基于虛擬場(chǎng)景的捷聯(lián)圖像制導(dǎo)半實(shí)物仿真關(guān)鍵技術(shù)*

陶聲祥,王書宇,沈 歡

(解放軍炮兵學(xué)院,合肥 230031)

0 引言

捷聯(lián)圖像制導(dǎo)是將成像導(dǎo)引頭直接與彈體剛性捷聯(lián),通過CCD獲取前方目標(biāo)場(chǎng)景,由無線電傳回遙控中心并在其視頻圖像中找到目標(biāo),計(jì)算出偏差量輸出導(dǎo)引指令給導(dǎo)引頭,再通過彈上控制系統(tǒng)調(diào)整舵機(jī)偏轉(zhuǎn)進(jìn)行目標(biāo)修正,最終準(zhǔn)確命中目標(biāo)[1]。

文中介紹的基于虛擬場(chǎng)景的捷聯(lián)圖像制導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng)是將導(dǎo)引頭實(shí)物和遙控中心引入回路,創(chuàng)建一個(gè)接近真實(shí)飛行場(chǎng)景的仿真平臺(tái)。該仿真平臺(tái)不僅能為測(cè)試、改進(jìn)導(dǎo)引頭和目標(biāo)識(shí)別與跟蹤算法提供試驗(yàn)條件,并能同步顯示出彈丸的實(shí)時(shí)受控飛行彈道和相關(guān)數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

基于虛擬場(chǎng)景的捷聯(lián)圖像制導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng)是由虛擬場(chǎng)景生成系統(tǒng)、仿真控制工作站、多通道投影系統(tǒng)、遙控中心、三軸轉(zhuǎn)臺(tái)和導(dǎo)引頭組成,如圖1所示。

圖1 基于虛擬場(chǎng)景的捷聯(lián)圖像制導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng)框圖

工作原理:虛擬彈丸開始制導(dǎo)時(shí),先由仿真控制軟件將彈丸的當(dāng)前位置和姿態(tài)傳給虛擬場(chǎng)景生成系統(tǒng),分別產(chǎn)生彈丸飛行和目標(biāo)仿真場(chǎng)景,由多通道投影系統(tǒng)分別投影到一個(gè)寬屏和一個(gè)大屏幕上;捷聯(lián)圖像制導(dǎo)導(dǎo)引頭從大屏幕上獲取目標(biāo)視頻圖像,傳給遙控中心,遙控中心根據(jù)目標(biāo)識(shí)別與跟蹤算法,結(jié)合外彈道控制模型,計(jì)算出制導(dǎo)指令并傳給仿真控制工作站和導(dǎo)引頭;仿真控制系統(tǒng)通過內(nèi)置的制導(dǎo)彈動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)等數(shù)學(xué)模型解算出彈體在下一時(shí)刻的空間位置和姿態(tài)角,并將這些參數(shù)傳給虛擬場(chǎng)景生成系統(tǒng),重繪并刷新這兩個(gè)場(chǎng)景,同時(shí)將彈體姿態(tài)角傳給三軸轉(zhuǎn)臺(tái),通過伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)引頭的姿態(tài)變化,完成遙控中心對(duì)制導(dǎo)彈的一次控制工作過程,再獲取下一幀視頻圖像,繼續(xù)控制,如此反復(fù),直至結(jié)束。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)

2.1 虛擬場(chǎng)景生成系統(tǒng)

