[發明專利]一種基于Vega和RTW的光電經緯儀實時可視化仿真平臺

有效

• 申請號: 201210083701.7
• 申請日: 2012-03-27
• 公開（公告）號: CN102608922A
• 公開（公告）日: 2012-07-25
• 發明（設計）人: 熊帥;付承毓;唐濤;劉興法
• 申請（專利權）人: 中國科學院光電技術研究所
• 主分類號: G05B17/02
• 分類號: G05B17/02
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 許玉明;賈玉忠

技術領域

本發明屬于虛擬現實和系統仿真領域，涉及在對光電經緯儀進行系統仿真時如何對其工作過程進行實時可視化仿真，以達到在不接入實際系統的情況下就能訓練操作手并能為實際系統的分析與設計提供一個仿真的平臺的目的。

背景技術

光電經緯儀可以對目標進行探測、捕獲和跟蹤，在很多領域應用廣泛。利用虛擬現實及系統仿真技術對光電經緯儀的工作過程進行可視化仿真，主要是要渲染出符合其工作過程的虛擬場景，包括目標、背景、地形等的顯示等，且對虛擬場景的控制要符合其跟蹤控制系統特性。目前，對光電經緯儀的仿真包括可視化仿真和非可視化仿真。其中，可視化仿真分為全虛擬仿真和半實物仿真，首先都是通過相關三維視景軟件渲染出目標在背景中運動的畫面(如飛機飛過天空)，全虛擬仿真根據經緯儀的理論跟蹤情況對場景進行控制，模擬經緯儀跟蹤目標的情形。半實物仿真則是在仿真中接入實際系統，讓操作手將此虛擬場景作為實際場景，操作實際系統對其中的目標進行跟蹤。全虛擬仿真多用于經緯儀功能演示，實用價值不是很大；半實物仿真多用于操作手訓練，但其不足之處在于：一是仿真中需接入實際系統，代價比較高昂；二是只仿真出了虛擬場景，缺少對實際系統跟蹤特性的模擬，因而達不到系統仿真的目的。對光電經緯儀的非可視化仿真多為模型數值仿真，一般是通過Matlab/Simulink建立其系統各個部分的數學模型，通過數值運算的方法對系統的特性進行分析和設計，仿真的精確度取決于模型的建立，這種方法廣泛應用于系統分析和設計，唯一的缺點是缺少視覺效果。

Vega是美國MultiGen-Paradigm公司專門針對可視化仿真行業應用特點開發的實時可視化三維視景仿真軟件系統。它最基本的功能是驅動、控制、管理虛擬場景并支持快速復雜的視覺仿真系統，快速創建各種實時交互的三維環境和虛擬現實系統。

RTW是Matlab/Simulink的一個重要的補充功能模塊，利用它可以直接由Simulink模型自動生成對應的代碼，從而可以得到模型的仿真解算模塊。實際應用表明，調用此仿真解算模塊得到的輸出與在Matlab/Simulink環境下直接運行模型得到的輸出是一致的。

發明內容

本發明要解決的技術問題是：針對現有光電經緯儀仿真平臺的不足，設計一種基于Vega和RTW的光電經緯儀實時可視化仿真平臺。該平臺利用Vega完成對虛擬場景的實時渲染顯示，包括目標及背景等；利用現代GPU(圖形處理單元)強大的圖形能力及可編程性，通過GPU編程編寫著色器在場景渲染過程中實時加入經緯儀仿真所必需的一些圖像效果；建立光電經緯儀跟蹤控制系統Simulink模型，并通過RTW生成其仿真解算模塊供視景仿真模塊調用；與實際系統一致的操控臺通過串口與主控計算機相連，手動跟蹤時，用操控臺的操作桿信號來驅動場景中視點的朝向進行跟蹤，自動跟蹤時，仿真單元通過經緯儀成像跟蹤算法或者Vega的API(應用程序接口)獲得虛擬場景中目標的脫靶量等信息，并將此信息傳遞給模型仿真解算模塊，得到符合經緯儀跟蹤控制系統特性的跟蹤狀態，用此狀態來進行跟蹤模擬。

本發明的技術解決方案是：一種基于Vega和RTW的光電經緯儀實時可視化仿真平臺，其特征在于包括以下步驟：

(1)首先為仿真平臺建立硬件結構，包括一臺配備可編程GPU的主控計算機，兩臺顯示器，與實際系統功能相一致的操控臺，包括相關按鈕和操縱桿，以及鼠標和鍵盤，操控臺信號通過串口傳遞給計算機；

(2)建立平臺仿真單元，其功能主要包括：產生用戶操作界面，顯示各項狀態及數據；開啟Vega線程渲染虛擬場景，通過Vega?API及OpenGL對場景進行控制；通過GPU編程編寫的著色器在場景渲染時實時添加仿真所需要的一些圖像效果；通過串口讀取操控臺按鈕及操縱桿信號；

(3)建立光電經緯儀跟蹤控制系統Matlab/Simulink模型，并通過RTW由此模型生成其實時仿真解算模塊，各種系統參數可在模塊運行時實時調整；

(4)仿真單元開啟的Vega線程實現對虛擬場景的實時渲染和控制，其功能是根據諸多因素利用Vega?API及OpenGL渲染出相應的場景，這些因素包括：選擇的目標、背景及地形的種類及相關參數；目標的位置和姿態；視點的位置和姿態；視場的大小等；

(5)通過GPU編程編寫著色器為場景實時添加仿真所需的一些圖像效果，包括灰度場景、噪聲、模糊效果等；