一种基于Vega和RTW的光电经纬仪实时可视化仿真平台

摘要

一种基于Vega和RTW的光电经纬仪实时可视化仿真平台：实时渲染经纬仪虚拟场景；使用通过GPU编程编写的着色器向场景实时添加所需要的图像效果；建立经纬仪跟踪控制系统的Simulink模型并通过RTW生成其实时仿真解算模块；仿真单元调用此仿真模块驱动场景完成对经纬仪的仿真。本发明结合了可视化仿真和模型数值仿真的方法，用Vega进行视景驱动，用着色器添加图像效果，用RTW从Simulink模型生成其仿真解算模块，很好地满足了实时性的要求；相比一般的半实物仿真平台，不需接入实际系统也能达到训练操作手的目的，同时对经纬仪跟踪控制系统进行了仿真，可以为实际系统的分析与设计提供仿真平台。

权利要求

1.一种基于Vega和RTW的光电经纬仪实时可视化仿真平台，其特征在于包括以下步骤：

（1）首先为仿真平台建立硬件结构，包括一台配备可编程GPU的主控计算机，两台显示器，与实际系统功能相一致的操控台,包括相关按钮和操纵杆，以及鼠标和键盘，操控台信号通过串口传递给计算机；

（2）建立平台仿真单元，其功能主要包括：产生用户操作界面，显示各项状态及数据；

开启Vega线程渲染虚拟场景，通过Vega API及OpenGL对场景进行控制；通过GPU编程编写的着色器在场景渲染时实时添加仿真所需要的一些图像效果；通过串口读取操控台按钮及操纵杆信号；

（3）建立光电经纬仪跟踪控制系统Matlab/Simulink模型，并通过RTW由此模型生成其实时仿真解算模块，各种系统参数能够在模块运行时实时调整；

（4）仿真单元开启的Vega线程实现对虚拟场景的实时渲染和控制，其功能是根据诸多因素利用Vega API及OpenGL渲染出相应的场景，这些因素包括：选择的目标、背景及地形的种类及相关参数；目标的位置和姿态；视点的位置和姿态；视场的大小；

（5）通过GPU编程编写着色器为场景实时添加仿真所需的一些图像效果，包括灰度场景、噪声、模糊效果；

（6）仿真单元刚开启时处于手动跟踪模式，仿真单元通过串口读取操控台数据，操作手拉动操纵杆驱动虚拟场景中视点的朝向，使得场景中目标尽量靠近视场中心，之后按下相关按钮切换到经纬仪跟踪模式，这一过程能够用于操作手训练；

（7）进入经纬仪跟踪模式后，仿真单元不再通过操控台信号驱动场景视点，而是通过调用步骤（3）中所生成的经纬仪跟踪控制系统Matlab/Simulink模型的仿真解算模块，具体做法为：在当前帧，仿真单元通过经纬仪成像跟踪算法或Vega API获得场景中目标的脱靶量信息，传递给仿真解算模块进行解算得到经纬仪跟踪控制系统的输出，此输出即为经纬仪视轴姿态，能够用于下一帧场景中视点姿态的设置，重复此过程从而模拟出符合实际光电经纬仪跟踪控制系统特性的工作过程。

2.根据权利要求1所述的一种基于Vega和RTW的光电经纬仪实时可视化仿真平台，其特征在于：所述步骤（3）中建立的跟踪控制系统Matlab/Simulink模型包括粗跟踪控制系统模型、精跟踪控制系统模型以及复合轴跟踪控制系统模型。

说明书

一种基于Vega和RTW的光电经纬仪实时可视化仿真平台

技术领域

[0001] 本发明属于虚拟现实和系统仿真领域，涉及在对光电经纬仪进行系统仿真时如何对其工作过程进行实时可视化仿真，以达到在不接入实际系统的情况下就能训练操作手并能为实际系统的分析与设计提供一个仿真的平台的目的。

