2024年6月12日发(作者:)

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第23卷第11期 

文章编号:1006—9348(2006)11—0001—05 

计算机仿真 2006年11月 

虚拟复合武器 平台运动 口 yJ 控制与仿真研究 

余海燕,陈旭灿 

(国防科学技术大学计算机学院,湖南长沙410073) 

摘要:随着计算机生成兵力在作战模拟训练领域日益得到重视和应用,为了提高综合训练的逼真度和可信度,研究复杂兵力 

实体一复合武器平台的运动控制与仿真有重要意义。该文面向分布式虚拟海战的应用需求,研究了舰艇类复合武器平台的 

运动控制与仿真技术,提出并实现了基于HLA/RT1分布式仿真平台,由计算机生成兵力控制的舰艇复合武器平台实体的运 

动控制与仿真方法,在分布式虚拟海战环境中取得良好的实用效果。 

关键词:计算机生成兵力;分布仿真平台;运动控制;复合武器平台;仿真 

中图分类号:TP391.09;V275.1 文献标识码:A 

Movement Control and Simulation of Virtual 

Complex Weapon Platform 

YU Hai—yan.CHEN Xu—can 

(School of Computer,National University of Defence Technology,Changsha Hunan 410073,China) 

ABSTRACT:With the wide application of computer—generated force(CGF)in the battle ifeld simulation,it is im— 

portant to research the control and simulation of complicated force unit-composite alTUS platform,for improving the 

reality and reliability of composite military dril1.For meeting the need of distibuted virrtual ocean fight,the paper re— 

searches the control and simulation of composite arms platform,such as the warships,and proposes a method of simu— 

lation and control of composite arlns platform controlled by CGF federal,based on HLA/RTI distributed simulation 

environment.The experimental results show that our method is effective and usefu1. 

KEYWORDS:CGF;Distibuted sirmulation platform;Movement control;Complex weapon platform;Simulation 

1 引言 

分布式虚拟海战环境中,复合武器平台是由运载平台 

(舰体)、推进装嚣(螺旋桨和方向舵)和配置的多种武器装 

备(导弹发射架、火炮、雷达等)组成。各种虚拟舰艇、潜艇等 

的拓扑结构模型与各刚体运动学关系,复合武器平台实体的 

几何运动仿真方法,基于分布式仿真平台的复合武器平台的 

实体运动与行为控制方法等。 

国内外对复合武器平台运动控制与仿真相关技术有较 

多研究。美国海军研究生院计算机科学系研制的NPS. 

NET…集成了反潜战和反水面舰战系统的各类人在回路半 

复合武器平台的运动,部分是通过人在回路的操纵控制仿真 

器进行控制,多数复合武器平台由计算机生成兵力(CGF)系 

统产生的控制信息进行控制。除了对复合武器平台逼真的 

实物仿真器对复合武器平台进行运动控制与仿真,美国国防 

部研制的JSIMS(joint simulation system)是一个支持多兵种 

几何建模外,能否对虚拟复合武器平台进行合理而高效的运 

动控制和仿真,也将直接影响虚拟海战的真实感和实用效 

果。 

联合作战模拟训练系统,该系统实现了计算机生成兵力系统 

对复合武器平台的运动控制与仿真,但没有公布技术资料。 

国内北京航空航天大学、国防科技大学、装甲兵工程学院等 

单位联合研制的大规模分布式虚拟战场环境DVENET 2 J,实 

现了人在回路仿真器对虚拟装甲车辆复合武器平台的运动 

控制和仿真,但还没有实现计算机生成兵力系统对舰艇和装 

甲车辆复合武器平台的运动控制和仿真。 

本文研究提出并实现了基于HLA/RT1分布式仿真平 

本文研究分布式虚拟海战中,由计算机生成兵力系统产 

生控制信息进行控制的复合武器平台运动控制和仿真技术, 

它和人在回路控制不同,由计算机生成兵力控制的复合武器 

平台的运动仿真过程是全自动化进行的,有多项关键技术需 

研究解决,主要包括:复合武器平台运动控制,复合武器平台 

基金项目:国家”973”资助项目(2002CB312105) 

