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JP3308685B2 - Object collision simulation method and apparatus - Google Patents
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JP3308685B2 - Object collision simulation method and apparatus - Google Patents

Object collision simulation method and apparatus

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JP3308685B2
JP3308685B2 JP31305293A JP31305293A JP3308685B2 JP 3308685 B2 JP3308685 B2 JP 3308685B2 JP 31305293 A JP31305293 A JP 31305293A JP 31305293 A JP31305293 A JP 31305293A JP 3308685 B2 JP3308685 B2 JP 3308685B2
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restitution
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、コンピュータ・グラフ
ィックス、特にアニメーションやバーチャル・リアリテ
ィー等で、物体の衝突をシュミレートする方法とその装
置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method and apparatus for simulating the collision of an object in computer graphics, in particular, in animation or virtual reality.

【0002】[0002]

【従来の技術】コンピュータ内部に構築された仮想3次
元空間内で、仮想物体同士の衝突をシミュレーションす
る場合、従来は物体形状を質点あるいは球とみなし、ま
た物体間の反発係数や摩擦係数は考慮せず、摩擦のない
剛体とみなして計算していた。
2. Description of the Related Art When simulating collision between virtual objects in a virtual three-dimensional space constructed inside a computer, conventionally, the shape of the objects is regarded as a mass point or a sphere, and a coefficient of restitution and a coefficient of friction between the objects are considered. The calculation was performed without considering it as a rigid body without friction.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】従来のように、物体形
状を質点あるいは球とみなして衝突シミュレーションを
行う方法は、計算は簡単であるが、複雑な形状の物体に
関して、正確な計算ができないのは明らかである。また
物体間の反発係数や摩擦係数を考慮しない方法は、実際
の様々な衝突現象に対応できないという欠点があった。
A conventional method of performing a collision simulation by regarding the shape of an object as a mass point or a sphere is simple in calculation, but cannot accurately calculate an object having a complicated shape. Is clear. Further, the method that does not consider the coefficient of restitution or the coefficient of friction between objects has a drawback that it cannot cope with various actual collision phenomena.

【0004】本発明は上記従来例に鑑みてなされたもの
で、物体間の衝突の際の物体の運動を高精度に近似でき
る物体の衝突シミュレーション方式とその装置を提供す
ることを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above conventional example, and has as its object to provide an object collision simulation system and an apparatus thereof capable of approximating the motion of an object at the time of collision between objects with high accuracy.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の、本発明の物体の衝突シミュレーション方法は、 仮想
3次元空間における仮想物体同士の衝突をシミュレーシ
ョンする方法であって、仮想物体の特性データと衝突時
の仮想物体の状態データに基づいて、衝突後の前記仮想
物体の状態データを計算する計算工程と、前記衝突後の
前記仮想物体の状態データに基づき、前記衝突後の前記
仮想物体の状態を表示する表示工程とを備え前記計算
工程における仮想物体間の反発係数と摩擦係数の少なく
ともいずれかが0、1以外の場合は、反発係数及び摩擦
係数が0と1の場合における力積を用いた補間により衝
突後の状態データを計算する
In order to achieve the above object, a method for simulating collision of an object according to the present invention is a virtual object simulation method.
Simulate collision between virtual objects in 3D space
A method of tio down, based on the state data of the virtual object at the time of collision with the characteristic data of the virtual object, the calculation step of calculating the state data of the virtual object after the collision, of the virtual object after the collision based on the status data, and a display step of displaying the status of the virtual object after the collision, the calculation
Of coefficient of restitution and friction between virtual objects in process
If both are other than 0 or 1, the coefficient of restitution and friction
The impulse is calculated by interpolation using impulse when the coefficients are 0 and 1.
Calculate post-crash state data .

【0006】また、上記目的を達成するための本発明に
よる衝突シミュレーション装置は以下の構成を備える。
すなわち、仮想3次元空間における仮想物体同士の衝突
をシミュレーションする装置であって、仮想物体の特性
データと衝突時の仮想物体の状態データに基づいて、衝
突後の前記仮想物体の状態を計算する計算手段と、前記
衝突後の前記仮想物体の状態データに基づき、前記衝突
後の前記仮想物体の状態を表示する表示手段とを備え
前記計算手段における仮想物体間の反発係数と摩擦係数
の少なくともいずれかが0、1以外の場合は、反発係数
及び摩擦係数が0と1の場合における力積を用いた補間
により衝突後の状態データを計算する
A collision simulation apparatus according to the present invention for achieving the above object has the following configuration.
That is, collision between virtual objects in a virtual three-dimensional space
An apparatus for simulating, on the basis of the state data of the virtual object at the time of collision with the characteristic data of the virtual object, and calculating means for calculating a state of the virtual object after the collision, the state of the virtual object after the collision based on the data, and display means for displaying the status of the virtual object after the collision,
Coefficient of restitution and coefficient of friction between virtual objects in the calculation means
If at least one of is not 0 or 1, the coefficient of restitution
Using impulse when friction coefficient is 0 and 1
To calculate the state data after the collision .

【0007】[0007]

【作用】 上記の構成によれば、仮想物体の特性データと
衝突時の仮想物体の状態データに基づいて、衝突後の仮
想物体の状態データが計算され、この計算された状態デ
ータに基づき、衝突後の仮想物体の状態が表示される。
ここで、上記計算において、仮想物体間の反発係数と摩
擦係数の少なくともいずれかが0、1以外の場合は、反
発係数及び摩擦係数が0と1の場合における力積を用い
た補間により衝突後の状態データが計算される。
SUMMARY OF] According to the above configuration, based on the state data of the virtual object at the time of collision with the characteristic data of the virtual object, is calculated state data of the virtual object after the collision, based on the calculated state data, collision The state of the subsequent virtual object is displayed.
Here, in the above calculation, if at least one of the coefficient of restitution and the coefficient of friction between the virtual objects is other than 0 and 1, after the collision by interpolation using the impulse when the coefficient of restitution and the coefficient of friction are 0 and 1, Is calculated.

【0008】[0008]

【0009】[0009]

【実施例】コンピュータ内部に構築された仮想3次元空
間内の、仮想物体群の挙動を自動的に計算することは、
アニメーションやバーチャル・リアリティー等において
有益な技術である。本実施例は物体同士が衝突した場合
の挙動をシミュレーションする方法に関するもので、衝
突時の物体の状態と、衝突の状態から、衝突直後の物体
の状態を計算する方法を示している。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Automatic calculation of the behavior of a group of virtual objects in a virtual three-dimensional space constructed inside a computer is as follows.
This is a useful technique for animation and virtual reality. The present embodiment relates to a method of simulating the behavior when objects collide with each other, and shows a method of calculating the state of the object immediately after the collision from the state of the object at the time of the collision and the state of the collision.

【0010】本実施例では、仮想物体同士の衝突をシミ
ュレーションする場合に、衝突時の仮想物体の状態(位
置、傾き、速度、角速度)、衝突位置、衝突方向(衝突
位置の接平面方向)から、衝突後の仮想物体の状態を計
算する。この方法は、物体の質量と慣性モーメントが分
かっていれば、任意の形状に関して計算を行うことがで
きる。また、衝突時間、衝突位置、衝突方向は2物体の
状態や形状により決定されるもので、これらを利用する
ことにより、物体形状によらず同一の処理を行うことが
できる。
In this embodiment, when simulating a collision between virtual objects, the state (position, inclination, velocity, angular velocity), collision position, and collision direction (tangential plane direction of the collision position) of the virtual object at the time of the collision are considered. And calculate the state of the virtual object after the collision. This method can perform calculations on arbitrary shapes if the mass and moment of inertia of the object are known. Also, the collision time, collision position, and collision direction are determined by the state and shape of the two objects, and by using these, the same processing can be performed regardless of the object shape.

【0011】衝突後の仮想物体の状態計算は、衝突によ
り生じた力積を計算することにより求めるのであるが、
2物体間の反発係数および摩擦係数を考慮に入れて計算
することにより、様々な衝突現象に対応した計算を行う
ことができる。2物体間の反発係数と摩擦係数が不明の
場合は、各物体に固有の反発係数(0〜1)と摩擦係数
(0〜1)を定義し、2物体間の各係数の積により表
す。また、2物体間の反発係数あるいは摩擦係数が0か
1でない場合は、それぞれの係数が0および1の場合の
力積を求め、補間することにより求める。
The state of the virtual object after the collision is calculated by calculating the impulse generated by the collision.
By calculating taking into account the coefficient of restitution and the coefficient of friction between two objects, it is possible to perform calculations corresponding to various collision phenomena. When the coefficient of restitution and the coefficient of friction between two objects are unknown, the coefficient of restitution (0 to 1) and the coefficient of friction (0 to 1) specific to each object are defined, and expressed by the product of each coefficient between the two objects. When the coefficient of restitution or the coefficient of friction between two objects is not 0 or 1, the impulse is calculated when the coefficients are 0 and 1, and the impulse is obtained by interpolation.

