KR100523445B1 - Real Time Simulation for a Track Vehicle - Google Patents

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KR100523445B1
KR100523445B1 KR10-2003-0021841A KR20030021841A KR100523445B1 KR 100523445 B1 KR100523445 B1 KR 100523445B1 KR 20030021841 A KR20030021841 A KR 20030021841A KR 100523445 B1 KR100523445 B1 KR 100523445B1
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Abstract

본 발명은 전체 트랙을 단위 트랙으로 구분하고, 상기 단위 트랙을 순차적으로 결합함으로써 6자유도(Six Degree of Freedom)를 1자유도 운동 모델로 표현할 수 있고, 이에 따라 일반 개인용 컴퓨터에서도 선로 차량(오락용 궤도 차량) 시뮬레이션을 실시간으로 구현할 수 있는 방법 및 그를 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 관한 것으로,The present invention divides the entire track into unit tracks, and by combining the unit tracks sequentially, six degrees of freedom can be expressed as a single degree of freedom exercise model. Tracked vehicle) method and a computer-readable recording medium recording the same,

본 발명은, 컴퓨터 시스템을 이용한 궤도 차량의 실시간 시뮬레이션 방법에 있어서, 트랙의 유형에 따라 여러 단위 트랙으로 구분한 상태에서, 상기 단위 트랙의 조합에 의해 전체 트랙의 형태가 입력되고, 최초 단위 트랙에 대한 제1 초기값을 입력받는 제1 단계; 상기 제1 초기값과 단위 트랙에 대한 기하학적 정보를 이용해 최초 단위 트랙 구간에서의 차량의 가속도, 속도, 위치 좌표, 시간, 자세각을 계산하고, 상기 제1 초기값과 상기 계산 결과값을 테이블에 저장하는 제2 단계; 사용자가 입력한 모든 단위 트랙에 대한 계산이 완료될 때까지, 이전 단위 트랙 구간에서 계산된 결과값을 다음 단위 트랙의 제2 초기값으로 입력하고, 상기 입력된 제2 초기값과 각 단위 트랙별 기하학 정보를 이용하여 차량의 가속도, 속도, 위치 좌표, 시간, 자세각을 계산하여, 테이블에 저장하는 제3 단계; 모든 단위 트랙에 대한 계산이 완료되면 각 단위 트랙 모듈들의 시간 간격을 일정 샘플링 간격으로 선형 보간한 자세각을 이용하여, 각변화율을 계산하는 제4 단계; 및 상기 각 단위 트랙별로 테이블에 저장된 차량의 가속도, 속도, 위치좌표, 시간, 자세각과 상기 계산된 각변화율을 이용해 시뮬레이션을 수행하는 제5 단계를 포함한다.According to the present invention, in the real-time simulation method of a tracked vehicle using a computer system, the form of the entire track is inputted by the combination of the unit tracks in a state in which the unit tracks are divided into several unit tracks according to the track type. Receiving a first initial value for the first step; The acceleration, the speed, the position coordinates, the time and the attitude angle of the vehicle in the first unit track section are calculated using the geometric information about the first initial value and the unit track, and the first initial value and the calculated result are included in a table. A second step of storing; Until the calculation for all the unit tracks input by the user is completed, the result value calculated in the previous unit track section is input as the second initial value of the next unit track, and the input second initial value and each unit track A third step of calculating an acceleration, a speed, a position coordinate, a time, and an attitude of the vehicle by using the geometric information and storing the same in a table; A fourth step of calculating an angular change rate by using a posture angle obtained by linearly interpolating a time interval of each unit track module at a predetermined sampling interval when calculation of all unit tracks is completed; And a fifth step of performing a simulation using the acceleration, the speed, the position coordinate, the time, the attitude angle, and the calculated angular change rate of the vehicle stored in the table for each unit track.

Description

궤도 차량의 실시간 시뮬레이션 방법 및 그를 기록한 기록매체{Real Time Simulation for a Track Vehicle} Real time simulation method of tracked vehicle and recording medium recording the same {Real Time Simulation for a Track Vehicle}

본 발명은 선로 차량의 실시간 시뮬레이션 방법 및 그를 기록한 기록매체에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 전체 트랙을 단위 트랙으로 구분하고, 상기 단위 트랙을 순차적으로 결합함으로써 6자유도(Six Degree of Freedom)를 1자유도 운동 모델로 표현할 수 있고, 이에 따라 일반 개인용 컴퓨터에서도 선로 차량(오락용 궤도 차량) 시뮬레이션을 실시간으로 구현할 수 있는 방법 및 그를 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 관한 것이다.The present invention relates to a real-time simulation method of a track vehicle and a recording medium recording the same. More particularly, the six tracks are divided into unit tracks and six unit degrees of freedom are combined by sequentially combining the unit tracks. The present invention also relates to a method for realizing a track vehicle (entertainment track vehicle) simulation in real time in a general personal computer and a computer-readable recording medium recording the same.

일반적으로 6자유도 운동은 3 방향의 선형 운동과 3 방향의 회전 운동을 가진다. x축으로 선형운동하는 것을 스웨이(sway)라 하고, y축으로 선형운동하는 것을 서지(surge)라 하며, z축으로 선형운동하는 것을 히브(heave)라 한다. 그리고 x축으로 회전운동하는 것을 피치(pitch)라 하고, y축으로 회전운동하는 것을 롤(roll)이라 하며, z축으로 회전운동하는 것을 요(yaw)라 한다.In general, six degrees of freedom motion has a linear motion in three directions and a rotational motion in three directions. Linear movement in the x-axis is called sway, linear movement in the y-axis is called surge, and linear movement in the z-axis is called heve. The rotational movement on the x-axis is called a pitch, the rotational movement on the y-axis is called a roll, and the rotational movement on the z-axis is called a yaw.

