CN104964807A - 用于风洞试验的模型位姿连续改变碰撞检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于风洞试验的模型位姿连续改变碰撞检测方法：包括：1、连续运动的模型为碰撞检测对象，根据碰撞检测对象的几何外形特点，将其拆分成典型部件的组合；2、依据每个典型部件的几何外形特点，设计可包含典型部件在内的包围盒；3、依据碰撞检测对象在风洞中的位移和姿态，通过计算机解算其下一步在风洞中的位移和姿态，结合各包围盒的几何尺寸，对包围盒是否会与风洞洞壁和其他模型发生碰撞作出判断；4、依据所有典型部件包围盒的碰撞情况，对碰撞检测对象是否会与风洞洞壁和其他模型发生碰撞作出判断。本发明实现了预期判断模型是否会与风洞洞壁或其他模型发生碰撞。

Description

用于风洞试验的模型位姿连续改变碰撞检测方法

技术领域

本发明涉及一种用于风洞试验的模型位姿连续改变碰撞检测方法，可以在连续改变模型位态风洞试验中检测模型预期运动是否与风洞洞壁或其他模型发生碰撞的方法，属于风洞试验技术、飞行器飞行力学领域。

背景技术

20世纪80年代以来，风洞试验完全进入了计算机时代，计算机技术融入了风洞试验的全过程，对风洞试验技术的发展起到巨大的推动作用，使风洞试验发生了革命性变化。计算机技术不仅大大提高了风洞试验效率和试验数据的可靠性，降低了试验成本，而且拓宽了风洞试验内容，许多以前无法进行的特种试验，例如，外挂物捕获轨迹试验、主动流动控制试验、自适应可变体飞行器气动试验、风洞虚拟飞行试验、以及其他一些动态气动力试验等，在计算机的帮助下得以实现。

连续改变模型位姿的特种风洞试验面临着连续运动中的模型是否会与风洞洞壁和其他模型发生碰撞的问题，为了保证试验数据准确和试验安全，碰撞检测方法需要完善。

目前在风洞试验中主要依赖硬件设备进行碰撞检测，例如，电气接触后反馈，使机构停止运动、风洞停车；采用合适的接近光电传感器，感受连续运动模型与洞壁和其他模型的距离。但是硬件碰撞检测方法在检测到碰撞时往往碰撞情况已经发生，当连续运动模型或者其支撑机构具有较大质量、并处于高速运动情况时，碰撞会对试验结果的准确性造成极大影响，甚至对试验模型和风洞设备造成极大破坏。

发明内容

本发明的目的在于：针对现在连续改变模型位移和姿态风洞试验中的碰撞检测需求、现有硬件碰撞检测方法存在的问题，提供一种在模型移动到下一个位移和姿态前检测运动模型是否会与风洞洞壁或其他模型发生碰撞的方法。

本发明的技术方案为：

一种用于风洞试验的模型位姿连续改变碰撞检测方法，包括：

(1)以连续运动的模型为碰撞检测对象，根据碰撞检测对象的几何外形特点，将碰撞检测对象几何外形拆分成典型部件的组合；

(2)根据每个典型部件的几何外形特点，设计将该典型部件包含在内的包围盒，各典型部件的包围盒为规则立体几何图形或者规则立体几何图形的组合；

(3)实时跟踪碰撞检测对象在吹风试验中连续改变的位移和姿态，并计算碰撞检测对象的下一个试验时刻的位移和姿态，根据计算得到的碰撞检测对象在风洞中的位移和姿态，结合各典型部件的包围盒的形状和尺寸，换算得到各典型部件的包围盒在风洞中的位移和姿态；逐个计算各典型部件的包围盒与障碍物之间的距离，如所有典型部件的包围盒的距离大于阈值，则判断碰撞检测对象在下一个位移和姿态不会与风洞洞壁和其他模型发生碰撞；若任一典型部件的包围盒的距离小于或等于阈值，则碰撞检测对象在下一个位移和姿态会与障碍物发生碰撞。