【0012】なお物体間の摩擦係数が0の時は、衝突位
置で滑りが生じ、力は衝突方向に働く。摩擦係数が1の
時は、衝突位置で転がりが生じ、衝突位置での衝突接平
面内での速度が等しくなる様な力が働く。物体間の反発
係数が0の時は、衝突方向に力が働かず、衝突位置にお
いて衝突方向に同一速度で動く。反発係数が1の時は剛
体同士の衝突とみなされ、摩擦係数が0のあるいは1の
時運動エネルギが保存される。
When the friction coefficient between the objects is 0, slip occurs at the collision position, and the force acts in the collision direction. When the friction coefficient is 1, rolling occurs at the collision position, and a force acts so that the speeds in the collision tangent plane at the collision position become equal. When the coefficient of restitution between objects is 0, no force acts in the collision direction, and the object moves at the collision position at the same speed in the collision direction. When the coefficient of restitution is 1, it is regarded as a collision between rigid bodies, and when the coefficient of friction is 0 or 1, kinetic energy is preserved.

【0013】第1図は、2つの物体、即ち、直方体形状
の物体1(1)と球形状の物体2(2)が衝突した瞬間
の状態を示したものである。ここで、それぞれ質量はM
1,M2、慣性テンソルが[I1 ],[I2]であるとす
る。衝突時の各物体の状態を以下のパラメータで表現す
る。即ち、 物体Aの重心座標:O1, 物体Bの重心座標:O2、 物体Aの速度: V1, 物体Bの速度: V2、 物体Aの傾き: [S1 ] 物体Bの傾き: [S2
]、 物体Aの角速度: W1 物体Bの角速度: W2、 ここで、O1、O2、V1、V2は慣性系におけるベクトル
量、[S1]、[S2]は物体座標系から慣性系に変換す
る3×3の回転マトリックス、W1、W2は物体座標系に
おけるベクトル量であり、慣性系と物体座標系とは[S
1]、[S2]により結びつけられ相互に変換が可能であ
る。また衝突位置Pおよび衝突方向Nが慣性系に対して
与えられていれば、それぞれの物体座標系における重心
に対する衝突位置R1 ,R2 も、[S]を利用して即座
に求めることができる。即ち、
FIG. 1 shows a state at the moment when two objects, that is, a rectangular parallelepiped object 1 (1) and a spherical object 2 (2) collide. Where the mass is M
It is assumed that 1, M2 and the inertia tensor are [I1] and [I2]. The state of each object at the time of collision is represented by the following parameters. That is, the coordinates of the center of gravity of the object A: O1, the coordinates of the center of gravity of the object B: O2, the speed of the object A: V1, the speed of the object B: V2, the inclination of the object A: [S1] the inclination of the object B: [S2]
], Angular velocity of the object A: W1 angular velocity of the object B: W2, where O1, O2, V1, and V2 are vector quantities in the inertial system, and [S1] and [S2] are converted from the object coordinate system to the inertial system. A rotation matrix of × 3, W1 and W2 are vector quantities in the object coordinate system, and the inertial system and the object coordinate system are [S
1] and [S2], and can be mutually converted. If the collision position P and the collision direction N are given to the inertial system, the collision positions R1 and R2 with respect to the center of gravity in the respective object coordinate systems can be immediately obtained using [S]. That is,

【数1】 (式1)(Equation 1) (Equation 1)

【数2】 (式2)ここで、[S]-1は[S]の逆行列 なお、本実施例においては物体座標系を、主軸の方向と
一致するように選び、慣性テンソル[I]は以下のよう
に物体座標系において対角化されている。
(Equation 2) (Equation 2) Here, [S] -1 is the inverse matrix of [S]. In this embodiment, the object coordinate system is selected so as to match the direction of the principal axis, and the inertia tensor [I] is as follows: Are diagonalized in the object coordinate system.

【0014】[0014]

【数3】 第2図は、衝突後の物体の状態を示したもので、衝突に
より2物体に衝撃力F,−Fがそれぞれ働き、運動状態
が変化している。なお衝突力は作用反作用の法則より、
大きさが等しく方向が反対となる。衝突直後には、各物
体の重心座標および傾きは変化しない理想物体として、
衝突直後の速度V'1,V'2および角速度W'1,W'2を求
める。衝突前後の運動量および角運動量の変化より、以
下の式が得られる。
(Equation 3) FIG. 2 shows the state of the object after the collision. The collision forces F and -F act on the two objects, respectively, and the state of motion changes. The collision force is based on the law of action and reaction.
The directions are equal and opposite. Immediately after the collision, the coordinates of the center of gravity and the inclination of each object do not change.
The velocities V'1, V'2 and the angular velocities W'1, W'2 immediately after the collision are obtained. From the changes in momentum and angular momentum before and after the collision, the following equation is obtained.

【0015】[0015]

【数4】 (式3)(Equation 4) (Equation 3)

【数5】 (式4)(Equation 5) (Equation 4)

【数6】 (式5)(Equation 6) (Equation 5)

【数7】 (式6) 式(3),式(4)は慣性系に関する各物体の運動量の
変化を示しており、式(5),式(6)は物体座標系に
関する各物体の角運動量の変化を示している。Ftは衝
突時に衝突位置において発生する力積であり、F1 ,F
2 はFtを物体座標系に変換したものである。各力積は
以下の関係で結ばれており、上式は運動量保存則、角運
動量保存則を満たしている。
(Equation 7) (Equation 6) Equations (3) and (4) show the change in the momentum of each object with respect to the inertial system. Equations (5) and (6) show the change in the angular momentum of each object with respect to the object coordinate system. Is shown. Ft is an impulse generated at the collision position at the time of collision, and F1 and F1
2 is obtained by converting Ft into an object coordinate system. Each impulse is connected by the following relationship, and the above equation satisfies the law of conservation of momentum and the law of conservation of angular momentum.

【0016】[0016]

【数8】 (式7) 式(3)〜式(7)より、V'1、V'2,W'1、W'2は力
積Ftを用いて以下のように表すことができる。
(Equation 8) (Equation 7) From the equations (3) to (7), V′1, V′2, W′1, and W′2 can be expressed as follows using the impulse Ft.

【0017】[0017]

【数9】 (式8)(Equation 9) (Equation 8)

【数10】 (式9)(Equation 10) (Equation 9)

【数11】 (式10)[Equation 11] (Equation 10)

【数12】 (式11) ここで、[C1]、[C2]は、慣性テンソル[I1],
[I2]、回転マトリックス[S1],[S2]、重心に対
する衝突位置Rにより決定される3×3の角速度変換マ
トリックスであり、
(Equation 12) (Equation 11) Here, [C1] and [C2] are inertial tensors [I1],
[I2], a rotation matrix [S1], [S2], a 3 × 3 angular velocity conversion matrix determined by the collision position R with respect to the center of gravity,

【数13】 (Equation 13)

【数14】 [Equation 14]

【数15】 のとき、(Equation 15) When,

【数16】 (式12) を計算して求められる。(Equation 16) (Equation 12) is calculated.

【0018】以上説明したように、力積Ftを決定すれ
ば、衝突直後の速度V'1、V'2および角速度W'1、W'2
を求めることができる。以下、力積Ftの求め方に関し
て説明する。
As described above, if the impulse Ft is determined, the velocities V'1, V'2 and the angular velocities W'1, W'2 immediately after the collision are determined.
Can be requested. Hereinafter, a method of obtaining the impulse Ft will be described.

【0019】衝突前後の運動エネルギーE,E’は、The kinetic energies E and E 'before and after the collision are

【数17】 (式13)[Equation 17] (Equation 13)

【数18】 (式14) となる。また衝突直後の接触点での相対速度dVは、移
動速度と回転速度を考慮して、
(Equation 18) (Equation 14) In addition, the relative speed dV at the contact point immediately after the collision is determined in consideration of the moving speed and the rotational speed.

【数19】 (式15) となる。全ての速度を慣性系で表現するために、回転速
度は[S]を用いて物体座標系から慣性系への変換を行
っている。式(14),式(15)は式(8)〜(1
1)を用いて、以下のように力積Ftを用いて表すこと
ができる。
[Equation 19] (Equation 15) In order to express all the velocities in the inertial system, the rotational speed is converted from the object coordinate system to the inertial system using [S]. Equations (14) and (15) are obtained from equations (8) to (1).
It can be expressed using impulse Ft as follows using 1).

【0020】[0020]

【数20】 (式16)(Equation 20) (Equation 16)

【数21】 (式17) ここで、E0 は定数、Ef (Ft)はFtに関する2次
式、V0 はベクトル量、[Vf ]は3×3の相対速度変
換マトリックスである。これらの両式を利用してFtが
決定される。
(Equation 21) (Equation 17) Here, E0 is a constant, Ef (Ft) is a quadratic expression relating to Ft, V0 is a vector quantity, and [Vf] is a 3 × 3 relative velocity conversion matrix. Ft is determined using both these equations.