운동 모델은 대상의 운동에 대한 정보를 다른 하부 시스템에 전달해주는 정보의 중심처이다. 이러한 운동 정보는 영상 시스템으로 전달되어 시각적인 표현을 나타내 주고, 또한 운동 시스템에 전달되어 사람의 운동 인지능력을 실제와 같게 구현할 수 있다. 이러한 시뮬레이션 환경은 컴퓨터 소프트웨어와 기계적인 장치들이 하나의 시뮬레이션 루프를 구성하고 있어서 HILS(Hardware-In-the-Loop Simulation)환경을 구축하기에 적합하다. 이와 같은 시뮬레이션의 시간 제약 조건을 만족하기 위해서는 실시간 스케쥴러(scheduler)를 적용하며, 이를 통해 실시간 시뮬레이션(Real-time Simulation)을 구현할 수 있다.An exercise model is the center of information that conveys information about the subject's movement to other subsystems. Such exercise information is transmitted to the imaging system to represent a visual expression, and also transferred to the exercise system to realize a person's exercise cognitive ability as if in reality. This simulation environment is suitable for building a hardware-in-the-loop simulation (HILS) environment because computer software and mechanical devices form a simulation loop. In order to satisfy the time constraints of the simulation, a real-time scheduler is applied, and real-time simulation can be implemented through this.

하지만 실시간 시뮬레이션 시 한 모듈에서 시간 지연이 발생되면 전체 시스템을 이루는 다른 모듈에서도 시간 지연이 있게 된다. 이 시간 오차는 점차 누적되어 전체 시뮬레이션 시간에 적지 않은 시간 지연으로 나타나게 된다. 실시간 시뮬레이션을 위해서는 가능한 한 운동 모듈의 연산량을 줄여야 한다.However, in real-time simulation, if one module experiences a time delay, there will be a time delay in the other modules that make up the entire system. This time error gradually accumulates, resulting in a significant time delay over the entire simulation time. Real-time simulations require as little computational motion as possible.

종래의 궤도 차량의 모델은 대부분 차체를 강체(Rigid Body)로 가정하여 대상의 운동을 상세히 묘사한 반면 매우 연산량이 많아서 시뮬레이션을 위해서는 연산 부하가 높아지는 단점이 있었다. 즉, 종래의 궤도 차량의 모델은 강체의 표현에 있어서 6자유도(DoF) 운동으로 표현하는데, 이는 6개의 2차 미분방정식을 계산하게 되고, 시간의 흐름에 따른 적분에 의한 누적오차가 증가한다. 따라서 연산에 필요한 시스템의 하드웨어 성능의 요구 사항이 높아지고, 이는 전체 시스템의 개발가격을 높게 한다.Most conventional models of tracked vehicles describe the motion of the target in detail, assuming the vehicle body is a rigid body, while the computational load is high for simulation because of a large amount of computation. In other words, the model of a conventional tracked vehicle is represented by six degrees of freedom (DoF) motion in the representation of a rigid body, which calculates six quadratic differential equations and increases the cumulative error due to integration over time. . Therefore, the hardware performance requirements of the system required for the calculation are increased, which increases the development cost of the entire system.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 전체 트랙을 단위 트랙으로 구분하고, 상기 단위 트랙을 순차적으로 결합함으로써 6자유도 운동을 1자유도 운동 모델로 표현하여, 일반 개인용 컴퓨터에서도 훈련용 또는 오락용 궤도 차량의 시뮬레이션을 실시간으로 구현할 수 있는 시뮬레이션 방법 및 그를 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공하는데 그 목적이 있다. Accordingly, the present invention is to solve the problems of the prior art as described above, the present invention is to divide the entire track into a unit track, by expressing the six degrees of freedom motion in a one degree of freedom exercise model by combining the unit tracks sequentially Accordingly, an object of the present invention is to provide a simulation method capable of real-time simulation of a training or recreational track vehicle in a general personal computer and a computer-readable recording medium recording the same.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 컴퓨터 시스템을 이용한 궤도 차량의 실시간 시뮬레이션 방법에 있어서, 트랙의 유형에 따라 여러 단위 트랙으로 구분한 상태에서, 상기 단위 트랙의 조합에 의해 전체 트랙의 형태가 입력되고, 최초 단위 트랙에 대한 제1 초기값을 입력받는 제1 단계; 상기 제1 초기값과 단위 트랙에 대한 기하학적 정보를 이용해 최초 단위 트랙 구간에서의 차량의 가속도, 속도, 위치 좌표, 시간, 자세각을 계산하고, 상기 제1 초기값과 상기 계산 결과값을 테이블에 저장하는 제2 단계; 사용자가 입력한 모든 단위 트랙에 대한 계산이 완료될 때까지, 이전 단위 트랙 구간에서 계산된 결과값을 다음 단위 트랙의 제2 초기값으로 입력하고, 상기 입력된 제2 초기값과 각 단위 트랙별 기하학 정보를 이용하여 차량의 가속도, 속도, 위치 좌표, 시간, 자세각을 계산하여, 테이블에 저장하는 제3 단계; 모든 단위 트랙에 대한 계산이 완료되면 각 단위 트랙 모듈들의 시간 간격을 일정 샘플링 간격으로 선형 보간한 자세각을 이용하여, 각변화율을 계산하는 제4 단계; 및 상기 각 단위 트랙별로 테이블에 저장된 차량의 가속도, 속도, 위치좌표, 시간, 자세각과 상기 계산된 각변화율을 이용해 시뮬레이션을 수행하는 제5 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In the present invention for achieving the above object, in the real-time simulation method of a tracked vehicle using a computer system, in the state divided into several unit tracks according to the type of track, the form of the entire track is input by the combination of the unit tracks A first step of receiving a first initial value for the first unit track; The acceleration, the speed, the position coordinates, the time and the attitude angle of the vehicle in the first unit track section are calculated using the geometric information about the first initial value and the unit track, and the first initial value and the calculated result are included in a table. A second step of storing; Until the calculation for all the unit tracks input by the user is completed, the result value calculated in the previous unit track section is input as the second initial value of the next unit track, and the input second initial value and each unit track A third step of calculating an acceleration, a speed, a position coordinate, a time, and an attitude of the vehicle by using the geometric information and storing the same in a table; A fourth step of calculating an angular change rate by using a posture angle obtained by linearly interpolating a time interval of each unit track module at a predetermined sampling interval when calculation of all unit tracks is completed; And a fifth step of performing a simulation by using the acceleration, the speed, the position coordinate, the time, the attitude angle, and the calculated angular change rate of the vehicle stored in the table for each unit track.

