本发明专利技术公开了消防喷射水轨迹实时还原仿真算法及其在虚拟环境的应用，通过添加修正系数的数学计算方式对射流轨迹进行预测所需硬件设备较少，且计算速度较快，经过修正的基于空气阻力理论的消防水炮射流轨迹模型能够准确而有效地在Unity虚拟场景中预测消防水炮射流轨迹，以期提高消防水炮射流轨迹预测的准确性，并通过实际射流轨迹对所建立模型进行验证，本发明专利技术涉及消防技术领域。该消防喷射水轨迹实时还原仿真算法及其在虚拟环境的应用，通过采用对象池技术，在不使用的时候将水滴预制体实例化对象保存下来而不是直接销毁,在下次使用时直接给予缓存的对象而不需要进行实例化，这样充分利用了资源,也加速了进程，提高了系统性能。系统性能。系统性能。
【技术实现步骤摘要】
消防喷射水轨迹实时还原仿真算法及其在虚拟环境的应用
[0001]本专利技术涉及消防
，具体为消防喷射水轨迹实时还原仿真算法及其在虚拟环境的应用。
技术介绍
[0002]伴随着社会的进步和经济的发展，大型商场、体育馆、飞机场和高层住宅已成为城市建筑的重要组成部分，与此同时，这些大空间和高层建筑对消防安全提出了严峻的挑战，为提高灭火的快速性和准确性，不仅要在第一时间瞄准火灾点进行射流，而且对不同流量、不同俯仰角情况下的射流轨迹进行准确定位至关重要。
[0003]目前，对于射流轨迹的定位研究主要有两种方式：一是运用计算机图像技术对射流轨迹进行定位，其优势在于可以形成闭环控制，实现渐进式的控制和调节，控制精度较高；二是根据质点运动规律通过数学计算预测射流轨迹，其优势在于只需根据水炮俯仰角和流量等参数便可简便快捷地预测射流轨迹。
[0004]上述两种射流轨迹预测方式具备各自优势，但均有待于进行深入研究，从而对射流轨迹进行更加准确的预测与定位，考虑空气阻力数学模型的多种变化因素，通过添加修正系数的数学计算方式对射流轨迹进行预测所需硬件设备较少，且计算速度较快，经过修正的基于空气阻力理论的消防水炮射流轨迹模型能够准确而有效地在Unity虚拟场景中预测消防水炮射流轨迹，以期提高消防水炮射流轨迹预测的准确性，并通过实际射流轨迹对所建立模型进行验证。
技术实现思路
[0005](一)解决的技术问题
[0006]针对现有技术的不足，本专利技术提供了消防喷射水轨迹实时还原仿真算法及其在虚拟环境的应用，通过添加修正系数的数学计算方式对射流轨迹进行预测所需硬件设备较少，且计算速度较快，经过修正的基于空气阻力理论的消防水炮射流轨迹模型能够准确而有效地在Unity虚拟场景中预测消防水炮射流轨迹，以期提高消防水炮射流轨迹预测的准确性，并通过实际射流轨迹对所建立模型进行验证。
[0007](二)技术方案
[0008]为实现以上目的，本专利技术通过以下技术方案予以实现：消防喷射水轨迹实时还原仿真算法，具体包括以下步骤：
[0009]T1、以单位质量射流微元体为研究对象，建立直角坐标系并受力分析，令v为射流微元体的速度,θ为射流速度方向与x轴正方向夹角，Ft为空气阻力，方向与射流方向相反，mg为微元体重力，方向垂直向下，x和y为微元体的射程和射高；
[0010]设i为射流速度方向的单位矢量，则：
[0011][0012]两边同时对时间微分，可得：
[0013][0014]设j为垂直于射流速度方向的单位矢量，根据矢量微分原理，有：
[0015][0016]联立得：
[0017][0018]消防水炮的水射流是连续的，因此能够认为喷嘴每秒射出水流质量m为一常数，不随时间t的变化而发生变化，根据牛顿第二定律可得：
[0019][0020]向矢量i和j方向投影，得：
[0021][0022]由此可知
[0023][0024]T2、步骤T1模型上式中加入修正系数k1、k2，修改后的公式如下：
[0025]上升段：
[0026][0027]下降段：
[0028][0029]T3、射流微元体在空气中受到的空气阻力Ft计算公式如下：
[0030][0031]其中ρ
空
为空气密度，v为微元体速度，S
M
为微元体横截面积，C
X
为空气阻力系数；
[0032]T4、空气阻力系数C
X
计算公式如下：
[0033][0034]其中，Re为雷诺数，ρ
水
为水密度，v0为微元体初始速度，d0为消防水炮直径；
[0035]T5、将射流轨迹模型分为前后两部分，以轨迹最高点为分界点，截面积S
M
计算公式如下：
[0036]上升段：
[0037]S
M
＝0(1+ln(1+))
[0038]下降段：
[0039]S
M
＝0(1+ln(1+y0‑
))
[0040]其中A0是初始横截面积，a、b分别为上升段和下降段面积修正系数，y0为射流最高点的射高；
[0041]T6、直接求解微分方程，太过复杂，因此采用四阶龙格
‑
库塔算法求解，步幅为0.02，公式如下，其中h为步幅。
[0042][0043]T7、对不同的角度，分别有不同的修正系数，修正系数的拟合函数如下：
[0044]X＝(eθ
f
+)l