收稿日期:2oo5一O9一o9 

台,由计算机生成兵力控制的舰艇复合武器平台运动控制与 

仿真方法,在分布式虚拟海战环境中取得良好的应用效果。 

1一 

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文中所述的方法,对研究实现虚拟装甲车辆、飞机等复合武 

在回路的控制和仿真不同之处主要有两点:一是计算机生成 

器平台的运动控制和仿真有应用参考价值。 

兵力的控制是命令级的,不能精确到运动过程。比如。对水 

面舰艇的导弹发射架运动控制,计算机生成兵力发送的是目 

2复合武器平台的运动控制 

复合武器平台运动控制和仿真的主要任务是:接收计算 

机生成兵力系统发送的运动控制命令和参数,产生合理的复 

合运动行为。 

标的ID号、目标属性参数、攻击方式等控制命令和参数,具 

体的运动仿真过程,由复合武器平台实体运动控制和仿真软 

件生成;另一点不同是,计算机生成兵力给出的控制信息不 

定很合理,复合武器平台运动控制和仿真软件要对其合理 

在基于HLA/RTI的分布式虚拟海战环境中,舰艇复合 

国防科技大学计算机学院研制的计算机生成兵力系统 

性进行判断,并将判断的结果返回给计算机生成兵力。 

战场兵力实体行为建模与仿真基础平台EBMS 的系统 

结构如图1所示。 

EBMS由模型编辑模块、想定编辑模块、规则编辑模块、 

想定运行模块和数据库等几部分组成,并通过分布仿真平台 

HIA/RTI与其它仿真应用连接。 

图1 EBMS系统结构 

模型编辑模块一负责兵力实体的物理模型、特效模型 

以及作战环境模型的编辑和管理,模型数据存储在数据库 

中。 

规则编辑模块一负责兵力实体的行为组织以及行为规 

则的编辑,数据存储在数据库中。 

想定编辑模块一负责完成联合作战中实体的模型设置、 

实体作战规则的设置、群体组织描述、作战区域设置以及实 

体任务的规划等。 

想定运行模块一负责完成联合作战想定的解释与运行, 

仿真结果可以通过HLA/RTI与其它仿真应用连接,也可以 

存储在数据库中,作为战争结果分析和演示重演的依据。 

数据库一分为模型想定数据库和结果数据库两部分,是 

战场兵力实体行为建模与仿真基础平台各组成功能模块的 

连接枢纽。EBMS的模型包括装备类模型、特效类模型、环境 

类模型等。 

装备类模型用于对作战单元的武器装备建模,它实现了 

作战单元的多种典型功能,并在仿真中的认知模型指导下模 

拟作战单元的各项行动。其主要功能:描述武器装备的基本 

属性、机动属性、武器属性、通讯属性、侦察属性等。 

本文介绍的复合武器平台运动控制和仿真技术是根据 

计算机生成兵力平台EBMS的武器装备模型在分布式虚拟 

海战环境中运动行为仿真的应用需求研究开发的。在计算 

机生成兵力控制下的复合武器平台运动控制和仿真,它与人 

2一 

武器平台是一个符合HLA OMT规范仿真对象模型(Simula— 

tion Object Model,SOM)的邦员。邦员需要在联邦中公布对 

象类、交互类和其属性。例如,对水面舰艇类: 

●对象类和属性: 

对象类和属性描述了 

水面舰艇类=:{标志ID,舰体WD,雷达RID,导弹发射 

台SBP,导弹MIS,火炮ATI,……} 

舰体对象类属性=:{ID标志,长度L、宽度w,高度H, 

中心点C,……} 

雷达对象类属性=:{ID标志,天线RNT,基座ACH, 

……

} 

导弹发射装置对象类属性=:{ID标志,发射架ELE、基 

座LAU.……} 

火炮对象类属性=:{ID标志,炮管GUN,炮座BAR, 

……

} 

●交互类和属性: 