바람직하게는 하나의 단위 트랙에 대한 계산이 완료된 후, 단위 트랙의 유효성 검사를 수행하여 오류가 발견되면, 사용자에게 오류 발생 사실을 통보하는 단계를 더 포함한다.Preferably, after the calculation of one unit track is completed, if the error is found by performing the validity of the unit track, the method further comprises the step of notifying the user of the error occurrence.

바람직하게는 각 단위 트랙의 유효성 검증은, 운동 에너지와 위치 에너지 및 손실 에너지를 계산하여, 각 단위 트랙 구간의 처음에 차량이 가지고 있었던 에너지와의 비교를 통해 이루어진다.Preferably, validation of each unit track is made by calculating the kinetic energy, the potential energy and the loss energy and comparing it with the energy that the vehicle had at the beginning of each unit track section.

또한 바람직하게는 상기 자세각은 벡터의 내적 연산을 이용해 계산하고, 상기 계산한 각의 변화를 시뮬레이션 동안 계속 누적하여 상기 자세각이 표현되도록 한다.Also preferably, the attitude angle is calculated using the dot product calculation of the vector, and the change in the calculated angle is continuously accumulated during the simulation so that the attitude angle is expressed.

또한 본 발명은, 실시간으로 궤도 차량을 시뮬레이션 하기 위해 컴퓨터에서, 트랙의 유형에 따라 여러 단위 트랙으로 구분한 상태에서, 상기 단위 트랙의 조합에 의해 전체 트랙의 형태가 입력되고, 최초 단위 트랙에 대한 제1 초기값을 입력받는 제1 단계; 상기 제1 초기값과 단위 트랙에 대한 기하학적 정보를 이용해 최초 단위 트랙 구간에서의 차량의 가속도, 속도, 위치 좌표, 시간, 자세각을 계산하고, 상기 제1 초기값과 상기 계산 결과값을 테이블에 저장하는 제2 단계; 사용자가 입력한 모든 단위 트랙에 대한 계산이 완료될 때까지, 이전 단위 트랙 구간에서 계산된 결과값을 다음 단위 트랙의 제2 초기값으로 입력하고, 상기 입력된 제2 초기값과 각 단위 트랙별 기하학 정보를 이용하여 차량의 가속도, 속도, 위치 좌표, 시간, 자세각을 계산하여, 테이블에 저장하는 제3 단계; 모든 단위 트랙에 대한 계산이 완료되면 각 단위 트랙 모듈들의 시간 간격을 일정 샘플링 간격으로 선형 보간한 자세각을 이용하여, 각변화율을 계산하는 제4 단계; 및 상기 각 단위 트랙별로 테이블에 저장된 차량의 가속도, 속도, 위치좌표, 시간, 자세각과 상기 계산된 각변화율을 이용해 시뮬레이션을 수행하는 제5 단계를 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공한다.In addition, the present invention, in the computer to simulate the track vehicle in real time, in the state divided into several unit tracks according to the type of track, the form of the entire track by the combination of the unit track is input, A first step of receiving a first initial value; The acceleration, the speed, the position coordinates, the time and the attitude angle of the vehicle in the first unit track section are calculated using the geometric information about the first initial value and the unit track, and the first initial value and the calculated result are included in a table. A second step of storing; Until the calculation for all the unit tracks input by the user is completed, the result value calculated in the previous unit track section is input as the second initial value of the next unit track, and the input second initial value and each unit track A third step of calculating an acceleration, a speed, a position coordinate, a time, and an attitude of the vehicle by using the geometric information and storing the same in a table; A fourth step of calculating an angular change rate by using a posture angle obtained by linearly interpolating a time interval of each unit track module at a predetermined sampling interval when calculation of all unit tracks is completed; And a program for executing a fifth step of performing a simulation using the acceleration, the speed, the position coordinate, the time, the attitude angle, and the calculated angular change rate of the vehicle stored in the table for each unit track. To provide.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도1은 본 발명에 따른 궤도 차량의 실시간 시뮬레이션 방법의 전체 처리 흐름도이다.1 is a flowchart of the entire process of a real-time simulation method of a tracked vehicle according to the present invention.

먼저, 본 발명에서는 궤도 차량의 운동을 단위 트랙별로 계산하기 위해서 직선 구간, 터널 구간, 오르막 언덕, 내리막 언덕, 왼쪽 커브, 오른쪽 커브, 루프, 트위스트의 8가지의 형상이 다른 단위 트랙으로 구분하고, 커브, 오르막, 내리막 트랙에 있어서는 사이즈를 달리하여 몇 가지 트랙을 추가하여 총 14개의 단위 트랙으로 구분한 후, 각 단위 트랙에는 고유 코드를 부여한다(101). 사용자가 상기 구분된 단위 트랙의 형상을 보면서 단위 트랙들을 조합하여 원하는 전체 트랙의 형태를 결정하면, 상기 결정된 전체 트랙 형태가 저장되고(102), 사용자로부터 초기 상태를 입력받는다(103). 아울러 최초 단위 트랙에서의 기하학적 정보를 입력받는다(104). 이렇게 초기 상태와 기하학적 정보가 입력되면 선택된 각 단위 모듈들이 순차적으로 수행되어, 각 단위 트랙에서의 차량의 가속도, 속도, 위치 좌표, 자세각을 계산하여 저장한다(105).First, in the present invention, in order to calculate the motion of the tracked vehicle by unit tracks, eight types of straight sections, tunnel sections, uphill hills, downhill hills, left curves, right curves, loops, and twists are divided into different unit tracks. In the curve, uphill, and downhill tracks, some tracks of different sizes are added to be divided into 14 unit tracks, and each unit track is assigned a unique code (101). When the user determines the shape of the desired entire track by combining the unit tracks while looking at the shape of the divided unit tracks, the determined total track shape is stored 102 and an initial state is input from the user (103). In addition, the geometric information of the first unit track is received (104). When the initial state and the geometric information are input, the selected unit modules are sequentially performed to calculate and store the acceleration, the speed, the position coordinates, and the attitude angle of the vehicle in each unit track (105).