【0021】Ftの決定に際しては、物体同士の反発力
や摩擦力も考慮して計算を行う。摩擦力は、各物体に対
して摩擦係数μ(0〜1)を与え、物体間の摩擦力は物
体同士の摩擦係数の積(0〜1)で表現する。物体間の
摩擦係数が0のときは、衝突位置で滑りが生じ、力は衝
突方向に働く。摩擦係数が1のときは、衝突位置で転が
りが生じ、衝突位置での衝突接平面内での速度が等しく
なるような力が働く。
In determining Ft, calculation is performed in consideration of the repulsive force and frictional force between objects. The frictional force gives a friction coefficient μ (0 to 1) to each object, and the frictional force between the objects is represented by the product (0 to 1) of the friction coefficients between the objects. When the coefficient of friction between the objects is 0, slip occurs at the collision position, and the force acts in the collision direction. When the friction coefficient is 1, rolling occurs at the collision position, and a force acts so that the speeds in the collision tangent plane at the collision position become equal.

【0022】反発力も摩擦力と同様に、各物体に対して
反発係数ε(0〜1)を与え、物体間の反発力は物体同
士の反発係数の積(0〜1)で表現する。物体間の反発
係数が0のときは、衝突方向に力が働かず、衝突後は衝
突方向に同一速度で動く。反発係数が1のときは、剛体
同士の衝突とみなされ、摩擦係数が0あるいは1のとき
運動エネルギーが保存される。
Similarly to the frictional force, the repulsion force gives a repulsion coefficient ε (0 to 1) to each object, and the repulsion force between the objects is represented by the product (0 to 1) of the restitution coefficients between the objects. When the coefficient of restitution between the objects is 0, no force acts in the collision direction, and the object moves at the same speed in the collision direction after the collision. When the coefficient of restitution is 1, it is regarded as a collision between rigid bodies, and when the coefficient of friction is 0 or 1, kinetic energy is preserved.

【0023】2物体間の反発係数あるいは摩擦係数が0
か1でない場合は、それぞれの係数が0および1の場合
の力積を求め、補間することにより求める。以下、反発
係数と摩擦係数の値の各組み合わせごとに、Ftの求め
方を説明する。 [ケース1] 摩擦係数μ=0、反発係数ε=1のとき 摩擦係数μ=0より、接触点が滑らかで摩擦がないた
め、力積Ftの方向は衝突方向Nと一致する。また摩擦
がなく反発係数ε=1より、衝突前後で運動エネルギー
が保存される。 Ft=kN (式18) E’=E (式19) ここで、式(16)のエネルギーの式に、式(18)を
代入してE’をkを用いて表し、式(19)よりkを求
める。この時のFtをF01とおく。 [ケース2] 摩擦係数μ=1、反発係数ε=1のとき 摩擦係数μ=1より、接触点で滑らずに転がりが生じ、
衝突接平面上での2物体の衝突後の速度が等しくなる。
即ち、2物体の相対速度の向きは衝突方向と一致する。
また滑らずに転がり反発係数ε=1より、衝突前後で運
動エネルギーが保存される。 dV=kN (式20) E’=E (式21) ここで、式(17)の相対速度の式に式(20)を代入
して、Ftをkを用いて表わす。
The coefficient of restitution or coefficient of friction between two objects is 0
If it is not 1, the impulse is obtained when the respective coefficients are 0 and 1, and the impulse is obtained by interpolation. Hereinafter, a method of obtaining Ft for each combination of the values of the coefficient of restitution and the coefficient of friction will be described. [Case 1] When the friction coefficient μ = 0 and the coefficient of restitution ε = 1 Since the contact point is smooth and there is no friction from the friction coefficient μ = 0, the direction of the impulse Ft matches the collision direction N. Also, since there is no friction and the coefficient of restitution ε = 1, kinetic energy is preserved before and after the collision. Ft = kN (Equation 18) E ′ = E (Equation 19) Here, E ′ is represented by using k by substituting Equation (18) into the energy equation of Equation (16), and from Equation (19) Find k. Ft at this time is set to F01. [Case 2] When the coefficient of friction μ = 1 and the coefficient of restitution ε = 1 Since the coefficient of friction μ = 1, rolling occurs without slipping at the contact point,
The velocities after the collision of the two objects on the collision tangent plane become equal.
That is, the direction of the relative speed of the two objects coincides with the collision direction.
Further, since the rolling coefficient of restitution ε = 1 without slipping, kinetic energy is preserved before and after the collision. dV = kN (Equation 20) E ′ = E (Equation 21) Here, Ft is expressed using k by substituting Equation (20) into the equation of the relative velocity of Equation (17).

【0024】[0024]

【数22】 (式22) これを、式(16)のエネルギーの式に代入して、E’
をkを用いて表し、式(21)よりkを求める。この時
のFtをF11とおく。 [ケース3] 3摩擦係数μ=0、反発係数ε=0のとき 摩擦係数μ=0より、接触点が滑らかで摩擦がないた
め、力積Ftの方向は衝突方向Nと一致する。また、反
発係数ε=0より、衝突後で衝突方向の速度が一致し、
相対速度の向きは衝突方向と垂直になる。 Ft=kN (式23) dV・N=0 (式24) ここで、式(23),式(24)を式(17)の相対速
度を式に代入するとkが求まる。 k=−V0 ・N/([Vf ]N)・N (式25) この時のFtをF00とおく。 [ケース4] 摩擦係数μ=1、反発係数ε=0のとき 摩擦係数μ=1より、接触点で滑らずに転がりが生じ、
衝突接平面上での2物体の衝突後の速度が等しくなる。
また反発係数ε=0より、衝突後で衝突方向の速度が一
致する。即ち、衝突位置において2物体の衝突後の速度
は一致する。 dV=0 (式26) ここで、式(26)を式(17)の相対速度を式に代入
するとFtが求まる。
(Equation 22) (Equation 22) By substituting this into the energy equation of Equation (16), E ′
Is represented using k, and k is obtained from Expression (21). Ft at this time is set to F11. [Case 3] 3 When the friction coefficient μ = 0 and the coefficient of restitution ε = 0 Since the friction point μ = 0, the contact point is smooth and there is no friction, so that the direction of the impulse Ft coincides with the collision direction N. Also, from the coefficient of restitution ε = 0, the speeds in the collision direction match after the collision,
The direction of the relative velocity is perpendicular to the collision direction. Ft = kN (Equation 23) dV · N = 0 (Equation 24) Here, when Equations (23) and (24) are substituted for the relative velocity of Equation (17), k is obtained. k = −V0 · N / ([Vf] N) · N (Equation 25) Let Ft be F00 at this time. [Case 4] When the friction coefficient μ = 1 and the coefficient of restitution ε = 0, the rolling occurs without slipping at the contact point from the friction coefficient μ = 1,
The velocities after the collision of the two objects on the collision tangent plane become equal.
Further, from the coefficient of restitution ε = 0, the velocities in the collision direction coincide after the collision. That is, the velocities of the two objects after the collision at the collision position match. dV = 0 (Equation 26) Here, Ft is obtained by substituting Equation (26) for the relative speed of Equation (17) into the equation.

【0025】[0025]

【数23】 (式27) この時のFtをF10とおく。(Equation 23) (Equation 27) Ft at this time is set to F10.

【0026】[ケース5] 摩擦係数μ(0〜1)、反発
係数ε(0〜1)のとき 摩擦係数μおよび反発係数εが0〜1の範囲にある時、
力積Ftはこれまでに求めた力積F00,F01,F10,F
11を用いて以下のように補間して計算する。 Ft=F00+(F10−F00)μ+(F01−F00)ε +(F11−F01−F10+F00)εμ (式28) こうして摩擦係数および反発係数を考慮して、力積Ft
を求めることができるので、式(8)〜(11)から衝
突直後の速度V'1,V'2および角速度W'1,W'2を計算
することができる。
[Case 5] When friction coefficient μ (0 to 1) and coefficient of restitution ε (0 to 1) When friction coefficient μ and coefficient of restitution ε are in the range of 0 to 1,
The impulse Ft is the impulse F00, F01, F10, F
The calculation is performed by using 11 and interpolating as follows. Ft = F00 + (F10-F00) .mu. + (F01-F00) .epsilon. + (F11-F01-F10 + F00) .epsilon..mu.
Can be calculated, and the velocities V′1, V′2 and the angular velocities W′1, W′2 immediately after the collision can be calculated from the equations (8) to (11).

【0027】次に、具体的に、各種の物体の衝突例をあ
げて説明する。
Next, a concrete example of collision of various objects will be described.