优选的是，所述的用于风洞试验的模型位姿连续改变碰撞检测方法中，

各典型部件的包围盒在风洞中的边界点包含以下6类危险点：

x值最大点、x值最小点、y值最大点、y值最小点、z值最大点以及z值最小点；

判断时，对于任一个典型部件的包围盒，逐个计算各危险点与障碍物之间的距离，当所有危险点的距离均大于阈值，则判断该典型部件的包围盒的距离大于阈值，该典型部件的包围盒不会与障碍物发生碰撞，如任一个危险点的距离小于或等于阈值，则判断该典型部件的包围盒的距离小于或等于阈值，该典型部件的包围盒会与障碍物发生碰撞。

优选的是，所述的用于风洞试验的模型位姿连续改变碰撞检测方法中，所述障碍物为风洞洞壁和/或载机模型。

优选的是，所述的用于风洞试验的模型位姿连续改变碰撞检测方法中，

当所述障碍物小于碰撞检测模型时，则将所述障碍物的包围盒设计成长方形方盒；

各典型部件的包围盒在风洞中的位置通过该典型部件的包围盒的中心轴线以及沿中心轴线截面半径R表示；

判断时，对于任一个典型部件的包围盒，以一定长度步长逐个扫描障碍物的包围盒上的点，计算扫描点到典型部件的包围盒的中心轴线的距离H，并获得垂线所在的典型部件的包围盒的截面半径R，当所有的扫描点都满足H＞R+ε，则判断该典型部件的包围盒的距离大于阈值，该典型部件的包围盒不会与障碍物发生碰撞，如任一个扫描点的距离小于或等于阈值，则判断该典型部件的包围盒的距离小于或等于阈值，该典型部件的包围盒会与障碍物发生碰撞。

优选的是，所述的用于风洞试验的模型位姿连续改变碰撞检测方法中，所述障碍物为载机模型的吊挂。

优选的是，所述的用于风洞试验的模型位姿连续改变碰撞检测方法中，所述碰撞检测对象为导弹模型。

优选的是，所述的用于风洞试验的模型位姿连续改变碰撞检测方法中，该导弹模型具有三个典型部件，分别为弹头段、弹身段和弹翼段，所述弹头段的包围盒设计成圆锥体，所述弹身段的包围盒设计成圆柱体，所述弹翼段设计成代表弹翼主体的圆柱体和代表四个翼片的四个长方体的组合。

本发明与现有技术相比的优点在于：该方法包括以下步骤：1连续运动的模型为碰撞检测对象，根据碰撞检测对象的几何外形特点，将其拆分成典型部件的组合；2依据每个典型部件的几何外形特点，设计可包含典型部件在内的包围盒；3依据碰撞检测对象在风洞中的位移和姿态，通过计算机解算其下一步在风洞中的位移和姿态，结合各包围盒的几何尺寸，对包围盒是否会与风洞洞壁和其他模型发生碰撞作出判断；4依据所有典型部件包围盒的碰撞情况，对碰撞检测对象是否会与风洞洞壁和其他模型发生碰撞作出判断。本发明具有可以实现模型移动前检测在风洞中碰撞情况的突出优点。