단위 트랙마다의 트랙의 형상 데이터는 운동 모델의 입력 값으로 정해진다. 각 단위 트랙을 그래픽으로 표현하기 위해서 샘플링된 각 점마다의 위치 좌표 x, y, z와 각 축에서의 회전각도 φ, θ, ψ를 계산하여, 각 단위 트랙마다 데이터 테이블로 형성하여 저장한다. 이 때에 그래픽 좌표계와 운동 모델의 좌표계가 서로 다르므로 좌표를 변환해서 같은 좌표계 상에서 계산해 주어야 한다.The shape data of the track for each unit track is determined by the input value of the exercise model. In order to graphically express each unit track, the position coordinates x, y, z for each sampled point and the rotation angles φ, θ, and ψ on each axis are calculated, and are formed and stored in a data table for each unit track. At this time, since the coordinate system of the graphic coordinate system and the motion model are different, the coordinates should be converted and calculated on the same coordinate system.

각 단위 트랙에서의 계산 과정을 좀더 구체적으로 살펴보면, 다음과 같다.Looking at the calculation process in each unit track in more detail as follows.

궤도차량의 운동에서 차체에 작용하는 힘은 중력과 마찰력뿐이고, 차량은 트랙의 형상에 구속된 운동을 하기 때문에, 트랙의 형상은 곧 차량의 운동을 결정한다. 차량의 병진운동(Translation)과 회전운동(Rotation)은 바로 트랙의 형상으로 결정되고, 차량의 운동은 이 두 가지의 혼합된 형태로 나타난다. 차량의 운동은 트랙에 구속된 1자유도 운동으로 볼 수 있기 때문에, 매 시간마다의 차량의 위치와 자세는 트랙의 형상에 의해서 결정된다. 기본적으로 중력이 작용하는 계(system)는 절대기준 좌표계(reference coordinate)이고, 이를 차량에 작용하는 힘으로 환산하려면 다음의 수학식1과 같은 오일러 회전 변환의 정의를 이용하여 동체 좌표계(body coordinate)로 변환하여야 한다.In the motion of the tracked vehicle, the only forces acting on the vehicle body are gravity and frictional forces, and since the vehicle is in motion constrained to the shape of the track, the shape of the track soon determines the motion of the vehicle. The translation and rotation of the vehicle are directly determined by the shape of the track, and the vehicle's movement appears as a mixture of the two. Since the motion of the vehicle can be seen as a single degree of freedom confined to the track, the position and attitude of the vehicle every hour is determined by the shape of the track. Basically, the system in which gravity acts is the absolute reference coordinate, and to convert it to the force acting on the vehicle, the body coordinate system is defined using the definition of Euler rotation transformation as shown in Equation 1 below. Must be converted to

상기 수학식 1에서 회전 행렬의 역변환을 이용하면 동체 좌표계에서 차량에 작용하는 힘을 계산할 수 있다. 관성계에서의 질량체에 작용하는 힘은 뉴턴의 제2법칙(F=ma)으로 정의되므로 여기서 힘과 질량을 안다면 가속도를 구할 수 있다. 이렇게 구한 가속도는 동체 좌표계에서 차량에 작용하는 가속도이다. 이 경우 차량이 트랙 위를 진행시에 트랙과 차량 사이의 마찰력을 생각할 수 있다. 마찰력은 동체 좌표계에서 차량의 진행방향의 반대로 작용하는 힘이므로 수학식 2와 같이 표현할 수 있다. 마찰계수 μ는 트랙의 재질(material)에 따라 달라질 수 있는 값이다.By using the inverse transformation of the rotation matrix in Equation 1, the force acting on the vehicle in the fuselage coordinate system can be calculated. The force acting on the mass in the inertial system is defined by Newton's second law (F = ma), so if you know the force and mass, you can find the acceleration. The acceleration thus obtained is the acceleration acting on the vehicle in the fuselage coordinate system. In this case, the friction force between the track and the vehicle can be considered as the vehicle progresses on the track. The frictional force is a force acting opposite to the traveling direction of the vehicle in the fuselage coordinate system and can be expressed as Equation 2. The coefficient of friction μ is a value that can vary depending on the material of the track.

다시 말해, 뉴턴의 제2 법칙에서의 힘의 항은 수학식1의 역변환으로 구할 수 있는데, 그 중에서 진행방향 성분은 수학식2와 같이 마찰력을 적용한다. 차량의 움직임은 트랙에 구속되므로 진행방향 이외에는 유효한 힘이 작용하지 않는다. 결국 뉴턴의 제2 법칙에서의 힘 성분은 수학식3과 같이 나타낼 수 있는데, 차량 전체를 질점으로 생각했으므로, 뉴턴의 제2 법칙에 수학식3을 대입하고 양변을 질량으로 나누어주면 가속도항만 남는다.In other words, the force term in Newton's second law can be obtained by the inverse transformation of Equation 1, wherein the propagation direction component applies the friction force as in Equation 2. Since the movement of the vehicle is constrained to the track, no effective force is applied except in the direction of travel. After all, the force component in Newton's second law can be expressed as Equation 3. Since the whole vehicle is regarded as a quality, substituting Equation 3 in Newton's second law and dividing both sides by mass leaves only the acceleration term.

이는 차량에 미치는 가속도 성분이 되는데, 차량의 동체 좌표에서의 값이므로, 이를 절대기준 좌표계로 환산하면 차량의 병진 가속도를 알 수 있다. 이를 적분하여 차량의 속도와 위치를 매 기준 시간마다 알 수 있다.This is an acceleration component that affects the vehicle, and since it is a value in the body coordinates of the vehicle, the translational acceleration of the vehicle can be known by converting it into an absolute reference coordinate system. By integrating this, the speed and position of the vehicle can be known at every reference time.

하나의 질점에 작용하는 가속도는 절대기준 좌표계에서는 접선방향 가속도가 된다. n번째와 n+1번째 점 사이의 거리를 s 라하고 각 점의 좌표와 미소구간에서의 초기속도를 알면 수학식4와 같이 만들 수 있다.Acceleration acting on one material point becomes tangential acceleration in the absolute reference coordinate system. The distance between the nth and n + 1th points is called s and the coordinates of each point and the initial velocity at the minute interval can be made as shown in Equation 4.

상기 수학식4의 해를 구하면 다음 수학식5와 같다. The solution of Equation 4 is obtained as Equation 5 below.