[0045]其中X为射流估计模型中的修正系数，θ为微元体初始速度方向与x轴正方向夹角，e、f、g为拟合函数系数。
[0046]优选的，所述步骤T1模型中的射流微元体在整个运动过程中形状不发生改变，但这种假设在实际中由于射流破碎及风力的影响下是不可能成立，同时，通过观察水射流的实际运动轨迹，看出射流在上升段速度方向的变化率与下降段的速度方向变化率明显不同。
[0047]优选的，所述步骤T2中加入修正系数k1、k2，是用于模拟上升及下降段由于射流破碎及风力的影响造成空气阻力与射流微元体速度方向不共线的现象，以提高射流轨迹模拟的准确性。
[0048]优选的，所述步骤T5中根据实验及查阅资料得出，水射流刚从炮头射出时为实心圆柱体，而后由于射流破碎，导致外部与空气接触部分的水射流变成液滴，此时内部依然是实心的，直到整个射流液柱全部破碎为液滴。
[0049]本专利技术还提供了消防喷射水轨迹实时还原仿真算法在虚拟环境中的应用，具体包括以下步骤：
[0050]E1、基于虚拟现实引擎Unity3D，搭建虚拟三维场景；
[0051]E2、以.NET框架为基础，实现一个轨迹算法类，将基于空气阻力理论的消防水炮射流轨迹模型封装出一个对外功能函数接口GenerateTrack()；
[0052]E3、调用时传入炮口位置、炮口俯仰角、炮口流量、炮口直径和计算精度，会返回此时的消防水炮射流轨迹的点集；
[0053]E4、通过在不同角度下，对比Unity仿真射流轨迹与实际射流轨迹，检验射流轨迹模型的准确性。
[0054]优选的，对于水流轨迹的外观使用Unity引擎中提供的拖尾系统实现，创建一个空物体GameObject，为其添加组件Trail Renderer，用这个空物体来模拟单独的一个水滴，通过调整Trail Renderer组件的属性，设置水滴的宽度，长度和水贴图外观，设置完成后将这个空物体制作成水滴预制体。
[0055]优选的，为了能够根据虚拟场景中消防炮炮口位置，在炮口实时生成水滴，使用Resources.Load()方法动态加载水滴预制体，水滴生成后，调用轨迹算法类的对外功能函数接口GenerateTrack()，获取此刻这个水滴的轨迹点集，使用DoTween插件的DOPath()方法，让这个水滴沿着轨迹算法类计算的射流轨迹运动，每隔固定时间在炮口位置实本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.消防喷射水轨迹实时还原仿真算法，其特征在于：具体包括以下步骤：T1、建立直角坐标系并受力分析，令v为射流微元体的速度,θ为射流速度方向与x轴正方向夹角，Ft为空气阻力，方向与射流方向相反，mg为微元体重力，方向垂直向下，x和y为微元体的射程和射高；设i为射流速度方向的单位矢量，则：v＝vi两边同时对时间微分，可得：设j为垂直于射流速度方向的单位矢量，根据矢量微分原理，有：联立得：消防水炮的水射流是连续的，因此能够认为喷嘴每秒射出水流质量m为一常数，不随时间t的变化而发生变化，根据牛顿第二定律可得：向矢量i和j方向投影，得：由此可知T2、步骤T1模型上式中加入修正系数k1、k2，修改后的公式如下：上升段：
下降段：T3、射流微元体在空气中受到的空气阻力Ft计算公式如下：其中ρ
空
为空气密度，v为微元体速度，S
M
为微元体横截面积，C
X
为空气阻力系数；T4、空气阻力系数C
X
计算公式如下：其中，Re为雷诺数，ρ
水
为水密度，v0为微元体初始速度，d0为消防水炮直径；T5、将射流轨迹模型分为前后两部分，以轨迹最高点为分界点，截面积S
M
计算公式如下：上升段：S
M
＝A0(1+aln(1+x))下降段：S
M
＝A0(1+bln(1+y0‑
y))其中A0是初始横截面积，a、b分别为上升段和下降段面积修正系数，y0为射流最高点的射高；T6、因此采用四阶龙格
‑
库塔算法求解，步幅为0.02，公式如下，其中h为步幅。
T7、对不同的角度，分别有不同的修正系数，修正系数的拟合函数如下：X＝(eθ
f
+g)l其中X为射流估计模型中的修正系数，θ为微元体初始速度方向与x轴正方向夹角，e、f、g为拟合函数系数。2.根据权利要求1所述的消防喷射水轨迹实时还原仿真算法，其特征在于：所述步骤T1模型中的射流微元体在整个运动过程中形状不发生改变，但这种假设在实际中由于射流破碎及风力的影响下是不可能成立，同时，通过观察水射流的实际运动轨迹，看出射流在上升段速度方向的变化率与下降段的速度方向变化率明显不同。3.根据权利要求1所述的消防喷射水轨迹实时还原仿真算法，其特征在于：所述步骤T2中加入修正系数k1、k2，是用于模拟上升及下降段由于射流破碎及风力的影响造成空气阻力与射...
【专利技术属性】
技术研发人员：许晓元，李晶晶，刘晅亚，陈红光，朱红亚，
申请(专利权)人：应急管理部天津消防研究所，
类型：发明
国别省市：
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