柴油机配气机构运动两种视觉仿真方法的比较

刘 炜，陈 宁

(江苏科技大学能源与动力工程学院，江苏镇江212003)

虚拟现实技术是一门新兴技术，集传感器技术、图形图像处理技术、多媒体技术、互联网技术、计算机技术［1］等于一体，逐渐成为国际重要课题，在计算机相关领域中得到广泛应用，在娱乐、教育、培训等领域也得到广泛应用.文献［2］中基于I－DEAS，OpenGL，VC++，建立约束关系，开发大型机械装置虚拟教学训练系统，以动态实时展现复杂视景.文献［3］中通过11个BB模块实现三维实体碰撞检测.利用虚拟现实技术对柴油机配气机构进行运动学视觉仿真，一直是柴油机工作状态模拟的难点，特别是配气机构运动体之间运动关系的仿真.文中提出了两种仿真方法，并对仿真结果进行了比较.

1 数学模型法

首先求解柴油机配气机构运动的数学模型.图1为单缸配气机构的示意图.图中lT为摇臂转动中心到推杆上支承面中O1的距离;α为摇臂lΤ对挺柱中心线的偏转角;l为推杆上下支承面中心间的距离;γ为推杆对挺柱中心线的偏转角;lV为气阀侧的摇臂臂长(摇臂中心O到圆柱面中心O2的距离);β为lV臂对气阀中心线的偏转角;hv气阀的升程;hT为挺柱的升程;φ为凸轮的转角;ω为凸轮轴的转角.挺柱的位移hT与凸轮的转角φ相关［4］.

图1 配气机构示意Fig.1 Gas distribution mechanism

图2为进气阀位移hv与凸轮转角φ的关系.可以通过凸轮转角φ来确定挺柱的运动规律.由图1可以得到下列方程:

再对时间t求导，可得到气阀运动的关系式:

式中:hV为速度(mm/s);h¨V为加速度(mm/s2).

结合式(1，2)和(5)，可得挺柱的位移hT与凸轮的角速度ω的关系式:

对公式(5)求积分有

凸轮轴转速ω为8.75 rad/s，故凸轮的转速ω也为8.75 rad/s.

利用Simulink求解方程，得到配气机构挺柱的速度、加速度曲线，将结果输入SQLserver数据库建立数据表.以ADO和UDP协议通信，数据从数据库服务器传输到Simulink.数据发送流程如图3.

通过 VS2005建立 OSG(OpenSceneGraph)仿真平台与数据库表的关联，从而使OSG中各个机构在数据库表的支持下运动(图4).此方法在实现视觉仿真时结果精确，机构动作平滑，但占用系统资源较大，运行费时.

图2 凸轮转角与进气阀位移关系Fig.2 Relationship of cam angle and suction valve displacement

图3 数据发送流程Fig.3 Flow diagram of data send

图4 视景生成流程Fig.4 Visual generation process

2 场景模型碰撞检测方法

OSG场景管理软件提供了osgUtil库函数，该库函数用来获得正确的静态物体和动态物体高度值.场景中的射线是交集测试的基础，线段类提供了一种定义射线的方法.当交集测试被触发时，它将检测射线的相交情况并执行相应的操作［6］.这里采用了一种改进的AABB碰撞检测算法.柴油机配气机构中凸轮的AABB树由2×N－1个节点组成，其中包括N个叶节点和N－1个内部节点，N是凸轮中基本图元三角形的数目.叶节点包含一个或多个可绘制体(Drawable类)信息.在凸轮和挺柱碰撞检测时，遇到测试两个叶节点的情况，则先进行包围盒之间的相交测试.如果包围盒相交测试成立，再进行凸轮和挺柱之间基本图元如三角形、线段的相交检测，找到碰撞的准确位置.文中提出一种方法，据此可以跳过AABB的叶节点之间的相交测试，直接进行几何体基本图元间的相交测试，找出射线和三角形的交点.方法如下:

凸轮几何体三角形的参数方程:

式中:V0，V1和V2为三角形的3个点;x，y为V1和V2的权重，1-x-y为V0的权重，并且满足x＞=0，y＞=0，x+y＜=1.

射线的参数方程为O+Dt.式中:O为起点，D为射线的方向.

求射线与凸轮几何体基本图元三角形的交点，即求解方程:

将t，x，y提取出来作为未知数，得到线性方程组

根据克莱姆法则，

可知射线与凸轮几何体基本图元三角形的交点.