가속도는 뉴턴의 제2 법칙과 수학식3으로부터 알 수 있으므로, 수학식6과 같이 미소구간에서의 차량의 진행방향 속도를 알 수 있다.Since the acceleration can be known from Newton's second law and equation (3), it is possible to know the traveling direction speed of the vehicle in the minute section as shown in equation (6).

속도 역시 접선방향 속도이므로 이를 절대기준좌표에서의 속도 성분으로 변환한다면, 다음 수학식 7과 같다.Velocity is also a tangential velocity, so if it is converted into a velocity component in absolute reference coordinates,

상기 수학식7의 각 속도 성분들을 수학식5에서 구한 소요시간과 곱해주면 x, y, z축 방향으로의 위치를 알 수 있다.By multiplying each velocity component of Equation 7 by the time required in Equation 5, the positions in the x, y, and z-axis directions can be known.

커브 단위 트랙에서는 차량이 운동할 때는 z축 방향으로의 회전운동인 요잉(Yawing)과 y축 방향으로의 회전운동인 롤링(Rolling)이 함께 일어나고, 원심력, 중력과 트랙의 차량에 대한 수직 항력이 힘 평형을 이루어야 하므로, 다음 수학식8과 같은 관계가 성립된다.In a curve track, when the vehicle moves, yaw, which is a rotational movement in the z-axis direction, and rolling, which is a rotational movement in the y-axis direction, occur together, and the centrifugal force, gravity and the vertical drag on the track's vehicle Since the force balance should be achieved, the following relation is established.

수학식 8에서 v는 커브 구간의 진입 속도, ρ는 커브 구간의 곡률 반경, g는 중력가속도이다. 상기 수학식8을 이용하여 커브구간의 선회각(Bank angle)을 구할 수 있다.In Equation 8, v is the entry speed of the curve section, ρ is the radius of curvature of the curve section, g is the gravitational acceleration. By using Equation 8, a bank angle of a curve section may be obtained.

본 발명에서는 단위 트랙의 계산 유형을 크게 커브, 오르막, 내리막, 트위스트의 4가지로 나누었고, 그에 따른 계산 모듈을 따로 구성하였다. 여기서, 트위스트는 특별하게 3축의 회전이 모두 사용되는 매우 복잡한 운동이므로, 트위스트 트랙에 대한 모델링은 여타의 다른 단위 트랙의 모델링과 다르게 구성한다. 그리고, 커브, 오르막, 내리막 단위 트랙의 경우에 트랙의 크기에 따라서 유형을 또 나누었는데, 이러한 경우는 그래픽스 데이터를 해당하는 트랙의 크기가 다른 데이터로 바꾸어서 운동 연산을 시도한다면, 서로 크기가 다른 트랙의 운동을 구현할 수 있다.In the present invention, the calculation type of the unit track is largely divided into four types: a curve, an uphill, a downhill, and a twist. Here, the twist is a very complex motion, especially where all three axes of rotation are used, so the modeling of the twisted track is configured differently than the modeling of any other unit track. In the case of track, uphill, and downhill tracks, the types are divided according to the track size. In this case, if the graphics data is changed to a different track size and a motion operation is attempted, the tracks having different sizes are used. Can implement the movement.

이와 같이 각 단위 트랙별 값들이 계산되어 저장되면, 이제 각 단위 트랙들을 통합 연결하여야 한다. 단위 트랙별로 모델링된 모듈들을 이용하여 전체 모델링으로 통합할 때 중요한 것은 단위 트랙 사이의 데이터들의 상호연결이다. 앞의 단위 트랙의 마지막 위치는 뒤의 단위 트랙의 초기 위치가 되므로, 이러한 값들은 서로 간에 연결이 이루어져야 한다. 2개의 단위 트랙을 서로 연결하기 위해서는 차량의 위치, 자세, 회전 방향, 진행 소요시간 등을 고려해 주어야 한다.When the values for each unit track are calculated and stored in this way, the unit tracks must now be integrated. What is important when integrating into full modeling using modules modeled by unit track is the interconnection of the data between the unit tracks. Since the last position of the preceding unit track is the initial position of the later unit track, these values must be connected to each other. In order to connect the two unit tracks with each other, the vehicle's position, attitude, direction of rotation and travel time must be considered.

차량의 자세는 트랙의 형상으로 결정이 된다고 했으나, 자세 값을 열차의 위치마다 결정하려면 결국은 위치 좌표를 이용하여 자세각(Attitude angle) φ, θ, ψ를 새롭게 연산해야 한다(105). 선로차량의 운동 모델을 1자유도 운동으로 모델링을 하였으나, 실제 차량의 운동은 트랙에 의해서 구현되는 6자유도의 거동이 모두 표현되는 운동이다.The attitude of the vehicle is determined by the shape of the track. However, in order to determine the attitude value for each train position, it is necessary to newly calculate the attitude angles φ, θ, and ψ using the position coordinates (105). Although the motion model of the track vehicle was modeled as a 1 degree of freedom motion, the actual vehicle motion is a motion in which all 6 degree of freedom behaviors realized by the track are expressed.

자세각을 연산하는 방법은 벡터의 내적(inner product) 연산을 이용한다. 두 벡터의 사이각은 벡터 내적 계산을 응용하여 구하고, 계산한 각의 변화를 시뮬레이션 동안 계속 누적하여 자세각을 표현한다. 예를 들어 0°~ 360°, 370°, 400°, 500°처럼 각을 계속 더해 주어 각과 각사이의 변화량이 연속적으로 변화하여 각속도(Angular rate)를 계산할 때 각의 변화량이 고르게 나올 수 있도록 한다.The method of calculating the attitude angle uses an inner product operation of a vector. The angle between two vectors is obtained by applying vector product calculations, and the change of the calculated angle is continuously accumulated during the simulation to express the attitude angle. For example, continuously add angles such as 0 ° to 360 °, 370 °, 400 °, and 500 ° so that the amount of change between angles changes continuously so that the amount of change in the angle is evenly calculated when calculating the angular rate. .

