水下高速运行体运动形态的虚拟现实仿真

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景及意义
• 1.2 超空泡技术的发展现状
• 1.3 虚拟现实技术的发展现状及在军事领域中的应用
• 1.4 论文的主要研究内容及组织结构
• 第2章 超空泡理论
• 2.1 超空泡航行体的总体配置
• 2.2 超空泡稳定形态分析
• 2.2.1 超空泡的形成与维持机理
• 2.2.2 稳定模式下超空泡的模型
• 2.2.3 超空泡的形状分析及仿真
• 2.3 航行体受力及建模分析
• 2.3.1 航行体受力分析
• 2.3.2 航行体的建模分析及仿真
• 2.4 本章小结
• 第3章 航行体控制器的设计
• 3.1 PID控制算法
• 3.2 航行体PID控制器的设计及MATLAB仿真
• 3.3 航行体滑膜控制器设计及MATLAB仿真
• 3.3.1 滑膜变结构控制
• 3.3.2 航行体滑膜控制器的设计
• 3.4 航行体运动形态及周围空泡形态的二维仿真
• 3.5 本章小结
• 第4章 仿真系统的相关知识及总体设计
• 4.1 虚拟现实技术
• 4.1.1 虚拟现实技术的概念及发展
• 4.1.2 虚拟现实技术的特征
• 4.1.3 虚拟现实技术的应用领域
• 4.2 OpenGL理论
• 4.2.1 OpenGL语言简介
• 4.2.2 OpenGL渲染流水线
• 4.2.3 OpenGL形体建模与变换
• 4.2.4 OpenGL图形渲染
• 4.3 基于OpenGL的虚拟现实
• 4.4 VC++下的OpenGL仿真
• 4.5 仿真平台的目的、设计思想、需求分析
• 4.5.1 仿真平台开发目的
• 4.5.2 仿真平台需求分析
• 4.5.3 仿真平台的类图建模
• 4.5.4 仿真平台的具体实现过程
• 4.6 本章小结
• 第5章 水下高速运行体虚拟现实仿真系统的实现
• 5.1 仿真平台界面设计
• 5.1.1 界面设计原则
• 5.1.2 界面设计方案
• 5.2 仿真平台实现的功能
• 5.2.1 海洋及海底环境的生成
• 5.2.2 海底障碍物的绘制
• 5.2.3 高速运行体模型的加载及显示
• 5.2.4 航行体周围空泡的绘制
• 5.2.5 颜色应用中混色的应用
• 5.2.6 航行体尾部烟雾的实现
• 5.2.7 航行体的动态显示
• 5.2.8 键盘控制实现视角变化功能
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