背景技术

[0002] 光电经纬仪可以对目标进行探测、捕获和跟踪，在很多领域应用广泛。利用虚拟现实及系统仿真技术对光电经纬仪的工作过程进行可视化仿真，主要是要渲染出符合其工作过程的虚拟场景，包括目标、背景、地形等的显示等，且对虚拟场景的控制要符合其跟踪控制系统特性。目前，对光电经纬仪的仿真包括可视化仿真和非可视化仿真。其中，可视化仿真分为全虚拟仿真和半实物仿真，首先都是通过相关三维视景软件渲染出目标在背景中运动的画面(如飞机飞过天空)，全虚拟仿真根据经纬仪的理论跟踪情况对场景进行控制，模拟经纬仪跟踪目标的情形。半实物仿真则是在仿真中接入实际系统，让操作手将此虚拟场景作为实际场景，操作实际系统对其中的目标进行跟踪。全虚拟仿真多用于经纬仪功能演示，实用价值不是很大；半实物仿真多用于操作手训练，但其不足之处在于：一是仿真中需接入实际系统，代价比较高昂；二是只仿真出了虚拟场景，缺少对实际系统跟踪特性的模拟，因而达不到系统仿真的目的。对光电经纬仪的非可视化仿真多为模型数值仿真，一般是通过Matlab/Simulink建立其系统各个部分的数学模型，通过数值运算的方法对系统的特性进行分析和设计，仿真的精确度取决于模型的建立，这种方法广泛应用于系统分析和设计，唯一的缺点是缺少视觉效果。

[0003] Vega是美国MultiGen-Paradigm公司专门针对可视化仿真行业应用特点开发的实时可视化三维视景仿真软件系统。它最基本的功能是驱动、控制、管理虚拟场景并支持快速复杂的视觉仿真系统，快速创建各种实时交互的三维环境和虚拟现实系统。

[0004] RTW是Matlab/Simulink的一个重要的补充功能模块，利用它可以直接由Simulink模型自动生成对应的代码，从而可以得到模型的仿真解算模块。实际应用表明，调用此仿真解算模块得到的输出与在Matlab/Simulink环境下直接运行模型得到的输出是一致的。

发明内容

[0005] 本发明要解决的技术问题是：针对现有光电经纬仪仿真平台的不足，设计一种基于Vega和RTW的光电经纬仪实时可视化仿真平台。该平台利用Vega完成对虚拟场景的实时渲染显示，包括目标及背景等；利用现代GPU(图形处理单元)强大的图形能力及可编程性，通过GPU编程编写着色器在场景渲染过程中实时加入经纬仪仿真所必需的一些图像效果；建立光电经纬仪跟踪控制系统Simulink模型，并通过RTW生成其仿真解算模块供视景仿真模块调用；与实际系统一致的操控台通过串口与主控计算机相连，手动跟踪时，用操控台的操作杆信号来驱动场景中视点的朝向进行跟踪，自动跟踪时，仿真单元通过经纬仪成像跟踪算法或者Vega的API(应用程序接口)获得虚拟场景中目标的脱靶量等信息，并将此信息传递给模型仿真解算模块，得到符合经纬仪跟踪控制系统特性的跟踪状态，用此状态来进行跟踪模拟。

[0006] 本发明的技术解决方案是：一种基于Vega和RTW的光电经纬仪实时可视化仿真平台，其特征在于包括以下步骤：

[0007] (1)首先为仿真平台建立硬件结构，包括一台配备可编程GPU的主控计算机，两台显示器，与实际系统功能相一致的操控台，包括相关按钮和操纵杆，以及鼠标和键盘，操控台信号通过串口传递给计算机；

[0008] (2)建立平台仿真单元，其功能主要包括：产生用户操作界面，显示各项状态及数据；开启Vega线程渲染虚拟场景，通过Vega API及OpenGL对场景进行控制；通过GPU编程编写的着色器在场景渲染时实时添加仿真所需要的一些图像效果；通过串口读取操控台按钮及操纵杆信号；

[0009] (3)建立光电经纬仪跟踪控制系统Matlab/Simulink模型，并通过RTW由此模型生成其实时仿真解算模块，各种系统参数可在模块运行时实时调整；

[0010] (4)仿真单元开启的Vega线程实现对虚拟场景的实时渲染和控制，其功能是根据诸多因素利用Vega API及OpenGL渲染出相应的场景，这些因素包括：选择的目标、背景及地形的种类及相关参数；目标的位置和姿态；视点的位置和姿态；视场的大小等；

[0011] (5)通过GPU编程编写着色器为场景实时添加仿真所需的一些图像效果，包括灰度场景、噪声、模糊效果等；

[0012] (6)仿真单元刚开启时处于手动跟踪模式，仿真单元通过串口读取操控台数据，操作手拉动操纵杆驱动虚拟场景中视点的朝向，使得场景中目标尽量靠近视场中心，之后按下相关按钮切换到经纬仪跟踪模式，这一过程可用于操作手训练；