【0028】[具体例1] 球同士の衝突 図3は、同一直線上を同一方向に回転しながら進む球同
士、球3と球4が衝突した瞬間の状態を示したものであ
る。ここで、10はこれら球の座標を規定する3次元の
基本直交座標軸を示し、x軸5、y軸7、z軸6で構成
される。球1(3)と球2(4)の進行方向はx軸5と
並行で、それらの回転軸は、z軸6と平行である。2物
体は共に、半径L=1、質量M=1、回転速度W=1
で、球1(3)がx軸上を正の方向に速度V1 =1で、
球2(4)がx軸上を負の方向に速度V2 =−1で進ん
でいる。この時、球1(3)の中心から見た衝突位置R
1 は(1,0,0)で、球2(4)の中心から見た衝突
位置R2は(−1,0,0)で、衝突方向はx軸5方向
となる。
[Specific Example 1] Collision between spheres FIG. 3 shows the state at the moment when spheres 3 and 4 collide with each other while rotating on the same straight line while rotating in the same direction. Here, reference numeral 10 denotes a three-dimensional basic orthogonal coordinate axis that defines the coordinates of these spheres, and is composed of an x axis 5, a y axis 7, and a z axis 6. The traveling directions of the spheres 1 (3) and 2 (4) are parallel to the x-axis 5, and their rotation axes are parallel to the z-axis 6. Both objects have a radius L = 1, a mass M = 1, and a rotation speed W = 1.
The velocity of the sphere 1 (3) in the positive direction on the x-axis is V1 = 1,
The sphere 2 (4) is traveling in the negative direction on the x-axis at a speed V2 = -1. At this time, the collision position R viewed from the center of the ball 1 (3)
1 is (1, 0, 0), the collision position R2 viewed from the center of the sphere 2 (4) is (-1, 0, 0), and the collision direction is the x-axis 5 direction.

【0029】図4〜図8は、摩擦係数と反発係数の様々
な条件において、球同士が衝突した時に発生する力積F
1 ,F2 、衝突後の速度V'1,V'2、衝突後の角速度
W'1,W'2、および時間Δt=1だけ経過した時の2物
体の状態を示している。力積、速度、角速度に関して
は、方向を矢印で、大きさを矢印の長さおよび数値で表
示し、数値にはx,y,z方向の値をたし合わせた時の
符合を付加している。
FIGS. 4 to 8 show impulse F generated when balls collide under various conditions of the coefficient of friction and the coefficient of restitution.
1, F2, the velocities V'1, V'2 after the collision, the angular velocities W'1, W'2 after the collision, and the state of the two objects when the time Δt = 1 has elapsed. For impulse, speed, and angular velocity, the direction is indicated by an arrow, the size is indicated by the length of the arrow and a numerical value, and the sign of the sum of the values in the x, y, and z directions is added to the numerical value. I have.

【0030】また以下の説明では、z軸6成分の値が0
の時は、(x,y)成分のみを示す。さらに、y軸7成
分の値も0の時は、x成分のみを示す。
In the following description, the values of the six components on the z axis are 0
At the time, only the (x, y) component is shown. Furthermore, when the value of the y-axis 7 component is also 0, only the x component is shown.

【0031】図4は、摩擦係数μ=0、反発係数ε=1
の時の衝突後の状態を示す。この状態では、摩擦がない
ために力積は衝突方向(x軸5の方向)を向き、球1
(3)と球2(4)の物体座標系での力積はそれぞれ、
F1 =−2,F2 =2となる。力積が球の中心を向いて
いるため衝突前後で角速度は変化せず、W'1=1,W'2
=1である。また、x軸5上をV'1=−1,V'2=1の
速度で進む。即ち、2物体とも角速度は変化せず、衝突
前と同じ大きさでかつ反対方向の速度で進む。
FIG. 4 shows that the friction coefficient μ = 0 and the restitution coefficient ε = 1.
The state after the collision at the time of is shown. In this state, since there is no friction, the impulse faces in the collision direction (the direction of the x-axis 5), and the sphere 1
The impulse in the object coordinate system of (3) and sphere 2 (4) are respectively
F1 = -2 and F2 = 2. Since the impulse faces the center of the sphere, the angular velocity does not change before and after the collision, W'1 = 1, W'2
= 1. Further, the vehicle travels on the x-axis 5 at a speed of V'1 = -1, V'2 = 1. That is, the angular velocities of the two objects do not change, but advance at the same size as before the collision and in the opposite direction.

【0032】図5は摩擦係数μ=1、反発係数ε=1の
時の衝突後の状態を示したものである。この状態では、
摩擦があるために力積はy軸7方向成分も含み、球1
(3)と球2(4)の物体座標系での力積はそれぞれ、
F1 =(−2.13,−0.29),F2 =(2.13,
0.29)となる。力積が球の中心を向いていないため
衝突前後で角速度の大きさが変化し、球3と球4の角速
度はそれぞれ、W'1=0.29,W'2=0.29、速度は
y方向成分を含み、それぞれV'1=(-1.13,-0.2
9),V'2=(1.13,0.29)となる。即ち、2物
体とも角速度の向きは変化しないが、大きさは同じ量減
少し、2物体は、それぞれ大きさが等しくかつ反対方向
の速度で進む。
FIG. 5 shows a state after the collision when the friction coefficient μ = 1 and the restitution coefficient ε = 1. In this state,
Because of the friction, the impulse also includes a component in the y-axis direction,
The impulse in the object coordinate system of (3) and sphere 2 (4) are respectively
F1 = (− 2.13, −0.29), F2 = (2.13,
0.29). Since the impulse is not directed to the center of the sphere, the magnitude of the angular velocity changes before and after the collision, and the angular velocities of the balls 3 and 4 are W′1 = 0.29 and W′2 = 0.29, respectively. V′1 = (− 1.13, −0.2)
9), V'2 = (1.13, 0.29). That is, the directions of the angular velocities do not change for both objects, but the magnitudes decrease by the same amount, and the two objects move at the same speed but in opposite directions.

【0033】図6は、摩擦係数μ=0、反発係数ε=0
の時の衝突後の状態を示したものである。この状態で
は、摩擦がないために力積は衝突方向(x軸7の方向)
を向き、球1(3)と球2(4)の物体座標系での力積
はそれぞれ、F1 =−1,F2=1となる。力積が球の
中心を向いているため衝突前後で角速度は変化せず、そ
れぞれ、W' 1 =1,W' 2 =1となる。また、速度は
衝突方向に反発しないために両物体とも0になる。即
ち、2物体は衝突後は衝突位置で回転するだけで位置は
変化しない。
FIG. 6 shows that the coefficient of friction μ = 0 and the coefficient of restitution ε = 0.
The state after the collision at the time of is shown. In this state, since there is no friction, the impulse is in the collision direction (the direction of the x-axis 7).
And the impulse of the sphere 1 (3) and the sphere 2 (4) in the object coordinate system are F1 = −1 and F2 = 1, respectively. Since the impulse faces the center of the sphere, the angular velocity does not change before and after the collision, and W ′ 1 = 1 and W ′ 2 = 1, respectively. Further, since the speed does not repel in the collision direction, both objects become 0. That is, after the collision, the two objects only rotate at the collision position and do not change their positions.

【0034】図7は、摩擦係数μ=1、反発係数ε=0
の時の衝突後の状態を示したものである。この状態で
は、摩擦があるために力積はy軸7成分も含み、球1
(3)と球2(4)の物体座標系での力積はそれぞれ、
F1 =(−1,−0.29),F2=(1,0.29)と
なる。力積が球の中心を向いていないため、衝突前後で
角速度の大きさが変化し、それぞれW' 1 =0.29,
W' 2 =0.29、速度は衝突方向に反発しないために
y軸7成分のみとなり、V' 1 =−0.29,V' 2=
0.29となる。即ち、x軸5上を進んできた2物体
が、回転速度が同量だけ減少してy軸7と平行にかつ互
いに反対方向に進む。
FIG. 7 shows that the coefficient of friction μ = 1 and the coefficient of restitution ε = 0.
The state after the collision at the time of is shown. In this state, the impulse also includes the y-axis 7 component due to friction, and the ball 1
The impulse in the object coordinate system of (3) and sphere 2 (4) are respectively
F1 = (-1, -0.29) and F2 = (1, 0.29). Since the impulse does not point toward the center of the sphere, the magnitude of the angular velocity changes before and after the collision, and W ′ 1 = 0.29,
W ′ 2 = 0.29, and the velocity does not rebound in the collision direction, so there are only seven components on the y-axis. V ′ 1 = −0.29, V ′ 2 =
It becomes 0.29. That is, the two objects that have traveled on the x-axis 5 have their rotation speed reduced by the same amount and travel in parallel with the y-axis 7 and in opposite directions.