또한 커브 단위 트랙에서는 롤링(Rolling)과 요잉(Yawing)이 함께 일어나는 현상을 차량의 자세로 나타내기 위해서 선회각 φ의 계산 결과를 이용하여 방향각 ψ를 결정하는 방법을 선택하였다. 방향각 ψ가 45°일 때 선회각 φ가 최고의 값이 나올 수 있도록 하고, 또한 선회각이 선회 반경(ρ)에 반비례하고, 커브구간의 진입 속도(ν)에 비례하도록 한다. 또한 선회각이 일정 값 이상을 넘지 않도록 제한을 두어 커브운동을 안전하게 구현하도록 한다. 최종적으로 선회각의 정도를 조절할 수 있도록 비례 이득값(Proportional Gain)을 곱해 준다. 따라서 수학식8에서 구한 선회각을 사용하여 방향각 ψ와 함께 수학식9와 같은 선회 운동 알고리즘을 수행한다. 이상과 같은 과정을 통해 차량의 위치 좌표 x, y, z와, 차량의 자세각 φ, θ, ψ와, 좌표변환을 이용한 차량의 병진 가속도 ax, ay, az와, 차량의 자세각의 변화율인 각속도 p,q,r과, 진행시간 t의 총 13개의 변수 값들이 연산을 통하여 얻어진다.In addition, in order to represent the phenomenon in which rolling and yawing occur together in the track of the curve, the method of determining the direction angle ψ is selected using the calculation result of the turning angle φ. When the direction angle ψ is 45 °, the turning angle φ is obtained so that the best value is obtained, and the turning angle is inversely proportional to the turning radius ρ and is proportional to the entry speed ν of the curve section. In addition, the angle of rotation is limited so as not to exceed a certain value to implement the curve motion safely. Finally multiply the Proportional Gain to adjust the degree of turning angle. Therefore, using the turning angle obtained from Equation 8, the turning motion algorithm is performed as shown in Equation 9 together with the direction angle ψ. Through the above process, the position coordinates x, y, z of the vehicle, the attitude angles φ, θ, ψ of the vehicle, and the translational acceleration a x , a y , a z and the attitude angles of the vehicle using the coordinate transformation A total of 13 variable values of the angular velocity p, q, r, which is the rate of change of, and the running time t are obtained through the calculation.

이와 같이 단위 트랙의 계산 모듈은 사용자가 입력한 전체 트랙의 형태에 따라 순차적으로 수행된다. 이때, 이전 단위 트랙 모듈의 계산된 결과는 다음 단위 트랙 모듈의 최초 입력값이 된다. 각 단위 트랙별 유효성 검증(106)은 단위 트랙 모듈의 연산이 완료되면 즉시 수행되며, 유효성 검증이 통과되면, 다음 단위 트랙의 연산을 시작한다(108). 상기 유효성 검사에서 오류가 발견되면, 오류가 발생되었음을 사용자에게 통보하고(107), 사용자로부터 새로운 트랙 형태 정보를 입력받는다(102). 각 단위 트랙의 유효성 검증결과 오류가 발견되지 않으면, 다음 단위 모듈에 대한 계산을 수행한다(108).In this way, the calculation module of the unit track is sequentially performed according to the type of the entire track input by the user. At this time, the calculated result of the previous unit track module becomes the first input value of the next unit track module. Validation 106 of each unit track is performed immediately after the calculation of the unit track module is completed, and if the validation passes, the operation of the next unit track is started (108). If an error is found in the validation check, the user is notified that an error has occurred (107), and new track shape information is input from the user (102). If no error is found as a result of validation of each unit track, a calculation for the next unit module is performed (108).

상기 유효성 검증에 대해 살펴보면, 차량의 수학적 모델에서 알 수 있듯이 차량의 운동을 거스르는 마찰력과 차량에 수직 방향으로 작용하는 수직력은 모두 트랙이 차량에게 주는 반작용의 힘이 된다. 이러한 벡터 힘들을 합하여 거꾸로 트랙의 구조물에 차량이 작용하는 하중(Fstruc)을 계산할 수도 있다. 또한, 단위 트랙의 미소 구간에서 차량의 속도, 높이(차량의 처음 위치와 현재 위치의 차)를 알고 있으므로, 운동 에너지와 위치 에너지를 계산할 수 있다. 그리고, 손실되는 에너지를 따로 계산하여 모든 에너지(운동 에너지와 위치 에너지, 손실 에너지)를 합하면, 처음에 차량이 가지고 있었던 에너지와 동일해야 한다. 이러한 원리를 이용하면 처음에 차량이 가지고 있었던 에너지-차량 운동의 근원이되는 에너지는 현재 차량의 상태에서 계산된 모든 에너지의 합과 다음 수학식 10과 같은 관계를 갖는다.Looking at the validation, as can be seen from the mathematical model of the vehicle, both the friction force to counter the movement of the vehicle and the vertical force acting in the vertical direction to the vehicle are the reaction force that the track gives to the vehicle. These vector forces can be summed up to calculate the load (F struc ) the vehicle acts on the track structure upside down. In addition, since the speed and height of the vehicle (the difference between the initial position and the current position of the vehicle) are known in the minute section of the unit track, the kinetic energy and the position energy can be calculated. And, if the energy lost is calculated separately and all the energy (kinetic energy, potential energy, and lost energy) is added, it must be equal to the energy that the vehicle originally had. Using this principle, the energy that is the source of energy-vehicle movement originally possessed by the vehicle has a relationship with the sum of all the energies calculated in the current state of the vehicle and the following equation (10).

이러한 원리를 이용하여 단위 트랙의 유효성 검증을 수행한다. 검증 결과 오류가 있으면 이를 사용자에게 통보하는데, 통보 방법으로는 화면 표시, 음향 표시 등 다양한 방법이 있을 수 있다.This principle is used to validate unit tracks. If the verification result is an error, the user is notified. There may be various methods such as a screen display and a sound display.