系統(tǒng)硬件如圖2所示,由多臺(tái)圖形工作站和光纖網(wǎng)組成。系統(tǒng)軟件由仿真引擎、場(chǎng)景配置模塊、場(chǎng)景和模型庫(kù)組成,采用分布式多通道渲染。仿真引擎由Vega Prime 2.01[2]和OpenGL混合編程實(shí)現(xiàn)。場(chǎng)景配置模塊可根據(jù)需求選擇不同的場(chǎng)景,場(chǎng)景使用Creator建模(內(nèi)建丘陵、平原、海面等三維廣域地形;制導(dǎo)彈三維模型;坦克、裝甲車等軍事目標(biāo)模型以及模擬雨、雪、霧天氣等)。該系統(tǒng)內(nèi)建3個(gè)獨(dú)立輸出通道(通道1～3)。通道1、2中視點(diǎn)位置重合,沿觀察方向拼接顯示彈丸飛行場(chǎng)景,在通道中通過場(chǎng)景疊加繪制彈道、各類輔助線和飛行參數(shù)等;通道3中視點(diǎn)設(shè)定在虛擬導(dǎo)引頭處,觀察方向與彈體中軸線重合,用于輸出目標(biāo)仿真場(chǎng)景。如何進(jìn)行場(chǎng)景疊加和配置是兩個(gè)最難解決的問題。

圖2 分布式渲染硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.1.1 場(chǎng)景疊加

彈丸飛行場(chǎng)景中需要疊加繪制各類輔助線和漢字,由于VP提供的疊加功能有限,如疊加字符功能僅限英文字符[3],而不能疊加漢字。其解決方案是在VP中嵌入OpenGL代碼來實(shí)現(xiàn)靈活多變的疊加繪制。具體做法是聲明一個(gè)類,繼承vsChannel類中的Subscriber,重載notify函數(shù)。在重載函數(shù)的實(shí)現(xiàn)過程中加入需要繪制的OpenGL的代碼,實(shí)現(xiàn)各類輔助線和漢字的疊加繪制。關(guān)鍵代碼如下所示:

class CVPChannelSubscriber∶public vsChannel∶∶Subscriber

{

virtual void notify(vsChannel∶∶Event event,

const vsChannel*channel,vrDrawContext

*context)

{

MyCode();//這里添加OpenGL代碼

}

}

由于VP中默認(rèn)視線是沿著y軸,而OpenGL中默認(rèn)視線是沿著z軸,因此還需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換將兩者的視線方向統(tǒng)一起來。

2.1.2 場(chǎng)景配置模塊設(shè)計(jì)

場(chǎng)景配置模塊用于選擇不同的場(chǎng)景(如地形、目標(biāo)類型、目標(biāo)位置及運(yùn)動(dòng)方式、天氣、觀察視點(diǎn)的位置和角度等)。通常做法是在文件中進(jìn)行配置,缺點(diǎn)是不直觀。該系統(tǒng)按照“所見即所得”的原則,為用戶提供了一個(gè)方便快捷的配置界面。

圖3 內(nèi)存映射文件中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

受到 VP本身功能限制,配置界面無法由VP進(jìn)程產(chǎn)生,為此把場(chǎng)景配置模塊設(shè)計(jì)成一個(gè)單獨(dú)的MFC窗口程序,由它啟動(dòng)VP進(jìn)程,并完成用戶操作。這種方案的難點(diǎn)在于這兩個(gè)進(jìn)程之間需要進(jìn)行快速有效的通信和數(shù)據(jù)交換,綜合考慮實(shí)現(xiàn)的快捷性和通信性能,采用共享內(nèi)存映射文件的方式。

內(nèi)存映射文件中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖 3所示,由MFC進(jìn)程與VP進(jìn)程共享。系統(tǒng)中的VP進(jìn)程是一個(gè)控制臺(tái)程序,不能通過消息響應(yīng)機(jī)制與MFC進(jìn)程交互。為此,在VP進(jìn)程中創(chuàng)建一個(gè)數(shù)據(jù)隊(duì)列,啟動(dòng)一個(gè)單獨(dú)的線程,不斷的讀取該內(nèi)存映射文件并檢測(cè)是否有操作消息。若有,則將共享數(shù)據(jù)放入數(shù)據(jù)隊(duì)列中,同時(shí)渲染主循環(huán)不斷的從隊(duì)列中取數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,完成操作。另外,由于MFC進(jìn)程是一個(gè)獨(dú)立的窗口應(yīng)用程序,它本身具有接收消息的功能,只需向其發(fā)送Windows消息即可。