附图说明

1)图1为本发明所述的风洞坐标系示意图；

2)图2为本发明中碰撞检测对象的外形示意图；

3)图3(a)为本发明中碰撞检测对象的包围盒，图3(b)为图3(a)的A-A剖面视图；

4)图4为风洞试验示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

请参阅图1、图2、图3和图4，本发明提供了一种用于风洞试验的模型位姿连续改变碰撞检测方法，包括：

(1)以连续运动的模型为碰撞检测对象，根据碰撞检测对象的几何外形特点，将碰撞检测对象几何外形拆分成典型部件的组合；

(2)根据每个典型部件的几何外形特点，设计将该典型部件包含在内的包围盒，各典型部件的包围盒为规则立体几何图形或者规则立体几何图形的组合；

(3)实时跟踪碰撞检测对象在吹风试验中连续改变的位移和姿态，并计算碰撞检测对象的下一个试验时刻的位移和姿态，根据计算得到的碰撞检测对象在风洞中的位移和姿态，结合各典型部件的包围盒的形状和尺寸，换算得到各典型部件的包围盒在风洞中的位移和姿态；逐个计算各典型部件的包围盒与障碍物之间的距离，如所有典型部件的包围盒的距离大于阈值，则判断碰撞检测对象在下一个位移和姿态不会与风洞洞壁和其他模型发生碰撞；若任一典型部件的包围盒的距离小于或等于阈值，则碰撞检测对象在下一个位移和姿态会与障碍物发生碰撞。若各典型部件包围盒都未与风洞洞壁和其他模型发生碰撞，那么碰撞检测对象不会与风洞洞壁和其他模型发生碰撞；若各典型部件包围盒中存在与风洞洞壁和其他模型发生碰撞情况的，那么碰撞检测对象与风洞洞壁和其他模型发生碰撞。

所述的步骤(2)中的包围盒的设计方法为：包围盒必须包含典型部件，包围盒外形为规则立体几何图形或者为规则立体几何图形的组合，包围盒的尺寸以垂直于碰撞检测对象中心轴线上的包围盒与典型部件表面的距离不超过选定值为基准来确定。

进一步地，所述的用于风洞试验的模型位姿连续改变碰撞检测方法中，各典型部件的包围盒在风洞中的边界点包含通过以下6类危险点：x值最大点、x值最小点、y值最大点、y值最小点、z值最大点以及z值最小点；判断时，对于任一个典型部件的包围盒，逐个计算各危险点与障碍物之间的距离，当所有危险点的距离均大于阈值，则判断该典型部件的包围盒的距离大于阈值，该典型部件的包围盒不会与障碍物发生碰撞，如任一个危险点的距离小于或等于阈值，则判断该典型部件的包围盒的距离小于或等于阈值，该典型部件的包围盒会与障碍物发生碰撞。

上述这些点是典型部件包围盒上距离风洞洞壁和其他模型最近的点，或者是已穿过风洞洞壁和其他模型的点，即危险点。

出于安全考虑，选定一个安全裕度距离ε，危险点未穿过风洞洞壁和其他模型，并且与风洞洞壁和其他模型的距离大于ε的情况，认为碰撞检测对象的下一步运动不会与风洞洞壁和其他模型发生碰撞，否则认为碰撞检测对象的下一步运动会与风洞洞壁和其他模型发生碰撞。

进一步地，所述的用于风洞试验的模型位姿连续改变碰撞检测方法中，所述障碍物为风洞洞壁和/或载机模型。

进一步地，所述的用于风洞试验的模型位姿连续改变碰撞检测方法中，当所述障碍物小于碰撞检测模型时，则将所述障碍物的包围盒设计成长方形方盒；各典型部件的包围盒在风洞中的位置通过该典型部件的包围盒的中心轴线以及沿中线轴线截面半径R表示；判断时，对于任一个典型部件的包围盒，以一定长度步长逐个扫描障碍物的包围盒上的点，计算扫描点到典型部件的包围盒的中心轴线的距离H，并获得垂线所在的典型部件的包围盒的截面半径R，当所有的扫描点都满足H＞R+ε，则判断该典型部件的包围盒的距离大于阈值，该典型部件的包围盒不会与障碍物发生碰撞，如任一个扫描点的距离小于或等于阈值，则判断该典型部件的包围盒的距离小于或等于阈值，该典型部件的包围盒会与障碍物发生碰撞。

对于风洞中存在小于碰撞检测对象的物体，检测碰撞检测对象是否会与此类大小物体发生碰撞的方法为：以一定的长度步长扫描物体上的点，作从扫描点到碰撞检测对象中心轴线的垂线，检查扫描点是否在垂线所处的碰撞检测对象截面内，如果此物体上所有扫描点都不在对应的横截面内，则认为碰撞检测对象与此物体不发生碰撞，否则认为碰撞检测对象将与此物体发生碰撞。