复合武器平台接收计算机生成兵力的属性信息类: 

舰体机动类=:{ID标志,位置LO,航向HH,航速VV, 

雷达搜索类=:{ID标志,搜索方位sP,搜索范围sB, 

・・・・・・

l 

雷达跟踪类=:{ID标志,目标批次TT,目标方位RPL, 

目标高度RPH,目标距离RPD,……} 

导弹发射类=:{ID标志,目标标号II,目标方位BPL,目 

标高度RPH,目标距离BPD,发射时间BT,……} 

复合武器平台反馈信息类=:{ID标志,命令错cF,参数 

错PF,正确RI,……}。 

在分布式作战仿真中,计算机生成兵力与复合武器平台 

实体交互时,复合武器平台实体仿真邦员接收计算机生成兵 

力邦员发送的控制信息,并返回控制信息判断结果,同时根 

据控制信息进行复合实体运动仿真,并实时发布实体属性信 

息。控制系统结构如图2所示。 

3复合武器平台运动建模 

3.1邻接拓扑结构模型 

复合武器平台的运载平台上配置的武器装备与其刚性 

邻接,其既随运载平台运动,又有自身的独立运动,邻接刚体 

(运动构件)之间有相对转动而无相对滑动。每种武器装备由 

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因为舰船运动可用牛顿第二定律描述。即: 

+,=(m+Am )口 (8) 

式(8)中: 为舰艇推力 为舰艇阻力;m是舰艇的质 

量;Am 是舰艇 轴附连水质量, 轴为舰艇重心水平指向舰 

首方向; 是舰艇 轴的加速度。 

在分布式虚拟海战环境中,计算机生成兵力按一定的 

时间步长 发送给舰艇复合武器平台的控制信息,一般是1 

秒发一次.为了简化计算方法,提高计算速度,我们采用平均 

参数模型 描述舰艇运动状态。计算公式如下: 

T=(1+K )K 

f= 俨 

+厂 

ax —

——

+—A m

 ̄ 

+I=( +Ⅱ )b 

c _cn± t (9) 

: 

± 

Z 

c:

毕 

X +l=X +V・/tt・sinC 

+l= 4-V・/tt・cosC 

式(9)中:C 、 为//.时刻舰艇的瞬时航向和速度;b为 

舰艇转向时的降速比,直航时为l; 为旋回半径;At为时间 

步长;C 、 +.为 +l时刻舰艇的瞬时航向和速度,c, 为 

该时刻步长内的平均航向和速度; 、 为rt时刻舰艇的坐 

标;是前航正车时航速 对推力的影响系数; 是舰艇的等效 

阻力系数;其余参数同上。平均参数法模型计算量小,只要 

选取合适的时间步长,就能取得较好的精度。 

●舰载武器装备简化运动方程 

考虑到舰载武器装备一导弹发射装置和雷达的运动学 

和动力学基本规律和特征相似,我们采用统一的简化运动方 

程描述.而且主要建立导弹发射架和雷达天线轴姿态的简化 

运动方程(以下统称为轴姿态运动方程).另外,计算机生成 

兵力发送给舰艇复合武器平台的交互类对象属性中,给出的 

是目标的方位,高度、距离以及运载平台的航速、航向等参 

数。因而,需根据目标位置参数和运载平台的位置、运动状态 

参数建立姿态轴向对准目标实体位置运动的简化运动方程。 

下面以导弹发射架的运动动力学关系为例: 

我们知道,对导弹分离姿态的控制完全依赖于导弹发射 

架装置的结构和连杆机构的几何尺寸。由于导弹发射架的运 

动为受控运动,属于动力学的反算问题,所以我们采用一种 

使导弹发射架装置所有的质量和力的效应转化到前发射臂 

上的方法,运用功能法建立导弹发射架连杆机构的动力学数 

学模型为: 