2.2 彈-目相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算

圖4 導(dǎo)引頭-目標(biāo)場(chǎng)景相互關(guān)系圖

如圖4所示,當(dāng)導(dǎo)引頭偏轉(zhuǎn)一定角度時(shí),其光學(xué)中心延長(zhǎng)線與大屏幕投影幕交于A點(diǎn),以自身最大視場(chǎng)角建立觀察體,觀察體在大屏幕上形成攝像區(qū)V3。VP中指定的虛擬視點(diǎn)等同于導(dǎo)引頭的光學(xué)中心,虛擬視點(diǎn)的偏轉(zhuǎn)角應(yīng)隨時(shí)與導(dǎo)引頭保持一致,則由視點(diǎn)生成的虛擬場(chǎng)景V1在大屏幕上的投影中心與A點(diǎn)重合。假設(shè)全部投影出來,則為虛擬投影區(qū),其中兩邊與大屏幕邊緣重合。由于只能在大屏幕上投影,所以要對(duì)V1進(jìn)行裁剪,將裁剪后的場(chǎng)景V2投影在大屏幕上[4]。為實(shí)現(xiàn)上述目的,必須計(jì)算虛擬場(chǎng)景的裁剪比例和虛擬視點(diǎn)的視場(chǎng)角。

2.2.1 計(jì)算虛擬場(chǎng)景的裁剪比例

記V1的長(zhǎng)與高分別為L(zhǎng)1、H1;V2的長(zhǎng)與高分別為L(zhǎng)2、H2,則裁剪比例如下:

2.2.2 計(jì)算虛擬視點(diǎn)的視場(chǎng)角

記虛擬視點(diǎn)的水平、垂直視場(chǎng)角分別為α′和β′;導(dǎo)引頭水平、垂直視場(chǎng)角分別為θ和γ;f為大屏幕的水平分辨率,d′為VP中虛擬視點(diǎn)沿觀察方向與地面之間的距離;W1、W2分別為V1和V3的水平長(zhǎng)度(像素),則有:

2.3 系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)同步

為實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊,在每個(gè)主機(jī)上插入VMIC反射內(nèi)存卡,通過光纖連成一個(gè)星形VMIC反射內(nèi)存實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)[5],以確保整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。由仿真控制工作站控制各分系統(tǒng)之間的協(xié)同同步,使用CPU時(shí)間戳和多線程技術(shù),完成高精度計(jì)時(shí)器,可達(dá)到納秒級(jí)的計(jì)時(shí)精度。

系統(tǒng)可根據(jù)不同類型的制導(dǎo)彈選擇相應(yīng)的外彈道迭代算法,以迭代時(shí)間步長(zhǎng)作為仿真步長(zhǎng),發(fā)送控制指令進(jìn)行協(xié)調(diào)同步。

3 總結(jié)

文中主要討論研究了基于虛擬場(chǎng)景的圖像制導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù),并提出了相應(yīng)的解決方案,本系統(tǒng)已成功應(yīng)用于某型捷聯(lián)電視制導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的半實(shí)物仿真試驗(yàn)中,取得了令人滿意的效果。

[1]黃世奇,禹春來,劉代志,等.成像精確制導(dǎo)技術(shù)分析研究[J].導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù),2005(5):20-25.

[2]王乘,李利軍,周均清,等.Vega實(shí)時(shí)三維視景仿真技術(shù)[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2005.

[3]MultiGen-Paradigm Inc.MultiGen-Paradigm Inc Vega Prime Programmer's Guide Ver 2.0[M].2005.

[4]呂品,張金芳.分布式仿真系統(tǒng)的多通道視景生成[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2007,19(6):1291-1295.

[5]高立娥,康鳳舉,王彥愷.一種基于反射內(nèi)存實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)的半實(shí)物仿真系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)仿真,2004,22(3):29-32.