进一步地，所述的用于风洞试验的模型位姿连续改变碰撞检测方法中，所述障碍物为载机模型的吊挂。

进一步地，所述的用于风洞试验的模型位姿连续改变碰撞检测方法中，所述碰撞检测对象为导弹模型。

进一步地，所述的用于风洞试验的模型位姿连续改变碰撞检测方法中，该导弹模型具有三个典型部件，分别为弹头段、弹身段和弹翼段，所述弹头段的包围盒设计成圆锥体，所述弹身段的包围盒设计成圆柱体，所述弹翼段设计成代表弹翼主体的圆柱体和代表四个翼片的四个长方体的组合。

下面以外挂物捕获轨迹试验为例，详细说明防止外挂物模型(即碰撞检测对象)与风洞洞壁和载机模型发生碰撞的方法。

(1)外挂物模型以Basic Finner标模修改型为例，如图2所示。外挂物模型为连续运动模型，即碰撞检测对象。根据外挂物模型的几何外形特点，将外挂物模型拆分成如图2所示的三个典型部件，分别为弹头段3、弹身段1和弹翼段2；

(2)弹头段包围盒设计成圆锥体，弹身段包围盒设计成圆柱体，弹翼段包围盒设计成圆柱体和四个长方体的组合，如图3所示；

(3)风洞试验时，载机模型4和外挂物模型5同时放置在风洞中，外挂物模型位于载机模型下表面附近，与载机模型的吊挂相隔一定距离，如图4所示。在一次吹风试验中，外挂物模型的每一步位移和姿态都可以由计算机提前计算得到。

(3.1)根据计算得到的外挂物模型在风洞坐标系中的质心坐标(x，y，z)，外挂物模型在风洞中的姿态角以及各包围盒的形状尺寸，可以计算得到危险点：风洞坐标系下弹头段包围盒x值最大点、x值最小点、y值最大点、y值最小点、z值最大点、z值最小点，假设为1、2、3、4、5、6点；风洞坐标系下弹身段包围盒x值最大点、x值最小点、y值最大点、y值最小点、z值最大点、z值最小点，假设为7、8、9、10、11、12点；风洞坐标系下弹翼段包围盒x值最大点、x值最小点、y值最大点、y值最小点、z值最大点、z值最小点，假设为13、14、15、16、17、18点。由于相对于载机模型和风洞洞壁来说，主要是可能发生在y方向和z方向的碰撞，因此，上述在6类危险点中，实际计算时只使用了后4类点，即y值最大点、y值最小点、z值最大点、z值最小点，并分别进行了命名。

(3.2)风洞下洞壁y坐标值为y_down，载机下表面y坐标值为y_plane，顺着气流方向前视风洞左洞壁z坐标值为z_left，风洞右洞壁z坐标值为z_right。

如果3、4、9、10、15、16点的y坐标值满足以下关系式：

y_down+ε＜y_{(3，4，9，10，15，16)}＜y_plane-ε

那么外挂物模型与风洞下洞壁和载机模型下表面将不发生碰撞，否则外挂物模型与风洞下洞壁和载机模型下表面将会发生碰撞。

如果5、6、11、12、17、18点的z坐标值满足以下关系式：

z_right+ε＜z_{(5，6，11，12，17，18)}＜z_left-ε

那么外挂物模型与风洞左右洞壁将不发生碰撞，否则外挂物模型与风洞左右洞壁将发生碰撞。

(3.3)载机模型的吊挂以长方体方盒模拟，吊挂属于小于外挂物模型的物体。

以一定长度步长扫描方盒上的点，通过扫描点到外挂物中心轴线的距离H，与垂足所对应的外挂物模型截面半径R二者之间的大小关系，判断是否会发生碰撞。

外挂物模型截面半径分为以下三种情况：

当垂足落在弹头段时，外挂物模型截面半径可以根据垂足到弹头顶点距离和圆锥包围盒底面半径计算得到。

当垂足落在弹身段时，外挂物模型截面半径为圆柱包围盒的半径。

当垂足落在弹翼段时，外挂物模型截面半径需要考虑外挂物模型的滚转，如图所示，当垂线经过翼片时，外挂物模型的截面半径为弹身半径和弹翼展长之和，当垂线不经过翼片时，外挂物模型的截面半径为弹身半径。