【0035】図8は、摩擦係数μ=0.5、反発係数ε
=0.5の時の衝突後の状態を示したものである。この
状態では、力積はそれぞれ、F1 =(-1.53,-0.1
4),F2 =(1.53,0.14)となる。角速度は大
きさが変化し、それぞれ、W'1 =0.64,W' 2 =
0.64、速度はそれぞれ、V' 1 =(−0.53,−
0.14),V' 2 =(0.53,0.14)となる。即
ち、2物体は角速度の大きさが同量だけ減少し、速度は
大きさが等しく反対方向に進む。 [具体例2] 直方体と球の衝突 図9は、静止している直方体8に回転しながら進む球9
が衝突した瞬間の状態を示したものである。ここで、直
方体8は、x軸5,y軸7,z軸6とそれらのそれぞれ
の軸に対応する直方体8の各辺がそれぞれ平行になるよ
うにおかれている。球9の回転軸の方向は、z軸6方向
であり、また進行方向はx軸5と平行である。直方体8
の各辺の長さは、x,y,z軸各方向に対してそれぞれ
Lx =2,Ly =3,Lz =1であり、質量はM1 =1
である。一方、球9は半径L2 =1、質量M2 =1、角
速度W2 =1、速度V2 =−1である。この時、直方体
の中心から見た衝突位置R1は(1,1,0)であり、
球の中心から見た衝突位置R2は(−1,0,0)であ
り、衝突方向はx軸方向となる。
FIG. 8 shows a coefficient of friction μ = 0.5 and a coefficient of restitution ε.
= 0.5 after the collision. In this state, the impulse is F1 = (-1.53, -0.1, respectively).
4), F2 = (1.53, 0.14). The angular velocities vary in magnitude, W'1 = 0.64 and W'2 =
0.64, and the speed is V '1 = (− 0.53, −
0.14), V '2 = (0.53, 0.14). That is, the angular velocity of the two objects decreases by the same amount, and the velocities are equal in magnitude and travel in opposite directions. [Specific Example 2] Collision between a rectangular parallelepiped and a sphere FIG. 9 shows a sphere 9 rotating while rotating on a stationary rectangular solid 8.
Shows the state at the moment of collision. Here, the rectangular parallelepiped 8 is arranged such that the x-axis 5, the y-axis 7, and the z-axis 6 and the respective sides of the rectangular parallelepiped 8 corresponding to their respective axes are parallel to each other. The direction of the rotation axis of the sphere 9 is the direction of the z-axis 6, and the traveling direction is parallel to the x-axis 5. Rectangular parallelepiped 8
Are Lx = 2, Ly = 3, Lz = 1 in the x, y, and z-axis directions, respectively, and the mass is M1 = 1.
It is. On the other hand, the sphere 9 has a radius L2 = 1, a mass M2 = 1, an angular velocity W2 = 1, and a velocity V2 = -1. At this time, the collision position R1 viewed from the center of the rectangular parallelepiped is (1,1,0),
The collision position R2 viewed from the center of the sphere is (-1, 0, 0), and the collision direction is the x-axis direction.

【0036】図10〜図14は、摩擦係数と反発係数の
様々な条件で、直方体8と球9が衝突した時に発生する
それぞれの力積F1 ,F2 と、衝突後のそれぞれの速度
V'1,V'2、衝突後でのそれぞれの角速度W'1,W'2、
および時間Δt=1だけ経過した時の2物体の状態を示
している。力積、速度、角速度に関しては、方向を矢印
で、大きさを矢印の長さおよび数値で表示し、数値には
x軸5,y軸7,z軸6方向の値をたし合わせた時の符
合を付加している。
FIGS. 10 to 14 show the respective impulse F1 and F2 generated when the rectangular parallelepiped 8 and the ball 9 collide under various conditions of the coefficient of friction and the coefficient of restitution, and the respective speeds V'1 after the collision. , V'2, the respective angular velocities W'1, W'2 after the collision,
And the state of the two objects when the time Δt = 1 has elapsed. For impulse, velocity, and angular velocity, the direction is indicated by an arrow, the size is indicated by the length of the arrow and a numerical value, and the numerical value is obtained by adding the values in the x-axis, y-axis, and z-axis directions. Is added.

【0037】また以下の説明では、z軸成分の値が0の
時は、(x,y)成分だけ示す。さらに、y軸成分の値
も0の時は、x成分だけ示す。
In the following description, when the value of the z-axis component is 0, only the (x, y) component is shown. Further, when the value of the y-axis component is also 0, only the x component is shown.

【0038】図10は、摩擦係数μ=0、反発係数ε=
1の時の衝突後の状態を示したものである。この状態で
は、摩擦がないために力積は衝突方向(x軸5の方向)
を向き、F1 =−0.68,F2 =0.68となる。力
積は球9に対しては中心を向いているため、衝突前後で
角速度は変化せずW'2=1であるが、直方体8に対して
は回転力を与え、角速度はz軸6の周りにW'1=0.6
3となる。速度は2物体ともx軸と並行に負の方向に進
み、それぞれ、V'1=−0.68,V'2=−0.32で
ある。
FIG. 10 shows that the coefficient of friction μ = 0 and the coefficient of restitution ε =
The state after the collision at the time of 1 is shown. In this state, since there is no friction, the impulse is in the collision direction (the direction of the x-axis 5).
And F1 = -0.68 and F2 = 0.68. Since the impulse is directed toward the center with respect to the sphere 9, the angular velocity does not change before and after the collision and W′2 = 1, but a rotational force is applied to the rectangular parallelepiped 8 and the angular velocity Around W'1 = 0.6
It becomes 3. The velocities of the two objects proceed in the negative direction in parallel with the x-axis, and V′1 = −0.68 and V′2 = −0.32, respectively.

【0039】図11は摩擦係数μ=1、反発係数ε=1
の時の衝突後の状態を示したものである。この状態で
は、摩擦があるために力積はy軸7方向成分も含み、F
1 =(−0.92,−0.34),F2 =(0.92,
0,34)となる。力積の向きが両物体の中心から外れ
ているため、衝突前後で角速度の大きさが変化しW'1=
0.53,W'2=0.15となり、速度はV'1=(−
0.92,−0.34),V'2=(−0.08,0.3
4)となる。
FIG. 11 shows the coefficient of friction μ = 1 and the coefficient of restitution ε = 1.
The state after the collision at the time of is shown. In this state, the impulse also includes a component in the y-axis 7 direction due to friction, and F
1 = (-0.92, -0.34), F2 = (0.92,
0, 34). Since the direction of the impulse is off the center of both objects, the magnitude of the angular velocity changes before and after the collision and W'1 =
0.53, W'2 = 0.15, and the speed is V'1 = (-
0.92, -0.34), V'2 = (-0.08, 0.3
4).

【0040】図12は摩擦係数μ=0、反発係数ε=0
の時の衝突後の状態を示したものである。この状態で
は、摩擦がないために力積は衝突方向(x軸5の方向)
を向き、F1 =−0.34,F2 =0.34となる。力
積は球9に対しては中心を向いているため、衝突前後で
角速度は変化せずW'2=1であるが、直方体8に対して
は回転力を与え、角速度はz軸の周りにW'1=0.32
となる。速度は2物体ともx軸5と並行に負の方向に進
み、V'1=−0.34,V'2=−0.66である。ここ
で、球9と直方体8の両物体が重なって表示されている
が、これは衝突方向に反発しないために、球9が一定時
間、直方体8を押し続けることを示している。正確に計
算するには、微小時間後の直方体8と球9の衝突状態を
求め、更に衝突の計算を繰り返さなければならない。例
えば、本実施例において微小時間を1に設定すると、衝
突方向はN=(0.95,0.31)、衝突位置は直方
体の中心から見てR1 =(0.73,0,69)、球の
中心から見てR2 =(−0.95,−0.32)とおい
て計算すれば良い。
FIG. 12 shows a coefficient of friction μ = 0 and a coefficient of restitution ε = 0.
The state after the collision at the time of is shown. In this state, since there is no friction, the impulse is in the collision direction (the direction of the x-axis 5).
And F1 = -0.34, F2 = 0.34. Since the impulse is directed toward the center with respect to the sphere 9, the angular velocity does not change before and after the collision and W'2 = 1, but a rotational force is applied to the rectangular parallelepiped 8, and the angular velocity is adjusted around the z axis. W'1 = 0.32
Becomes The velocities of the two objects proceed in the negative direction in parallel with the x-axis 5, and V′1 = −0.34, V′2 = −0.66. Here, both objects of the sphere 9 and the rectangular parallelepiped 8 are displayed in an overlapping manner, which indicates that the ball 9 keeps pushing the rectangular parallelepiped 8 for a certain period of time in order not to rebound in the collision direction. In order to calculate accurately, the collision state between the rectangular parallelepiped 8 and the sphere 9 after a short time must be obtained, and the calculation of the collision must be repeated. For example, if the short time is set to 1 in this embodiment, the collision direction is N = (0.95, 0.31), the collision position is R1 = (0.73, 0, 69) when viewed from the center of the rectangular parallelepiped, and The calculation may be performed with R2 = (-0.95, -0.32) as viewed from the center of the sphere.

【0041】図13は、摩擦係数μ=1、反発係数ε=
0の時の衝突後の状態を示したものである。この状態で
は、摩擦があるために力積はy軸7成分も含み、F1 =
(−0.42,−0.26),F2 =(0.42,0,
26)となる。力積の向きが両物体の中心から外れてい
るため、衝突前後で角速度の大きさが変化しW'1=0.
15,W'2=0.36となり、速度はV'1=(−0.4
2,−0.26),V'2=(−0.58,0.26)と
なる。
FIG. 13 shows that the coefficient of friction μ = 1 and the coefficient of restitution ε =
This shows the state after the collision at the time of 0. In this state, the impulse also includes 7 components on the y-axis due to friction, and F1 =
(−0.42, −0.26), F 2 = (0.42, 0,
26). Since the direction of the impulse is off the center of both objects, the magnitude of the angular velocity changes before and after the collision, and W′1 = 0.
15, W′2 = 0.36, and the speed is V′1 = (− 0.4
2, -0.26), V'2 = (-0.58, 0.26).

