鏟內動態土壤仿真建模方法，其特徵在於，包括以下步驟: 步驟1、建立土塊三維模型，同時設置土塊的顏色、尺寸、形狀，使生成的土塊與實際推土機推土時產生的土塊在形狀、顏色及尺寸上接近； 步驟2、建立地形三維模型，同時設置地形網格之間距離及地形顏色，所述網格之間距離為50_ ； 步驟3、根據推土機實際尺寸，建立推土機整車三維模型； 步驟4、根據推土機運動速度來確定車體的位移、方向； 步驟5、根據地形及推土鏟相對位置，動態生成數量不等的土塊，並設置土塊初始位置及速度； 步驟6、對土塊與土塊，土塊與推土鏟進行碰撞檢測，完成土塊碰撞後的動力學模擬； 步驟7、模擬推土鏟內土壤由於鏟刀推擠而產生的形變； 步驟8、確定推土鏟前土壤體積，模擬推土機推土過程中運動速度； 步驟9、根據推土鏟當前位置，更新推土鏟所在區域內地形網格顏色。
2.根據權利要求1所述的推土鏟內動態土壤仿真建模方法，其特徵在於，步驟4中根據推土機運動速度來計算車體位移及方向，具體包括以下步驟: 步驟4-1、通過車輛的運動速度、時間的乘積，確定車輛在X、Y、Z三個方向的位移，計算公式為:
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X、縱坐標Y、高度Z的位置，Xt、Yt、Zt是t時刻的三個坐標的位置，Vx、Vy, Vz是t時刻車輛的三個坐標的速度，AtSt時刻到t+Ι時刻的時間； 步驟4-2、通過車輛運動的速度，求得車輛的運動方向，計算公式為:
C=actag(Vx/Vy) 其中C為車輛的運動方向，Vx、Vy是車輛的橫坐標、縱坐標上的速度。
3.根據權利要求1所述的推土鏟內動態土壤仿真建模方法，其特徵在於，步驟5中動態生成數量不等的土塊，具體包括以下步驟: 步驟5-1、設置採樣點，在推土鏟底部橫向均勻布置7個半徑為20釐米的採樣點； 步驟5-2、獲取推土機的行駛狀態，向前行駛為1，停止為O,後退為-1,只有當推土機向前行駛時，才動態生成土塊； 步驟5-3、將採樣點坐標轉換到地形網格空間坐標，轉換公式如下:
4.根據權利要求1所述的推土鏟內動態土壤仿真建模方法，其特徵在於，步驟6中對土塊進行碰撞檢測，並完成土塊動力學模擬，具體包括以下步驟: 步驟6-1、對土塊進行碰撞檢測:首先將土塊簡化為球體，設土塊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I Cb-Ca I < rA+rB時，兩土塊發生相交；rA+rB rA+rB時，兩球體相離； 步驟6-2、計算剛性土塊運動力學，假設土塊的接觸都是點接觸，設土塊中心為C，半徑為r，接觸點為P，與之發生接觸的對象的接觸點為P』 ；具體為:將接觸面法線作為新坐標系I，軸，新坐標系原點與原坐標系重合，設原坐標繫到新坐標系的轉換矩陣為R，土塊質心的慣性張量為J。，質量為m，兩物體間的碰撞恢復係數為K，靜摩擦係數為f，滑動摩擦係數為f』，土塊碰撞前線速度為& ,角速度為S，P點絕對速度為；po ；碰撞後線速度為二，角速度為G , P點絕對速度為,在原坐標系中剛體碰撞後線速度為?ι，角速度為二 當土塊與推土鏟碰撞時，根據碰撞的恢復係數理論，碰撞後P點在新坐標系沿y軸方向速度為:ily = -kVpOy，k為彈性係數，iflj；為碰撞前沿I軸方向速度，V ,力碰撞後I軸方向速度； 當兩土塊發生碰撞時，設與之發生碰撞的另一土塊質量為m』，碰撞前在P點絕對速度為^。，根據碰撞的恢復係數理論，碰撞後P點在新坐標系中沿y軸方向速度為:
5.根據權利要求1所述的推土鏟內動態土壤仿真建模方法，其特徵在於，步驟7中模擬推土鏟內土壤形變，具體包括以下步驟: 步驟7-1、判斷地形網格的篩選標記flag是否為1，如果為I則執行步驟7-2，否則不處理； 步驟7-2、改變地形網格位置，新的地形網格位置表達式為:


6.根據權利要求1所述的推土鏟內動態土壤仿真建模方法，其特徵在於，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為土堆寬度所構成的四邊形區域ABCD ;將土堆細分成多個底面積相同，高度不同的網格體積之和，具體實現方法如下: 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.分別確定由網格點X和AB，BC,⑶，DA構成的三角形面積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X位於四邊形的內部，否則點X位於四邊形的外部；


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


2=1 步驟8-2、確定推土機速度V，土堆體積C與推土機速度V存在如下關係式:V =Vmax(l-c/100)，Vmax為推土機的最大速度。
7.根據權利要求1所述的推土鏟內動態土壤仿真建模方法，其特徵在於，步驟9中更新推土鏟區域內地形網格顏色，具體包括以下步驟: 確定地形網格的篩選標記flag是否為1，若flag=l，將地形網格位置發生變化的網格點設置暗黑色，並更新網格。
【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 優先權日:2013年12月1日
【發明者】韓海良, 翟永翠, 蔣充劍, 劉明皓, 楊志鐸 申請人:中國船舶重工集團公司第七一六研究所