判断外挂物模型是否与吊挂发生碰撞的依据是：

当H＞R+ε时，认为外挂物模型与吊挂不发生碰撞；否则认为外挂物模型与吊挂发生碰撞。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此，本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (7)

1.一种用于风洞试验的模型位姿连续改变碰撞检测方法，其特征在于，包括：

(1)以连续运动的模型为碰撞检测对象，根据碰撞检测对象的几何外形特点，将碰撞检测对象几何外形拆分成典型部件的组合；

(2)根据每个典型部件的几何外形特点，设计将该典型部件包含在内的包围盒，各典型部件的包围盒为规则立体几何图形或者规则立体几何图形的组合；

(3)实时跟踪碰撞检测对象在吹风试验中连续改变的位移和姿态，并计算碰撞检测对象的下一个试验时刻的位移和姿态，根据计算得到的碰撞检测对象在风洞中的位移和姿态，结合各典型部件的包围盒的形状和尺寸，换算得到各典型部件的包围盒在风洞中的位移和姿态；逐个计算各典型部件的包围盒与障碍物之间的距离，如所有典型部件的包围盒的距离大于阈值，则判断碰撞检测对象在下一个位移和姿态不会与风洞洞壁和其他模型发生碰撞；若任一典型部件的包围盒的距离小于或等于阈值，则碰撞检测对象在下一个位移和姿态会与障碍物发生碰撞。

2.如权利要求1所述的用于风洞试验的模型位姿连续改变碰撞检测方法，其特征在于，

各典型部件的包围盒在风洞中的边界点包含以下6类危险点：

x值最大点、x值最小点、y值最大点、y值最小点、z值最大点以及z值最小点；

判断时，对于任一个典型部件的包围盒，逐个计算各危险点与障碍物之间的距离，当所有危险点的距离均大于阈值，则判断该典型部件的包围盒的距离大于阈值，该典型部件的包围盒不会与障碍物发生碰撞，如任一个危险点的距离小于或等于阈值，则判断该典型部件的包围盒的距离小于或等于阈值，该典型部件的包围盒会与障碍物发生碰撞。

3.如权利要求2所述的用于风洞试验的模型位姿连续改变碰撞检测方法，其特征在于，所述障碍物为风洞洞壁和/或载机模型。

4.如权利要求1至3中任一项所述的用于风洞试验的模型位姿连续改变碰撞检测方法，其特征在于，

当所述障碍物小于碰撞检测模型时，则将所述障碍物的包围盒设计成长方形方盒；

各典型部件的包围盒在风洞中的位置通过该典型部件的包围盒的中心轴线以及沿中心轴线截面半径R表示；

判断时，对于任一个典型部件的包围盒，以一定长度步长逐个扫描障碍物的包围盒上的点，计算扫描点到典型部件的包围盒的中心轴线的距离H，并获得垂线所在的典型部件的包围盒的截面半径R，当所有的扫描点都满足H＞R+ε，则判断该典型部件的包围盒的距离大于阈值，该典型部件的包围盒不会与障碍物发生碰撞，如任一个扫描点的距离小于或等于阈值，则判断该典型部件的包围盒的距离小于或等于阈值，该典型部件的包围盒会与障碍物发生碰撞。

5.如权利要求4所述的用于风洞试验的模型位姿连续改变碰撞检测方法，其特征在于，所述障碍物为载机模型的吊挂。

6.如权利要求4所述的用于风洞试验的模型位姿连续改变碰撞检测方法，其特征在于，所述碰撞检测对象为导弹模型。

7.如权利要求6所述的用于风洞试验的模型位姿连续改变碰撞检测方法，其特征在于，该导弹模型具有三个典型部件，分别为弹头段、弹身段和弹翼段，所述弹头段的包围盒设计成圆锥体，所述弹身段的包围盒设计成圆柱体，所述弹翼段设计成代表弹翼主体的圆柱体和代表四个翼片的四个长方体的组合。