【0042】図14は、摩擦係数μ=0.5、反発係数
ε=0.5の時の衝突後の状態を示したのである。この
状態では、力積はF1 =(−0.59,−0.15),
F2=(0.59,0.15)となる。角速度は大きさ
が変化し、W'1=0.41,W'2=0.63、速度は
V'1=(−0.59,−0.15),V'2=(−0.4
1,0.15)となる。
FIG. 14 shows the state after the collision when the coefficient of friction μ = 0.5 and the coefficient of restitution ε = 0.5. In this state, the impulse is F1 = (− 0.59, −0.15),
F2 = (0.59, 0.15). The angular velocity changes in magnitude, W′1 = 0.41, W′2 = 0.63, and the velocity is V′1 = (− 0.59, −0.15), V′2 = (− 0. 4
1,0.15).

【0043】最後に、摩擦係数μや反発係数εが0〜1
の間の値の場合に行う補間に関して、妥当性を調べるた
めに、衝突前後における運動エネルギーの変化を調べ
る。衝突前後の運動エネルギーE,E’は式(13),
式(14)を用いて求めることができ、2物体の質量、
慣性モーメント、速度、角速度により決定される。
Finally, the coefficient of friction μ and the coefficient of restitution ε are 0 to 1
The kinetic energy change before and after the collision is examined to check the validity of the interpolation performed in the case of the value between. The kinetic energies E and E 'before and after the collision are given by Equation (13),
It can be obtained using equation (14), and the mass of two objects,
It is determined by the moment of inertia, speed, and angular speed.

【0044】図15は、図3で示した球同士が衝突した
場合において、摩擦係数μと反発係数εを様々に変化さ
せた場合の、衝突後の運動エネルギーを示したものであ
る。また、図16は図9に示した直方体と球が衝突した
場合における、衝突後の運動エネルギーである。
FIG. 15 shows the kinetic energy after the collision when the spheres shown in FIG. 3 collide with each other and the friction coefficient μ and the restitution coefficient ε are variously changed. FIG. 16 shows the kinetic energy after the collision when the rectangular parallelepiped and the ball shown in FIG. 9 collide.

【0045】図15を参照して、球同士が衝突する前の
運動エネルギーは2.8で、反発係数εが1、摩擦係数
μが0か1の時に、運動エネルギーが保存されており、
ε=0,μ=1の時に運動エネルギーが最も失われるこ
とがわかる。また、反発係数εが1でも摩擦係数μが0
〜1間の値の場合は、衝突前後で運動エネルギーが減少
している。これは、実際に球が滑りながら転がる場合は
運動エネルギーを保存しないので、自然現象と良く一致
している。
Referring to FIG. 15, the kinetic energy before the balls collide with each other is 2.8, and when the coefficient of restitution ε is 1 and the friction coefficient μ is 0 or 1, the kinetic energy is conserved.
It can be seen that the kinetic energy is most lost when ε = 0 and μ = 1. Further, even if the coefficient of restitution ε is 1, the friction coefficient μ is 0.
In the case of a value between 11 and 衝突 1, the kinetic energy decreases before and after the collision. This is in good agreement with natural phenomena because kinetic energy is not preserved when the ball actually rolls while sliding.

【0046】また、図16を参照して、直方体と球が衝
突する前の運動エネルギーは1.4で、反発係数εが
1、摩擦係数μが0か1の時に、運動エネルギーが保存
されており、ε=0,μ=1の時に運動エネルギーが最
も失われることがわかる。また、反発係数εが1でも摩
擦係数μが0〜1間の値の場合は、衝突前後で運動エネ
ルギーが減少している。これは、実際に球が滑りながら
転がる場合は運動エネルギーを保存しないので、自然現
象と良く一致している。
Referring to FIG. 16, the kinetic energy before the rectangular parallelepiped collides with the sphere is 1.4, and when the coefficient of restitution ε is 1 and the friction coefficient μ is 0 or 1, the kinetic energy is conserved. It can be seen that the kinetic energy is most lost when ε = 0 and μ = 1. In addition, when the coefficient of friction μ is a value between 0 and 1 even when the coefficient of restitution ε is 1, the kinetic energy decreases before and after the collision. This is in good agreement with natural phenomena because kinetic energy is not preserved when the ball actually rolls while sliding.

【0047】次に、本実施例のシミュレーションを行う
データ処理装置の概要について、図17を参照しながら
以下説明する。
Next, an outline of the data processing apparatus for performing the simulation of this embodiment will be described below with reference to FIG.

【0048】CPU200は、データ処理装置全体の制
御を行い、メモリ202に予め格納されているシミュレ
ーションプログラムを読み出しながら、解釈し実行す
る。メモリ200は、本実施例のシミュレーションプロ
グラムと所要の各種データが予め格納されている。キー
ボード203とポインテイングデバイス204は、シミ
ュレーションを行う物体に関するデータや、実行指令コ
マンド等を入力する。デイスプレイモニタ201は、シ
ミュレーション結果のデータや物体の運動イメージ等を
表示する。
The CPU 200 controls the entire data processing apparatus, interprets and executes a simulation program stored in the memory 202 in advance. The memory 200 stores the simulation program of the present embodiment and various necessary data in advance. The keyboard 203 and the pointing device 204 input data on an object to be simulated, an execution command command, and the like. The display monitor 201 displays simulation result data, a motion image of an object, and the like.

【0049】次に、図18〜図23のフローチャートを
参照して、2物体が衝突した直後の運動状態を計算する
手順を説明する。
Next, a procedure for calculating the motion state immediately after the two objects collide will be described with reference to the flowcharts of FIGS.

【0050】ステップS100では、2つの物体自身と
その運動状態を表現する各種データをキーボード203
やポインテイングデバイス204等を用いて入力する。
物体のデータとして、質量M1,M2、慣性テンソル[I
1 ],[I2]、物体1の重心座標:O1,物体2の重心
座標:O2、物体1の速度:V1,物体2の速度:V2、
物体1の傾き:[S1 ]、物体2の傾き:[S2 ]、物
体1の角速度:W1、物体Bの角速度:W2、そして、摩
擦係数μ、反発係数εのデータを入力する。
In step S100, various data expressing the two objects themselves and their motion state are input to the keyboard 203.
And input using the pointing device 204 and the like.
As data of the object, masses M1, M2, inertia tensor [I
1], [I2], barycentric coordinates of object 1: O1, barycentric coordinates of object 2: O2, speed of object 1: V1, speed of object 2: V2,
The inclination of the object 1 is [S1], the inclination of the object 2 is [S2], the angular velocity of the object 1 is W1, the angular velocity of the object B is W2, and data of friction coefficient μ and restitution coefficient ε are input.

【0051】ステップS101では、2物体の重心に対
する衝突位置R1,R2を、式1、式2に基づいて計算す
る。
In step S101, collision positions R1 and R2 with respect to the center of gravity of two objects are calculated based on equations (1) and (2).

【0052】ステップS102は、摩擦係数μ、反発係
数εのデータ値をチェックする。そして、摩擦係数μ=
0、反発係数ε=1ならば、ステップ103へ進む。摩
擦係数μ=1、反発係数ε=1ならば、ステップ106
へ進む。摩擦係数μ=0、反発係数ε=0ならば、ステ
ップ109へ進む。摩擦係数μ=1、反発係数ε=0な
らば、ステップ112へ進む。摩擦係数μが0から1の
間の値で、反発係数εが0から1の間の値であれば、ス
テップ115へ進む。
In step S102, the data values of the coefficient of friction μ and the coefficient of restitution ε are checked. And the coefficient of friction μ =
If 0 and the restitution coefficient ε = 1, the routine proceeds to step 103. If the coefficient of friction μ = 1 and the coefficient of restitution ε = 1, step 106
Proceed to. If the coefficient of friction μ = 0 and the coefficient of restitution ε = 0, the routine proceeds to step 109. If the coefficient of friction μ = 1 and the coefficient of restitution ε = 0, the routine proceeds to step 112. If the coefficient of friction μ is a value between 0 and 1 and the coefficient of restitution ε is a value between 0 and 1, the routine proceeds to step 115.

【0053】ステップS103では、摩擦係数μ=0よ
り、接触点が滑らかで摩擦がないため力積Ftの方向は
衝突方向Nと一致する。また摩擦がなく反発係数ε=1
より、衝突前後で運動エネルギーが保存されるという条
件から、式(16)のエネルギー式に、式(18)を代
入して、式(19)よりkを計算し、そして、この時の
力積F01を計算する。
In step S103, the direction of the impulse Ft coincides with the collision direction N since the contact point is smooth and there is no friction from the friction coefficient μ = 0. No friction and coefficient of restitution ε = 1
From the condition that the kinetic energy is preserved before and after the collision, the equation (18) is substituted into the energy equation of the equation (16), k is calculated from the equation (19), and the impulse at this time is calculated. Calculate F01.

【0054】ステップS104では、力積F01を、式8
と式9に代入して、衝突直後の速度V'1、V'2を計算す
る。
In step S104, the impulse F01 is calculated by the following equation (8).
Then, the velocities V′1 and V′2 immediately after the collision are calculated by substituting into Equation 9.

【0055】ステップS105では、力積F01を、式1
0と式11に代入して、衝突直後の速度W'1、W'2を計
算する。
In step S105, the impulse F01 is calculated by the equation (1).
Substituting 0 into Equation 11 to calculate the velocities W′1 and W′2 immediately after the collision.

