一种装备三维模型机构运动通用控制方法与流程

本发明属于装备试验领域，涉及装备三维模型运动模拟的计算机仿真技术，尤其涉及一种装备三维模型机构运动通用控制方法。

背景技术：

装备三维模型机构运动模拟通过外部数据驱动三维模型运动机构进行空间运动，在装备试验中用于真实模拟装备运动状态，构建试验三维态势。

装备试验时的机构运动包括部件旋转、平移、分离、抛撒动作或上述几种动作的组合，每一种型号装备的工作原理、内部结构和机构运动方式都不相同。在进行装备三维模型运动控制时，需要在控制程序中对驱动数据、控制指令以及控制的装备三维模型部件进行配置，使模型中需要执行动作的部件能够根据控制指令和驱动数据进行运动。

已知技术中，装备三维模型的运动控制需要针对装备的工作原理和部件动作修改控制程序或设计专门的控制程序，对装备三维模型的运动部件、驱动数据和控制指令进行匹配，以满足控制需求，这一过程需要对软件源代码进行修改，软件设计、调试和测试时间较长。装备试验中被试装备种类、型号多样，任务量大，试验准备时间短，该方法无法满足需要。

（参考文献：常兴华.指挥显示系统三维态势组件的设计与实现.计算机应用,2014（1）：28-30）提供的装备动画模拟方法可以用于多种装备的机构运动模拟，但是需要在三维建模过程中进行动画设计，机构运动参数已经固化到模型中，应用过程中只能进行动画开关控制，无法对机构运动参数进行修改。

技术实现要素：

为了解决已有技术中装备三维模型运动需要针对装备设计专门控制程序的问题，本发明的目的是提供一种装备三维模型运动通用控制方法。该方法可以在较短的时间内通过参数设置对多种型号装备的机构运动进行配置，避免修改软件源代码，降低对软件操作人员的技术要求，减少试验准备时间。

本发明提供的一种装备三维模型运动通用控制方法，步骤和条件如下：

Ⅰ．硬件：包括计算机，计算机要具备如下技术条件：a.具备网络通信接口，能接收驱动数据；b.具有显示设备，包括显示器或投影仪；c. 有输入设备，包括键盘和鼠标；

计算机中存储和运行有管理和控制程序；所述的程序需要具有如下技术功能：1.能够加载并显示装备三维模型；2. 能单独选择装备三维模型的任意部件，提供控制参数输入界面，可以为每个部件设置运动参数；3.具备接收驱动数据的功能；

．装备三维模型：

装备三维模型由多个独立的部件组成，根据装备的结构和工作原理，部件采用树状结构组织，第1级部件为根部件，根部件上可以连接多个部件作为第2级部件，第2级的每一个部件也可以连接多个部件作为第3级部件，依次类推构成树状组织结构；

装备三维模型运动是指装备三维模型中一个部件或多个部件的运动组合，部件运动方式有旋转、平移、分离三种基本类型。

．坐标系：

（1）特定三维空间坐标系：

部件的运动用特定三维空间坐标系的平移参数和旋转参数表示，假设部件i所在特定三维空间坐标系用(OXYZ) m表示，部件i在该坐标系中的位置姿态可以用参数Pm(Xi，Yi，Zi，Φi，Θi，Ψi)表示，其中(Xi，Yi，Zi)表示部件i在三个坐标轴方向的平移分量，(Φi，Θi，Ψi)表示部件i在三个坐标轴方向上的旋转分量，根据参数Pm可以计算部件在特定三维空间坐标系(OXYZ) m的空间变换矩阵M，计算公式如下：

（2）绝对坐标系与相对坐标系：

在控制程序中，部件的位置姿态用固定在大地上某一点的三维空间坐标系(OXYZ) a（简称绝对坐标系）表示，绝对坐标系中的位置姿态数用Pa(Xi，Yi，Zi，Φi，Θi，Ψi)表示，部件的运动用参数Pa对应的空间变换矩阵M_a控制，为了便于计算和描述，部件i用与固定在部件i所连接的上一级部件n上的三维空间坐标系(OXYZ) ri（简称相对坐标系）表示，部件i在相对坐标系中的位置姿态参数为Pri(Xi，Yi，Zi，Φi，Θi，Ψi)；

从相对坐标系 (OXYZ) ri到绝对坐标系(OXYZ) a的转换方法如下：假设根部件1在绝对坐标系(OXYZ) a中变换矩阵为M₁，第2级部件在部件1固连三维空间坐标系中的空间变换矩阵为M₂，部件n的空间变换矩阵为M_n，部件i的空间变换矩阵为Mi，则部件i在绝对坐标系中的变换矩阵为：，使用空间变换矩阵Mai即可实现部件i在绝对坐标系(OXYZ) a中的运动控制；