÷帮 

...——

4...—— 

NX+ + 

= 

r-

i塞 = 2 c …c 

A =I

 

 s ̄cO,+c

, 

嘞 

cOsO, 一s ̄sO,+c ̄cacO, 一c j

 1

 

s s 。 c 

I 

“ 

;n 

r 

I 

一arctan 

: can ! 二笠三 I 

式中:c.=p 口 ;p = ; 

Rc=[苎 里 璺叟=£ 曼翌曼i 壁二璺i 壁]: 

4 复合武器平台实体几何运动仿真 

现有的舰艇武器平台3D几何模型数据结构中。模型的 

部件与本体之间的关系采用恒定的矩阵表示,不能直接支持 

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复合武器平台的几何仿真。根据前面2,3节的分析,我们设 

计了参数化树形模型结构,模型的部件(Part)与本体(Main 

Body)之间的关系用参数化矩阵表示如图5所示。如Mesh12 

相对于Meshl的变换矩阵为M12(t),是随参数t变化的,不 

是恒定矩阵。参数矩阵是以时间、方位角、俯仰角等为参数。 

参数化树形模型结构,实时仿真过程中获得上述参数之后, 

将参数矩阵转化为确定矩阵,从而能够支持复合武器平台的 

几何仿真与绘制。 

绘制流程如下: 

RenderFrame(Frame F) 

围6复合武器平台实时运动控制与仿真系统 

 {

for each child frame of F 

Simulator和三维场景观察器(Viewer)分布同一结点。这种 

. 

1 

设计的优点至少有如下几点: 

Get the current child frame:ehildFrame 

1)CGF结点与三维场景观察器结点的通信量减少,通 

Get the trasition matirx of childFrame:Mat 

信次数减少。 

Get the View Matrix:MatView 

2)CGF结点计 

MatView =Mat: 

算量减少,有利于 

RenderFrame(childFrame) 

扩展CGF的控制规 

} 

模。 

ofr each child mesh of F 

3)由于三维场 

{ 

景观察器结点一般 

Get the current child mesh:childMesh 

处于GPU计算密集 

Get the trasition matrix of childFrame:Mat 

状态,复合武器平 

Get the View Ma|irx:MatView 

台运动控制仿真计 

MatView =Mat: 

算在本地进行,产 

ldMesh,Mat); 

生的结果直接向绘 

圈7军舰运动仿真结果(a) 

RenderMesh(chi

} 

制通道传送,因而 

} 

系统性能较佳。 

实验时,Simu— 

lator和三维场景观 

察器(Viewer)结点 

采用Intel I)4 1.6G 

, 

512M RAM, 

FX5600GPU微机为 

硬件平台,以Win・ 

dows2000为操作系 

统,以3DMAX为几 

何建模工具,基于 

图7军舰运动仿真结果(bl 

DireetX9.0 SDK编 

圈5参数化的树形模型结构 

程绘制,图7所示 

5实验结果 

的,包含有18个军舰复合武器平台的虚拟海战作战想定,军 

舰复合武器平台运动控制与仿真运行正确,且不影响场景的 

为了验证本文方法的可行性与有效性,结合分布式虚拟 

绘制速度,实验效果良好。 

海战的应用需求,我们实现了复合武器平台实时运动控制与 

仿真软件模块,其应用系统组成结构图如6所示。 

计算机生成兵力(CGF)结点、三维场景观察器与复合 

6结束语 

本文面向分布式虚拟海战的需求,研究提出了一种基于 

武器平台控制仿真结点通过HLA/RTI通信。CGF对于复合 

HLA/RT1分布式仿真平台, (下转第30页) 

武器平台的控制是通过运动控制仿真器(Simulator)完成,而 

—— —— 

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的各个参数设置相同。 

计,使系统具有良好的界面和人机交互功能。对各功能进行 

图7和图8显示的是减 

模块化处理,使软件具有良好的可维护性和较高的计算效 

压器入口压力经过250 

率。 

秒从12.6Mpa下降到 

、\ 验A口压力P。 

2Mpa时,输出压力的变 

\ 

参考文献: 

化曲线。 

f1]徐士良.计算机常用算法[M].清华大学出版社,2002—4. 