【0056】ステップS106では、摩擦係数μ=1よ
り、接触点で滑らずに転がりが生じ、衝突接平面上での
2物体の衝突後の速度が等しくなり2物体の相対速度の
向きは衝突方向と一致し、また、反発係数ε=1より、
衝突前後で運動エネルギーが保存されるという条件か
ら、式22を式16のエネルギー式に代入して、式21
よりkを計算し、そしてこの時の力積F11を計算する。
In step S106, since the friction coefficient μ = 1, rolling occurs without slipping at the contact point, and the velocities of the two objects on the collision tangent plane after the collision become equal. And from the coefficient of restitution ε = 1,
Under the condition that the kinetic energy is preserved before and after the collision, Equation 22 is substituted into the energy equation of Equation 16 to obtain Equation 21
Then, k is calculated, and the impulse F11 at this time is calculated.

【0057】ステップS107では、力積F11を、式8
と式9に代入して、衝突直後の速度V'1、V'2を計算す
る。
In step S107, the impulse F11 is calculated by the following equation (8).
Then, the velocities V′1 and V′2 immediately after the collision are calculated by substituting into Equation 9.

【0058】ステップS108では、力積F11を、式1
0と式11に代入して、衝突直後の速度W'1、W'2を計
算する。
In step S108, the impulse F11 is calculated by the equation (1).
Substituting 0 into Equation 11 to calculate the velocities W′1 and W′2 immediately after the collision.

【0059】ステップS109では、摩擦係数μ=0よ
り、接触点が滑らかで摩擦がないため、力積Ftの方向
は衝突方向Nと一致し、また、反発係数ε=0より、衝
突後で衝突方向の速度が一致し相対速度の向きは衝突方
向と垂直になるという条件から、式25からkを計算
し、そしてこの時の力積F00を計算する。
In step S109, since the contact point is smooth and there is no friction from the friction coefficient μ = 0, the direction of the impulse Ft coincides with the collision direction N, and since the coefficient of restitution ε = 0, the collision after the collision From the condition that the speeds in the directions match and the direction of the relative speed is perpendicular to the collision direction, k is calculated from Equation 25, and the impulse F00 at this time is calculated.

【0060】ステップS110では、力積F00を、式8
と式9に代入して、衝突直後の速度V'1、V'2を計算す
る。
In step S110, the impulse F00 is calculated by the following equation (8).
Then, the velocities V′1 and V′2 immediately after the collision are calculated by substituting into Equation 9.

【0061】ステップS111では、力積F00を、式1
0と式11に代入して、衝突直後の速度W'1、W'2を計
算する。
In step S111, the impulse F00 is calculated by the following equation (1).
Substituting 0 into Equation 11 to calculate the velocities W′1 and W′2 immediately after the collision.

【0062】ステップS112では、摩擦係数μ=1よ
り、接触点で滑らずに転がりが生じ、衝突接平面上での
2物体の衝突後の速度が等しくなり、また反発係数ε=
0より、衝突後で衝突方向の速度が一致するという条件
から、式(26)を式(17)の相対速度を式に代入し
て、力積F10を計算する。
In step S112, since the friction coefficient μ = 1, rolling occurs without slipping at the contact point, the velocities of the two objects on the collision tangent plane after the collision become equal, and the coefficient of restitution ε =
From 0, the impulse F10 is calculated by substituting Expression (26) into Expression (17) and substituting the relative speed of Expression (17) into the expression under the condition that the speeds in the collision direction match after the collision.

【0063】ステップS113では、力積F10を、式8
と式9に代入して、衝突直後の速度V'1、V'2を計算す
る。
In step S113, the impulse F10 is calculated by the following equation (8).
Then, the velocities V′1 and V′2 immediately after the collision are calculated by substituting into Equation 9.

【0064】ステップS114では、力積F10を、式1
0と式11に代入して、衝突直後の速度W'1、W'2を計
算する。
In step S114, the impulse F10 is calculated by the equation (1).
Substituting 0 into Equation 11 to calculate the velocities W′1 and W′2 immediately after the collision.

【0065】ステップS115では、まず、力積F00,
F01,F10,F11を求める。求める方法は、それぞれ、
ステップS109、ステップS104、ステップS11
2、ステップS106で各力積を求めた方法と同様であ
る。そして、求めた力積F00,F01,F10,F11を式2
8の補間式に代入して力積Ftを計算する。
In step S115, first, the impulse F00,
Find F01, F10, F11. The way to find each is
Step S109, step S104, step S11
2. This is the same as the method of obtaining each impulse in step S106. Then, the impulse values F00, F01, F10, and F11 obtained are calculated according to Equation 2.
The impulse Ft is calculated by substituting into the interpolation formula of FIG.

【0066】ステップS116では、力積Ftを、式8
と式9に代入して、衝突直後の速度V'1、V'2を計算す
る。
In step S116, the impulse Ft is calculated by the following equation (8).
Then, the velocities V′1 and V′2 immediately after the collision are calculated by substituting into Equation 9.

【0067】ステップS114では、力積Ftを、式1
0と式11に代入して、衝突直後の速度W'1、W'2を計
算する。
In step S114, the impulse Ft is calculated by the following equation (1).
Substituting 0 into Equation 11 to calculate the velocities W′1 and W′2 immediately after the collision.

【0068】以上説明した手順をCPU200が実行す
ることにより、2物体の衝突後の運動状態を容易に求め
ることができる。そして、求められた2物体の衝突後の
運動状態を、デイスプレイモニタに表示する。
By executing the above-described procedure by the CPU 200, it is possible to easily obtain the motion state after the collision of the two objects. Then, the obtained motion state after the collision of the two objects is displayed on the display monitor.

【0069】尚、本発明は、複数の機器から構成される
システムに適用しても1つの機器から成る装置に適用し
ても良い。また、本発明は、システム或は装置にプログ
ラムを供給することによって達成される場合にも適用で
きることはいうまでもない。
The present invention may be applied to a system constituted by a plurality of devices or an apparatus constituted by a single device. Needless to say, the present invention can be applied to a case where the present invention is achieved by supplying a program to a system or an apparatus.

【0070】以上説明してきたように、コンピュータ内
部に構築された仮想3次元空間において、仮想物体同士
の衝突をシミュレーションする場合に、衝突時の仮想物
体の状態、衝突位置、衝突方向から、衝突後の仮想物体
の状態の計算することにより、任意の物体形状に対して
計算を行うことができる。また衝突後の仮想物体の状態
計算を、2物体間の反発係数および摩擦係数を考慮に入
れて、衝突により生じた力積を計算することにより求め
ることにより、様々な衝突現象に対応した計算を行うこ
とができる。その結果、反発係数が1でも、摩擦係数が
0と1の間の場合(滑りながら転がる場合)は、運動エ
ネルギーが保存しない等、実際の自然現象が良く表すも
のとなっている。
As described above, when simulating a collision between virtual objects in the virtual three-dimensional space constructed inside the computer, the state of the virtual object at the time of collision, the collision position, and the collision direction are determined based on the state of the collision. By calculating the state of the virtual object, the calculation can be performed for an arbitrary object shape. Also, by calculating the state calculation of the virtual object after the collision by calculating the impulse generated by the collision taking into account the coefficient of restitution and the coefficient of friction between the two objects, the calculation corresponding to various collision phenomena can be performed. It can be carried out. As a result, even when the coefficient of restitution is 1, when the friction coefficient is between 0 and 1 (when rolling while sliding), actual natural phenomena are well represented, for example, kinetic energy is not preserved.

【0071】[0071]

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、物
体間の衝突の際の物体の運動を高精度に近似できる。
As described above, according to the present invention, the motion of an object at the time of collision between objects can be approximated with high accuracy.

【0072】[0072]

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】2物体が衝突した瞬間の状態を説明する図であ
る。
FIG. 1 is a diagram illustrating a state at the moment when two objects collide.

【図2】衝突後の2物体の運動を説明する図である。FIG. 2 is a diagram illustrating movement of two objects after a collision.

【図3】球同士が衝突した瞬間の状態を示した図であ
る。
FIG. 3 is a diagram showing a state at the moment when balls collide with each other.

【図4】摩擦係数=0,反発係数=1の条件下で、球同
士が衝突した後の状態を説明する図である。
FIG. 4 is a diagram illustrating a state after collision between balls under the condition of friction coefficient = 0 and restitution coefficient = 1.

【図5】摩擦係数=1,反発係数=1の条件下で、球同
士が衝突した後の状態を説明する図である。
FIG. 5 is a diagram for explaining a state after balls collide with each other under the conditions of friction coefficient = 1 and restitution coefficient = 1.

【図6】摩擦係数=0,反発係数=0の条件下で、球同
士が衝突した後の状態を説明する図である。
FIG. 6 is a diagram illustrating a state after the balls collide with each other under the conditions of friction coefficient = 0 and restitution coefficient = 0.