．运动控制参数配置：在控制程序中，运动控制参数配置由下列步骤完成：

步骤100：开始，开始配置流程；

步骤105：根据装备的工作原理，列出所有部件在运动过程中需要执行的动作，分析每一个动作在相对坐标系(OXYZ) ri中的运动初始位置姿态参数Pri(Xi0，Yi0，Zi0，Φi0，Θi0，Ψi0)，运动终止位置姿态参数Pri(Xin，Yin，Zin，Φin，Θin，Ψin)和动作执行时间Ti；

步骤110：将步骤105中确定的部件运动参数作为输入提交给控制程序；

步骤115：根据控制步长t计算并保存每一部件的位置姿态偏移量

ΔXi=(Xin-Xi0)t/Ti，ΔYi=(Yin-Yi0)t/Ti，ΔZi=(Zin-Zi0)t/Ti，

ΔΦi=(Φin-Φi0)t/Ti，ΔΘi=(Θin-Θi0)t/Ti，ΔΨi=(Ψin-Ψi0)t/Ti；

步骤120：为每一部件指定控制指令，并输入运动控制程序，控制指令是外部的驱动数据，用户鼠标或键盘输入；

步骤125：结束，运动控制参数配置流程结束。

．运动控制过程：在控制程序中，运动控制过程由下列步骤完成：

步骤200：开始；

步骤205：在计算机中设置定时器步长t；

步骤210：启动定时器；

步骤215：读取第1个部件状态；

步骤220：判断部件的控制指令是否已经输入，否，进行步骤235，是，进行步骤225；

步骤225：读取部件当前运动参数Pri(Xij，Yij，Zij，Φij，Θij，Ψij)，计算部件的新运动姿态参数Pri2(Xij+ΔXi，Yij+ΔYi，Zij+ΔZi，Φij+ΔΦi，Θij+ΘXi，Ψij+ΔΨi)；

步骤230：根据计算的部件的新运动参数Pri2，计算绝对坐标系下的空间变换矩阵Mai，根据Mai控制部件更新到新的控制位置姿态；

步骤235：判断当前处理的部件是否为最后一个部件，否，进行步骤240，是，进行步骤245；

步骤240：读取下一个部件状态，跳转到步骤220，循环完成所有部件的处理；

步骤245：判断运动执行时间是否小于部件运动时间Ti，如果小于Ti，定时器继续工作，跳转到步骤250等待下一个定时周期，否则，停止定时器，进行步骤255；

步骤250：判断定时步长t是否完成，是，跳转到步骤215，开始下一个定时周期，否，跳转到本步骤，循环判断，直到定时步长完成；

步骤255：保存所有部件的运动参数；

步骤260：结束，运动控制过程结束。

有益效果：本发明的装备三维模型运动通用控制方法，包括计算机、计算机中存储和运行有管理和控制程序；装备三维模型，建立树状组织结构；建立坐标系，包括特定三维空间坐标系和绝对坐标系与相对坐标系，给出了特定三维空间坐标系的空间变换矩阵M的计算公式，和从相对坐标系到绝对坐标系的转换方法，使用空间变换矩阵实现部件在绝对坐标系中的运动控制。本发明的装备三维模型运动通用控制方法，适用于不同型号的装备三维模型动作控制，在装备试验时可以模拟各种装备的动作，具有通用性，在装备试验领域有很强的实用价值。本发明不需要针对具体型号装备进行专门软件开发，只需要对软件参数进行配置即可完成运动控制，具有对操作人员要求低、准备时间短、适用型号多的特点。

附图说明

图1是本发明的运动参数配置流程图。

图2是本发明的运动控制流程图。

图3 是无人机折叠状态示意图。

图4 是无人机巡航状态示意图。

具体实施方式

实施例１ 一种装备三维模型运动通用控制方法，步骤和条件如下：

Ⅰ．硬件：包括计算机，计算机要具备如下技术条件：a.具备网络通信接口，能接收驱动数据；b.具有显示设备，包括显示器或投影仪；c. 有输入设备，包括键盘和鼠标；

计算机中存储和运行有管理和控制程序；所述的程序需要具有如下技术功能：1.能够加载并显示装备三维模型；2. 能单独选择装备三维模型的任意部件，提供控制参数输入界面，可以为每个部件设置运动参数；3.具备接收驱动数据的功能；

Ⅱ．装备三维模型：

本实施例1，选择某型无人机三维模型为例。该型无人机发射前为折叠状态，如图3所示。发射时，助推器（4）将无人机推出发射架，然后助推器与机体（1）分离，无人机2个主翼（2、6）和2个尾翼（3、5）展开，巡航发动机（固定在机体（1）上）开始工作，无人机进入巡航状态，如图4所示。机体（1）为根部件，助推器（4）、2个主翼（2、6）和2个尾翼（3、5）为连接在机体（1）上的第2级部件。