[0013] (7)进入经纬仪跟踪模式后，仿真单元不再通过操控台信号驱动场景视点，而是通过调用步骤(3)中所生成的经纬仪跟踪控制系统Matlab/Simulink模型的仿真解算模块，具体做法为：在当前帧，仿真单元通过经纬仪成像跟踪算法或Vega API获得场景中目标的脱靶量信息，传递给仿真解算模块进行解算得到经纬仪跟踪控制系统的输出，此输出即为经纬仪视轴姿态，可用于下一帧场景中视点姿态的设置，重复此过程从而模拟出符合实际光电经纬仪跟踪控制系统特性的工作过程。

[0014] 所述步骤(3)中建立的跟踪控制系统Matlab/Simulink模型包括粗跟踪控制系统模型、精跟踪控制系统模型以及复合轴跟踪控制系统模型等。

[0015] 本发明与现有技术相比具有如下优点：

[0016] 1、本发明用Vega进行视景驱动，利用现代GPU的可编程性和强大的图形能力用着色器来实时添加仿真所需的图像效果，用RTW从跟踪控制系统Simulink模型生成其实时仿真解算模块，满足了视景仿真实时性的要求。

[0017] 2、本发明结合了可视化仿真和模型数值仿真的方法，不需要接入实际的光电系统，只需接入操控台，可以作为操作手训练平台使用；且对跟踪控制系统进行了仿真，参数可实时调整，可以为实际系统的分析与设计提供仿真平台。

附图说明

[0018] 图1为本发明的一种可行的硬件平台结构图；

[0019] 图2为本发明的系统组成框图。

具体实施方式

[0020] 以下结合附图说明本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例，该领域的技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。

[0021] 本发明的一种可行的硬件平台如图1所示，由操控台、一台两显示器的并搭配有可编程GPU的计算机(一台显示器用于显示用户操作界面，一台用于显示虚拟场景)及其它一些辅助设备(键鼠及音响等)组成，其中操控台信号通过串口传递给计算机。硬件平台也可以是其它形式，只要能满足所需的功能即可。

[0022] 本发明用Vega进行视景驱动，用着色器实现实时图像效果，用RTW从经纬仪跟踪控制系统Simulink模型生成实时仿真解算模块，不需接入实际系统，其系统组成框图如图2所示。

[0023] 基于图1所示硬件平台的和图2所示的系统组成框图，本发明的具体实现如下：

[0024] (1)建立仿真单元，产生用户操作界面，操作界面包括各种参数的设置、工作模式的选择等；仿真单元的功能主要包括：读取由串口传递来的操控台信号并进行相应处理；响应用户在操作界面上所做的操作，即完成交互；开启Vega进程进行场景渲染，并通过Vega的API和OpenGL对场景中各元素进行控制，获取场景中目标的脱靶量等信息等；调用跟踪控制系统模型的仿真解算模块进行解算得到系统输出，并用于下一帧场景的渲染；利用GPU编程编写着色器为场景实时添加所需的图像效果；

[0025] (2)建立光电经纬仪踪控制系统Simulink模型，并利用RTW由此模型生成可用于实时仿真的代码，并由此代码编写其仿真解算模块，供仿真单元调用，各种系统参数可在模块运行时进行实时调整；

[0026] (3)用户利用操作界面进行初始配置，包括各种参数的设置，目标、背景、地形、工作模式、各种效果的选择等，配置好后开启Vega线程进行场景渲染；

[0027] (4)Vega线程中利用其API及OpenGL实现对场景中各元素的控制，如视场大小、目标和视点的位置姿态等的设置；

[0028] (5)当场景在帧缓存中绘制好后，启用着色器对场景进行处理以添加需要的图像效果，然后交换前后缓存，显示的就是具有所需图像效果的场景了；

[0029] (6)手动跟踪模式阶段，操作手操作操纵杆，仿真单元读取其数据以驱动虚拟场景中视点的姿态，模拟跟踪；

[0030] (7)经纬仪跟踪模式阶段，仿真单元通过经纬仪成像跟踪算法或Vega API获取当前帧场景中目标的脱靶量等信息，并传递给系统模型的仿真解算模块进行解算得到输出，此输出包含了经纬仪的视轴姿态，下一帧场景渲染时可用来对视点姿态进行设置。重复以上过程从而模拟出光电经纬仪的工作过程。