【図7】摩擦係数=1,反発係数=0の条件下で、球同
士が衝突した後の状態を説明する図である。
FIG. 7 is a diagram illustrating a state after the balls collide with each other under the conditions of friction coefficient = 1 and restitution coefficient = 0.

【図8】摩擦係数=0.5,反発係数=0.5の条件下
で、球同士が衝突した後の状態を説明する図である。
FIG. 8 is a diagram illustrating a state after the balls collide with each other under the conditions of a coefficient of friction = 0.5 and a coefficient of restitution = 0.5.

【図9】直方体と球が衝突した瞬間の状態を示した図で
ある。
FIG. 9 is a diagram showing a state at the moment when a cuboid and a ball collide.

【図10】摩擦係数=0,反発係数=1の条件下で、直
方体と球が衝突した後の状態を説明する図である。
FIG. 10 is a diagram illustrating a state after a rectangular parallelepiped and a ball collide under the conditions of friction coefficient = 0 and restitution coefficient = 1.

【図11】摩擦係数=1,反発係数=1の条件下で、直
方体と球が衝突した後の状態を説明する図である。
FIG. 11 is a diagram illustrating a state after a rectangular parallelepiped and a ball collide under the conditions of a friction coefficient = 1 and a restitution coefficient = 1.

【図12】摩擦係数=0,反発係数=0の条件下で、直
方体と球が衝突した後の状態を説明する図である。
FIG. 12 is a diagram illustrating a state after a rectangular parallelepiped and a ball collide under the conditions of friction coefficient = 0 and restitution coefficient = 0.

【図13】摩擦係数=1,反発係数=0の条件下で、直
方体と球が衝突した後の状態を説明する図である。
FIG. 13 is a diagram illustrating a state after a rectangular parallelepiped and a ball collide under the conditions of a friction coefficient = 1 and a restitution coefficient = 0.

【図14】摩擦係数=0.5,反発係数=0.5の条件
下で、直方体と球が衝突した後の状態を説明する図であ
る。
FIG. 14 is a diagram illustrating a state after a rectangular parallelepiped and a ball collide under the conditions of a coefficient of friction = 0.5 and a coefficient of restitution = 0.5.

【図15】球同士が衝突した後の運動エネルギーを示し
た図である。
FIG. 15 is a diagram showing kinetic energy after spheres collide with each other.

【図16】直方体と球が衝突した後の運動エネルギーを
示した図である。
FIG. 16 is a diagram showing kinetic energy after a rectangular parallelepiped and a ball collide.

【図17】本実施例のデータ処理装置の構成を示す図で
ある。
FIG. 17 is a diagram illustrating a configuration of a data processing device according to the present embodiment.

【図18】本実施例のシミュレーション処理フローを説
明する図である。
FIG. 18 is a diagram illustrating a simulation processing flow according to the present embodiment.

【図19】本実施例のシミュレーション処理フローを説
明する図である。
FIG. 19 is a diagram illustrating a simulation processing flow according to the present embodiment.

【図20】本実施例のシミュレーション処理フローを説
明する図である。
FIG. 20 is a diagram illustrating a simulation processing flow according to the present embodiment.

【図21】本実施例のシミュレーション処理フローを説
明する図である。
FIG. 21 is a diagram illustrating a simulation processing flow according to the present embodiment.

【図22】本実施例のシミュレーション処理フローを説
明する図である。
FIG. 22 is a diagram illustrating a simulation processing flow according to the present embodiment.

【図23】本実施例のシミュレーション処理フローを説
明する図である。
FIG. 23 is a diagram illustrating a simulation processing flow according to the present embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 物体1 2 物体2 3 球1 4 球2 5 x軸 6 y軸 7 z軸 8 直方体 9 球 10 基本直交座標軸 P 衝突位置 N 衝突方向 F 衝突時に発生する力積 O1 ,O2 各物体の重心位置 R1 ,R2 各物体の重心に対する衝突位置 M1 ,M2 各物体の質量 [I1 ],[I2 ] 各物体の慣性モーメントを表す行
列 [S1 ],[S2 ] 各物体の傾きを表す行列 L1 ,L2 各球の半径、 Lx ,Ly ,Lz 直方体の各辺の長さ、 V1 ,V2 衝突前の各物体の速度、 W1 ,W2 衝突前の各物体の角速度 F1 ,F2 衝突時に発生する各物体に対する力積 V'1,V'2 衝突後の各物体の速度 W'1,W'2 衝突後の各物体の角速度 μ 摩擦係数 ε 反発係数。
Reference Signs List 1 object 1 2 object 2 3 sphere 1 4 sphere 2 5 x axis 6 y axis 7 z axis 8 rectangular parallelepiped 9 sphere 10 basic orthogonal coordinate axis P collision position N collision direction F impulse generated at the collision O1, O2 The center of gravity of each object R1, R2 Collision position of each object with respect to the center of gravity M1, M2 Mass of each object [I1], [I2] Matrix [S1], [S2] representing moment of inertia of each object Matrix L1, L2 representing inclination of each object Radius of sphere, Lx, Ly, Lz Length of each side of rectangular parallelepiped, V1, V2 Velocity of each object before collision, W1, W2 Angular velocity of each object before collision F1, F2 Impulse for each object generated at collision V'1, V'2 Velocity of each object after collision W'1, W'2 Angular velocity of each object after collision μ Friction coefficient ε Restitution coefficient.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平2−61773(JP,A) 特開 平5−35846(JP,A) 特開 平3−11668(JP,A) 特開 平4−181363(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G06T 13/00 G06T 15/70 G06F 19/00 G06F 17/50 G09B 23/10 CSDB(日本国特許庁)────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) References JP-A-2-61773 (JP, A) JP-A-5-35846 (JP, A) JP-A-3-11668 (JP, A) JP-A-4-167 181363 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) G06T 13/00 G06T 15/70 G06F 19/00 G06F 17/50 G09B 23/10 CSDB (Japan Patent Office)

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 仮想3次元空間における仮想物体同士の
衝突をシミュレーションする方法であって、 仮想物体の特性データと衝突時の仮想物体の状態データ
に基づいて、衝突後の前記仮想物体の状態データを計算
する計算工程と、 前記衝突後の前記仮想物体の状態データに基づき、前記
衝突後の前記仮想物体の状態を表示する表示工程とを備
前記計算工程における仮想物体間の反発係数と摩擦係数
の少なくともいずれかが0、1以外の場合は、反発係数
及び摩擦係数が0と1の場合における力積を用いた補間
により衝突後の状態データを計算する ことを特徴とする
仮想3次元シミュレーション方法。
1. A method of simulating a collision between virtual objects in a virtual three-dimensional space, the method comprising: calculating state data of the virtual object after the collision based on characteristic data of the virtual object and state data of the virtual object at the time of the collision. a calculation step of calculating a Bei and a display step of the above based on the state data of the virtual object after the collision, to display the status of the virtual object after the collision
The coefficient of restitution and coefficient of friction between virtual objects in the calculation step
If at least one of is not 0 or 1, the coefficient of restitution
Using impulse when friction coefficient is 0 and 1
A virtual three-dimensional simulation method, wherein state data after a collision is calculated by the following method.
【請求項2】 前記衝突時の仮想物体の状態データは、
運動位置、または傾き、または運動速度、または回転運
動角速度、または衝突方向を備えることを特徴とする請
求項1に記載の仮想3次元衝突シミュレーション方法。
2. The state data of the virtual object at the time of the collision,
The virtual three-dimensional collision simulation method according to claim 1, further comprising a movement position, a tilt, a movement speed, a rotational movement angular velocity, or a collision direction.
【請求項3】 前記反発係数及び前記摩擦係数は、0か
ら1の範囲で設定されることを特徴とする請求項1また
は2に記載の仮想3次元衝突シミュレーション方法。
3. The system according to claim 2, wherein the coefficient of restitution and the coefficient of friction are zero.
Claim 1 or Claim 2 characterized by being set in the range of
Is a virtual three-dimensional collision simulation method according to 2.
【請求項4】 仮想3次元空間における仮想物体同士の
衝突をシミュレーションする装置であって、 仮想物体の特性データと衝突時の仮想物体の状態データ
に基づいて、衝突後の前記仮想物体の状態を計算する計
算手段と、 前記衝突後の前記仮想物体の状態データに基づき、前記
衝突後の前記仮想物体の状態を表示する表示手段とを備
前記計算手段における仮想物体間の反発係数と摩擦係数
の少なくともいずれかが0、1以外の場合は、反発係数
及び摩擦係数が0と1の場合における力積を用いた補間
により衝突後の状態データを計算する ことを特徴とする
仮想3次元シミュレーション装置。
4. An apparatus for simulating a collision between virtual objects in a virtual three-dimensional space, wherein a state of the virtual object after the collision is determined based on characteristic data of the virtual object and state data of the virtual object at the time of the collision. Bei and calculating calculating means, based on the state data of the virtual object after the collision, and display means for displaying the status of the virtual object after the collision
The coefficient of restitution and coefficient of friction between virtual objects in the calculation means
If at least one of is not 0 or 1, the coefficient of restitution
Using impulse when friction coefficient is 0 and 1
A virtual three-dimensional simulation apparatus, which calculates post-collision state data according to:
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