依据碰撞检测算法，实时获取凸轮与挺柱的动态交点，再通过交点，根据曲柄滑块机构运动规律，求出配气机构各部件的运动方程.碰撞检测算法可以利用OSG自身碰撞检测类实现.用osgUtil::Line-SegmentIntersector定义相交矢量，用osgUtil::IntersectionVisitor定义碰撞检测器，定义碰撞检测的对象物——凸轮.在整个运行周期，碰撞实时发生.凸轮与相交矢量的碰撞检测结果即交点实时保存，传递给OSG仿真程序.这一方法需要配气机构三维模型非常精确，可直接从CAM工具ProE文件格式转化而来.对于单独一个气缸配气机构来说，碰撞检测发生在凸轮和挺柱两个动态运动刚体之间，采用嵌套回调的方法解决这个问题.凸轮轴在参与正时转动时，加入碰撞检测机制.

图5 方法2流程Fig.5 Flowsheet of method 2

基于碰撞原理，挺柱和推杆的位移程序如下:

osgUtil::LineSegmentIntersector(p－start，pend);∥得到线段

osgUtil::IntersectionVisitor－iv(－lineSegmentIntersector.get());

terrain－ ＞accept(－iv);∥碰撞点

osg::ref－ptr＜osg::MatrixTransform＞ mt－terrain=new osg::MatrixTransform;

mt－terrain－ ＞setMatrix(osg::Matrix::translate(osg::Vec3(0，0，0)));

mt－terrain－ ＞addChild(terrain);

－intersections=－lineSegmentIntersector－ ＞get-Intersections();

int－intersectionNumber=－intersections.size();

if(－intersectionNumber!=0)

osgUtil::LineSegmentIntersector::Intersections::iterator hitr=－intersections.begin();

osg::Vec3

vec3－p1=hitr－ ＞getWorldIntersectPoint()*mt－terrain－ ＞getMatrix();

OSG运行结果如图6.

该方法利用碰撞检测机制实现挺柱沿凸轮型线复杂运动轨迹，避免用Simulink建立数学模块求解微分方程.上述方法是一种较为方便且占用资源较少的解决方案.

图6 柴油机配气机构运动Fig.6 Diesel engine gas distribution mechanism motion visual simulation

经过观察，可见挺柱、推杆、摇臂和气阀等构件有抖动现象.这一问题来源于碰撞检测环节.应用OSG碰撞方法求交点时，尽管对导入的模型曲面进行了Delaunay三角剖分，但得到剖分后，部分三角形较大.凸轮曲面由很多三角形平面拟合而成，在相交矢量与凸轮表面求交时，交点值有跳动，造成了部分构件仿真结果抖动.

利用 osg::PrimitiveSet::POINTS，osg::PrimitiveSet::TRIANGLES对凸轮模型曲面的三角形细化，可以减小抖动.

3 结论

根据柴油机配气机构视觉仿真的要求，用两种不同方法对配气机构进行仿真:一是利用Simulink对配气机构各个部件的运动微分方程进行解算，通过数据库实时传递运算数据，在视觉仿真环境中得到运动效果;二是通过碰撞检测机制，找到凸轮与挺柱碰撞交点，通过交点计算各部件运动位置，解决了运动刚体之间的碰撞检测问题.这两种方法经过比较，后者因为灵活方便，推荐使用.

References)

［1］ 周红军，王选科.虚拟现实系统概述［J］.航空计算技术，2005，35(1):114 －116.Zhou Hongjun，Wang Xuanke.Systematic summary of virtual reality［J］.Aeronautical Computer Technique，2005，35(1):114 －116.(in Chinese)

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［3］ 王宪成，李勃，李莉.基于Virtools4－0的某型船艇柴油机虚拟维修关键技术研究［J］.装甲兵工程学院学报，2010，24(2):27 －31.Wang Xiancheng，Li Bo，Li Li.Research on key technology of virtual maintenance certain boat diesel engine based on virtual 4.0［J］.Journal of Academy of Armored Force Engineering，2010，24(2):27 －31.(in Chinese)

［4］ 姚寿广，包国治，许江涛.基于虚拟样机的柴油机配气机构运动学动力学仿真分析［J］.船舶工程，2009，31(6):27－31.Yao Shouguang，Bao Guozhi，Xu Jiangtao.Kinematics and dynamics simulation analysis of valve actuating mechanism for diesel engine based on virtual prototype technology［J］.Ship Engineering，2009，31(6):27 －31.(in Chinese)

［5］ 杨晓，廉静静，张新宇.基于OSG的虚拟场景中包围盒碰撞检测的研究［J］.计算机技术与发展，2011(9):32－34.Yang Xiao，Lian Jingjing，Zhang Xinyu.Research on bounding box collision detection in virtual reality based on OSG［J］.Computer Technology Development，2011(9):32－34.(in Chinese)