．坐标系：

（1）特定三维空间坐标系：

部件的运动用特定三维空间坐标系的平移参数和旋转参数表示，假设部件i所在特定三维空间坐标系用(OXYZ) m表示，部件i在该坐标系中的位置姿态可以用参数Pm(Xi，Yi，Zi，Φi，Θi，Ψi)表示，其中(Xi，Yi，Zi)表示部件i在三个坐标轴方向的平移分量，(Φi，Θi，Ψi)表示部件i在三个坐标轴方向上的旋转分量，根据参数Pm可以计算部件在特定三维空间坐标系(OXYZ) m的空间变换矩阵M，计算公式如下：

（2）绝对坐标系与相对坐标系：

在控制程序中，部件的位置姿态用固定在大地上某一点的三维空间坐标系(OXYZ) a（简称绝对坐标系）表示，绝对坐标系中的位置姿态数用Pa(Xi，Yi，Zi，Φi，Θi，Ψi)表示，部件的运动用参数Pa对应的空间变换矩阵M_a控制，为了便于计算和描述，部件i用与固定在部件i所连接的上一级部件n上的三维空间坐标系(OXYZ) ri（简称相对坐标系）表示，部件i在相对坐标系中的位置姿态参数为Pri(Xi，Yi，Zi，Φi，Θi，Ψi)；

从相对坐标系 (OXYZ) ri到绝对坐标系(OXYZ) a的转换方法如下：假设根部件1在绝对坐标系(OXYZ) a中变换矩阵为M₁，第2级部件在部件1固连三维空间坐标系中的空间变换矩阵为M₂，部件n的空间变换矩阵为M_n，部件i的空间变换矩阵为Mi，则部件i在绝对坐标系中的变换矩阵为：，使用空间变换矩阵Mai即可实现部件i在绝对坐标系(OXYZ) a中的运动控制；

具体的，本实施例1，选择固定在靶场坐标原点上的三维空间坐标系(OXYZ)a为绝对坐标系，机体（1）的空间位置姿态用绝对坐标系中的参数Pa0(Xi，Yi，Zi，Φi，Θi，Ψi)表示，运动变换矩阵为Ma0。机体（1）上连接的2级部件（2、3、4、5、6）用固定在机体（1）上的相对坐标系(OXYZ) r中的参数Pr2、Pr3、Pr4、Pr5、Pr6表示，对应的空间变换矩阵为Mr2、Mr3、Mr4、Mr5、Mr6，变换到绝对坐标系中的空间变换矩阵为Ma2、Ma3、Ma4、Ma5、Ma6。

．运动前的参数配置：

如图1所示，本实施例1的运动控制参数配置由下列步骤完成：

步骤100：开始，开始配置流程；

步骤105：本实施例1，确定无人机运动部件有5个，分析每一个动作在坐标系(OXYZ) ri中的初始位置姿态参数，各运动部件的初始运动参数均为（0，0，0，0，0，0），终止运动和动作执行时间见表1；

步骤110：将表1中的参数作为输入提交给控制程序；

步骤115：设置控制软件的定时器步长为50ms，计算每一个运动部件的动作偏移量，计算结果见表1；

步骤120：为每一部件指定控制指令，并输入运动控制程序，见表1；

步骤125：结束，配置流程结束。

．运动控制过程：

如图2所示，本实施例1的运动控制过程由下列步骤完成：

步骤200：开始；

步骤205：设置定时器步长t=50ms；

步骤210：启动定时器；

步骤215：读取第1个部件（1）的状态；

步骤220：判断部件的控制指令是否已经输入？是，执行步骤225，否，跳转到步骤235；

步骤225：读取部件当前运动参数Pri(Xij，Yij，Zij，Φij，Θij，Ψij)，根据表1的运动偏移量，计算部件的新运动姿态参数Pri2(Xij+ΔXi，Yij+ΔYi，Zij+ΔZi，Φij+ΔΦi，Θij+ΘXi，Ψij+ΔΨi)；

步骤230：根据计算的部件的新运动参数Pri2，计算绝对坐标系下的空间变换矩阵Mai，根据Mai控制部件更新到新的控制位置姿态；

步骤235：判断当前处理的部件是否为最后一个部件？是，跳转到步骤245，否，执行步骤240；

步骤240：读取下一个部件状态，跳转到步骤220，循环完成所有部件的处理；

步骤245：判断运动执行时间是否小于表1中的执行时间？是，定时器继续工作，跳转到步骤250等待下一个定时周期，否，停止定时器，跳转到步骤255；

步骤250：判断定时步长t是否完成？是，跳转到步骤215，开始下一个定时周期，否，跳转到本步骤，循环判断，直到定时步长完成；

步骤255：保存所有部件的运动参数；

步骤260：结束，运动控制过程结束。