比较图4的试验结 

\ 

试验人四压力 、、、 

[2] 肖田元,张燕方,陈家栋.系统仿真导论[M].清华大学出版 

果和图5的仿真结果可 

社,2000—7 

以看出,仿真计算得到 

[3] [美]Divid J Kruglinski,潘爱民,王国印译.Visual C++技术 

的减压器出口压力与试 

试验时问( 

内幕(第四版)[M].清华大学出版社,1999—1. 

[4] 美]Stanley B Lippman。Jos6e oie著,潘爱民,张丽译.C+ 

验数据基本相符,其误 

图4试验结果图 

+Primer(第三版)[M].中国电力出版社,2002—9. 

差均在允许的范围内。 

仿真软件达到了较好的 

[作者简介】 

精度。 

张维竞(1953一)。男(汉族)。江苏无锡人,教授,研 

究方向:舰船动力装置自动化、计算机仿真及故障诊 

6结束语 

断; 

本文利用VC++ 

杨剑(1980一),男(汉族),云南昆明人。硕士研 

6.0面向对象的编程方 

究生,研究方向:舰船动力装置自动化及仿真; 

式,为某超高压减压器 

李圣军(1975一)。男(汉族),湖北人,硕士研究生,研究方向:舰船 

动态特性仿真开发了专 

动力装置自动化及仿真; 

用软件。利用Wid- 

常广晖(1979一)。男(汉族),河北人,硕士研究生,研究方向:舰船 

ows2000提供的资源进 

仿真时间(s) 

动力装置自动化及仿真。 

行软件界面的可视化设 

图5仿真结果圈 

(上接第5页) 

由计算机生成兵力控制的舰艇复合武器平台运动控制与仿 

术出版业。2003. - 

真方法,设计实现了运动控制与仿真软件,取得了良好的实 

[6] Normal I Badler,K H Manoochehri and G Waiters.Articulated 

验效果。下一步的主要工作是进一步研究扩展、完善和规范 

Figure Positioning by Multiple Constraints[J].IEEE Computer 

与计算机生成兵力系统及人在回路作战台位仿真器的通讯 

Graphics and Applications.1987。7(6):28—38. 

接口协议,完成舰艇复合武器平台运动控制与仿真软件的合 

[7] S N Steketee and Norman I Badler.Parametric Keyframe Interpm- 

理封装,使其对两者具有良好的通用性和适应性。在实验的 

lation Incorporating Kineitc Adjustment and Phrasing Control[J]. 

基础上,进一步研究优化运动动力学方程,提高控制仿真的 

Computer Graphics.1985.19(3):255—262. 

[8] 陈建华.舰艇作战理论与实践[M].北京:国防工业出版社, 

效率和真实感。 

2o02. 

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2oo2—1. 

[作者简介] 

[3] 曾亮。王金树,张会,吴鹏,李思昆.战场兵力实体行为建模 

余海燕(1971一),男(汉族),湖南益阳人,硕士研 

与仿真基础平台一EBMS[J].计算机研究与发展,2005,42 

究生,研究方向:分布式虚拟现实与仿真; 

(增刊). 

陈旭灿(1966一),女(汉族),湖南益阳人,副研究 

【4]周警伟,罗晓沛,实施一个面向对象框架的方法[J],计算机仿 

员。博士,硕士研究生导师,研究方向:虚拟现实与系 

真,2000,(5);107. 

统结构。 

[5]陈 ,等.编著.DirectX 9 3D图形程序设计[M].t-海科学技 

3O一