이상과 같은 계산 방법은 미소구간의 길이를 알고 그 구간을 지나갈 때의 소요시간을 구했으나, 시간 간격이 모두 일정치 않으므로, 선형 보간(Interpolation)을 통하여 일정한 샘플링 간격으로 보간 해주어야 한다(109). 운동 모듈에서 계산된 데이터를 일정한 시간 간격을 기준으로 다른 시스템에 전달해주어야 하기 때문에 보간 과정은 반드시 필요하다. 보간 과정에서는 각 미소 구간마다 차량의 운동 정보를 시간 축을 기준으로 삼아 일정 시간에서의 운동 정보를 계산한다. 이러한 데이터는 운동 모델을 중심으로 시뮬레이터를 이루고 있는 다른 하부 시스템들에게로 전달되어 지며, 이러한 데이터들이 운동(Dynamics) 시스템, 비주얼(Visual) 시스템, 모션(Motion) 시스템에 동시성(Synchronization)을 맞추어 전달되어지면 시뮬레이션이 수행된다(110, 111).In the above calculation method, the length of the minute section is known and the time required to pass the section is obtained. However, since the time intervals are not all constant, the interpolation should be performed at a constant sampling interval through linear interpolation (109). The interpolation process is necessary because the data calculated in the exercise module must be transferred to another system at regular time intervals. In the interpolation process, the motion information of a certain section is calculated based on the time axis based on the motion information of the vehicle. This data is then passed to other subsystems that make up the simulator around the movement model, which is then synchronized to the dynamics system, the visual system, and the motion system. If so, the simulation is performed (110, 111).

본 발명에 따른 시뮬레이션 결과가 과연 얼마나 정확한지, 얼마나 믿을 만한지를 알기 위해, 정량적(quantitative)인면과 정성적(qualitative)인 면에서 결과 데이터를 비교 검증하였다. 정량적인 면에서는 트랙과 차량사이의 마찰력을 고려하지 않았을 경우에 생각해 보았다. 처음의 큰 언덕(BIG SLOPE)에서 지면까지의 낙하 운동에서 에너지 보존 법칙을 생각해 보면, 큰 언덕의 높이가 210m이므로 지면까지 차량이 내려왔을 때 속도는 64.189[m/s]가 되야 한다. 시뮬레이션 결과를 데이터 테이블로 추출하면 지면에서의 속도는 64.289[m/s]가 되어 정량적으로 0.156(%)의 오차를 가진다는 것을 확인하였다. 정성적으로는 트랙에 대한 그래픽스 데이터가 존재함으로 시뮬레이션 데이터와 비교하여 도2와 같이 그 경향성이 같음을 알 수 있었다.In order to know how accurate and how reliable the simulation result according to the present invention was, the result data was compared and verified in terms of quantitative and qualitative. In the quantitative sense, the friction between track and vehicle was not considered. Considering the law of conservation of energy in the first BIG SLOPE drop to ground, the height of the big hill is 210m, so the speed should be 64.189 [m / s] when the vehicle descends to the ground. Extracting the simulation results into the data table, it was confirmed that the velocity at the ground became 64.289 [m / s], which had a quantitative error of 0.156 (%). Qualitatively, since there is graphics data for the track, it can be seen that the trend is the same as in FIG.

이처럼 본 발명이 어느 정도의 엄밀한 시뮬레이션을 할 수 있다는 것을 알 수 있었다. 다음은 마찰력을 고려했을 때 차량의 운동의 궤적을 도3에 나타내었고, 그 운동에서의 가속도, 자세각, 각속도를 각각 도4와 도5 및 도6에 나타내었다.As described above, it was found that the present invention can be simulated to some degree. Next, the trajectory of the vehicle's motion is considered in FIG. 3 considering the frictional force, and the acceleration, attitude angle, and angular velocity in the motion are shown in FIGS. 4, 5, and 6, respectively.

따라서, 상기와 같은 본 발명은 여러 개의 차량을 1개의 강체로 표현하고, 차량의 동특성을 표현하기 위한 강체의 6자유도 운동을 1자유도를 갖는 질점의 운동으로 표현함으로써, 6개의 미분방정식을 하나의 미분방정식과 5개의 대수방정식으로 표현하여 강체의 3차원 운동을 대등한 충실도로 표현할 수 있다. 이러한 결과로 본 발명은 일반 PC에서도 실시간 시간제약 조건이 만족되는 시뮬레이션이 가능하게 되며, 궤도차량이나 훈련용, 오락용 시뮬레이터에서 요구되는 정도의 정확성을 제시할 수 있다.Therefore, the present invention as described above, by expressing a number of vehicles in one rigid body, by expressing the six degrees of freedom motion of the rigid body to express the dynamic characteristics of the vehicle by the motion of the material point having one degree of freedom, one of the six differential equations By expressing the differential equation and the five algebraic equations, the three-dimensional motion of a rigid body can be expressed with equal fidelity. As a result, the present invention enables a simulation in which a real-time time constraint condition is satisfied even in a general PC, and can present the accuracy required to a track vehicle, a training or a recreation simulator.

도1은 본 발명에 따른 시뮬레이션 방법의 전체 처리 흐름도.1 is an overall processing flow diagram of a simulation method according to the present invention.

도2는 본 발명을 이용한 시뮬레이션의 검증 결과를 나타낸 그래프.Figure 2 is a graph showing the verification results of the simulation using the present invention.

도3은 본 발명에 따른 차량의 운동 궤적을 나타낸 그래프.Figure 3 is a graph showing the motion trajectory of the vehicle according to the present invention.

도4는 본 발명에 따른 차량 운동의 동체 좌표계에서의 병진 가속도를 나타낸 그래프.Figure 4 is a graph showing the translational acceleration in the fuselage coordinate system of the vehicle motion according to the present invention.

도5는 본 발명에 따른 차량 운동의 누적된 자세각을 나타낸 그래프.5 is a graph showing the accumulated attitude angle of the vehicle motion according to the present invention.

도6은 본 발명에 따른 차량 운동의 동체 좌표계에서의 각속도를 나타낸 그래프.Figure 6 is a graph showing the angular velocity in the fuselage coordinate system of the vehicle motion according to the present invention.

Claims (6)

컴퓨터 시스템을 이용한 궤도 차량의 실시간 시뮬레이션 방법에 있어서,In a real-time simulation method of a tracked vehicle using a computer system, 트랙의 유형에 따라 여러 단위 트랙으로 구분한 상태에서, 상기 단위 트랙의 조합에 의해 전체 트랙의 형태가 입력되고, 최초 단위 트랙에 대한 제1 초기값을 입력받는 제1 단계;A first step of inputting a shape of all tracks by a combination of the unit tracks and receiving a first initial value for the first unit track in a state in which the unit tracks are divided into several unit tracks according to the type of tracks; 상기 제1 초기값과 단위 트랙에 대한 기하학적 정보를 이용해 최초 단위 트랙 구간에서의 차량의 가속도, 속도, 위치 좌표, 시간, 자세각을 계산하고, 상기 제1 초기값과 상기 계산 결과값을 테이블에 저장하는 제2 단계;The acceleration, the speed, the position coordinates, the time and the attitude angle of the vehicle in the first unit track section are calculated using the geometric information about the first initial value and the unit track, and the first initial value and the calculated result are included in a table. A second step of storing; 사용자가 입력한 모든 단위 트랙에 대한 계산이 완료될 때까지, 이전 단위 트랙 구간에서 계산된 결과값을 다음 단위 트랙의 제2 초기값으로 입력하고, 상기 입력된 제2 초기값과 각 단위 트랙별 기하학 정보를 이용하여 차량의 가속도, 속도, 위치 좌표, 시간, 자세각을 계산하여, 테이블에 저장하는 제3 단계;Until the calculation for all the unit tracks input by the user is completed, the result value calculated in the previous unit track section is input as the second initial value of the next unit track, and the input second initial value and each unit track A third step of calculating an acceleration, a speed, a position coordinate, a time, and an attitude of the vehicle by using the geometric information and storing the same in a table; 모든 단위 트랙에 대한 계산이 완료되면 각 단위 트랙 모듈들의 시간 간격을 일정 샘플링 간격으로 선형 보간한 자세각을 이용하여, 각변화율을 계산하는 제4 단계; 및A fourth step of calculating an angular change rate by using a posture angle obtained by linearly interpolating a time interval of each unit track module at a predetermined sampling interval when calculation of all unit tracks is completed; And 상기 각 단위 트랙별로 테이블에 저장된 차량의 가속도, 속도, 위치좌표, 시간, 자세각과 상기 계산된 각변화율을 이용해 시뮬레이션을 수행하는 제5 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 궤도 차량의 실시간 시뮬레이션 방법.And a fifth step of performing simulation using the acceleration, the speed, the position coordinate, the time, the attitude angle, and the calculated angular change rate of the vehicle stored in the table for each unit track. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 하나의 단위 트랙에 대한 계산이 완료된 후, 상기 계산이 완료된 단위 트랙에 대한 유효성 검사를 수행하여, 오류가 발견되면 사용자에게 오류 발생 사실을 통보하는 단계를 더 포함하고, 상기 단위 트랙의 유효성 검사는, 임의의 단위 트랙 구간에서 운동 에너지와 위치 에너지 및 손실 에너지를 계산하여, 임의의 단위 트랙의 처음에 차량이 가지고 있었던 에너지와 상기 운동 에너지와 위치 에너지 및 손실 에너지를 비교함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 궤도 차량의 실시간 시뮬레이션 방법.After the calculation of one unit track is completed, the step of performing the validation of the calculation of the completed unit track, further comprising the step of notifying the user that the error occurred if an error is found, wherein the validation of the unit track And calculating the kinetic energy, the potential energy and the lost energy in any unit track section, and comparing the kinetic energy with the potential energy and the lost energy at the beginning of any unit track. Real time simulation method of tracked vehicle. 삭제delete 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 상기 자세각은 벡터의 내적 연산을 이용해 계산하고, 상기 계산한 각의 변화를 시뮬레이션 동안 계속 누적하여 상기 자세각이 표현되도록 한 것을 특징으로 하는 궤도 차량의 실시간 시뮬레이션 방법.The attitude angle is calculated using a dot product calculation of a vector, and the change of the calculated angle is continuously accumulated during a simulation so that the attitude angle is represented. 삭제delete 실시간으로 궤도 차량을 시뮬레이션 하기 위해 컴퓨터에서,On a computer to simulate a tracked vehicle in real time, 트랙의 유형에 따라 여러 단위 트랙으로 구분한 상태에서, 상기 단위 트랙의 조합에 의해 전체 트랙의 형태가 입력되고, 최초 단위 트랙에 대한 제1 초기값을 입력받는 제1 단계;A first step of inputting a shape of all tracks by a combination of the unit tracks and receiving a first initial value for the first unit track in a state in which the unit tracks are divided into several unit tracks according to the type of tracks; 상기 제1 초기값과 단위 트랙에 대한 기하학적 정보를 이용해 최초 단위 트랙 구간에서의 차량의 가속도, 속도, 위치 좌표, 시간, 자세각을 계산하고, 상기 제1 초기값과 상기 계산 결과값을 테이블에 저장하는 제2 단계;The acceleration, the speed, the position coordinates, the time and the attitude angle of the vehicle in the first unit track section are calculated using the geometric information about the first initial value and the unit track, and the first initial value and the calculated result are included in a table. A second step of storing; 사용자가 입력한 모든 단위 트랙에 대한 계산이 완료될 때까지, 이전 단위 트랙 구간에서 계산된 결과값을 다음 단위 트랙의 제2 초기값으로 입력하고, 상기 입력된 제2 초기값과 각 단위 트랙별 기하학 정보를 이용하여 차량의 가속도, 속도, 위치 좌표, 시간, 자세각을 계산하여, 테이블에 저장하는 제3 단계;Until the calculation for all the unit tracks input by the user is completed, the result value calculated in the previous unit track section is input as the second initial value of the next unit track, and the input second initial value and each unit track A third step of calculating an acceleration, a speed, a position coordinate, a time, and an attitude of the vehicle by using the geometric information and storing the same in a table; 모든 단위 트랙에 대한 계산이 완료되면 각 단위 트랙 모듈들의 시간 간격을 일정 샘플링 간격으로 선형 보간한 자세각을 이용하여, 각변화율을 계산하는 제4 단계; 및A fourth step of calculating an angular change rate by using a posture angle obtained by linearly interpolating a time interval of each unit track module at a predetermined sampling interval when calculation of all unit tracks is completed; And 상기 각 단위 트랙별로 테이블에 저장된 차량의 가속도, 속도, 위치좌표, 시간, 자세각과 상기 계산된 각변화율을 이용해 시뮬레이션을 수행하는 제5 단계를 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.And a program for executing a fifth step of performing a simulation using the acceleration, the speed, the position coordinate, the time, the attitude angle, and the calculated angular change rate of the vehicle stored in the table for each unit track.
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