專(zhuān)利名稱(chēng)：基于分布式架構(gòu)的臨近空間飛行器視景仿真方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于飛行模擬技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于分布式架構(gòu)的臨近空間飛行器視景仿真方法。
背景技術(shù)：
臨近空間飛行器飛行速度通常大于5倍聲速，且飛行覆蓋范圍廣，飛行環(huán)境復(fù)雜， 任何較小的擾動(dòng)都能對(duì)其控制性能造成較大的影響。傳統(tǒng)的數(shù)字仿真提供的仿真數(shù)據(jù)和曲線(xiàn)不足以全面直觀的反映臨近空間飛行器的飛行狀態(tài)特點(diǎn)和控制性能優(yōu)劣。因此，采用分布式實(shí)時(shí)仿真架構(gòu)充分驗(yàn)證飛行器控制性能和實(shí)時(shí)性能，使用可視化仿真技術(shù)逼真的顯示實(shí)時(shí)仿真控制效果，在臨近空間飛行器的仿真領(lǐng)域具有十分重要的作用和意義。分布式仿真用于驗(yàn)證控制系統(tǒng)各分系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性、時(shí)序正確性，常用的解決方案包括dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)和xPC Target實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)兩種。dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可靠性高，但是全部用dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)搭建平臺(tái)造價(jià)太高，且不易于硬件的升級(jí)替換。xPC Target實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)采用x86架構(gòu)的計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，成本較低且易于擴(kuò)展豐富的I/O接口，同時(shí)，Matlab提供的以太網(wǎng)通信工具箱也方便搭建實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通信，但是其實(shí)時(shí)性能低于dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，不適宜高精度仿真。因此，采用dSPACE 實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)與xPC Target實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)相結(jié)合的方式進(jìn)行分布式仿真系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，可以充分利用兩者的優(yōu)勢(shì)，快速搭建分布式仿真架構(gòu)。視景仿真主要包括建模和模型驅(qū)動(dòng)兩個(gè)方面，有關(guān)視景仿真方面的研究，目前主要開(kāi)發(fā)途徑有三種方式底層開(kāi)發(fā)、上層開(kāi)發(fā)和交互開(kāi)發(fā)。第一種，底層開(kāi)發(fā)即通過(guò)底層的函數(shù)庫(kù)(OpenGL或者Direct3D)完成，開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，開(kāi)發(fā)方式自由；第二種，上層開(kāi)發(fā)是利用商業(yè)軟件完成，常見(jiàn)的是Creator/Vega，其中Creator完成建模，Vega完成模型驅(qū)動(dòng)，受限于商業(yè)軟件，底層進(jìn)行封裝，某些功能不能實(shí)現(xiàn)；第三種，交互開(kāi)發(fā)是利用軟件完成建模，通過(guò)接口導(dǎo)入到底層函數(shù)庫(kù)中驅(qū)動(dòng)，常見(jiàn)的是在3DMAX中完成建模，在OpenGL中進(jìn)行模型驅(qū)動(dòng)，結(jié)合了第一、二種方式的優(yōu)點(diǎn)，但是建立模型需要專(zhuān)業(yè)技能。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，解決分布式仿真開(kāi)發(fā)成本高周期長(zhǎng)，以及傳統(tǒng)視景仿真建模緩慢和對(duì)用戶(hù)建模技術(shù)要求較高的缺點(diǎn)，提供一種有效的分布式仿真架構(gòu)和實(shí)時(shí)視景仿真相結(jié)合的仿真方法，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，基于分布式架構(gòu)的臨近空間飛行器視景仿真方法所述方法借助于下列三部分裝置實(shí)現(xiàn)仿真專(zhuān)用的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)以太網(wǎng)絡(luò)， 監(jiān)控和視景傳輸專(zhuān)用的以太網(wǎng)絡(luò)，以及基于光纖的dSPACE監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)；仿真專(zhuān)用的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)以太網(wǎng)絡(luò)，具體組成為(1) dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)是由德國(guó)dSPACE公司開(kāi)發(fā)的一套基于MATLAB/ Simulink的控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及半實(shí)物仿真的軟硬件工作平臺(tái)，本發(fā)明采用的dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)配備有兩塊DS1005處理器，負(fù)責(zé)運(yùn)行臨近空間飛行器的飛行器模型和控制方法；
(2)xPC Target實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，xPC Target是一種高性能的主機(jī)-目標(biāo)機(jī)結(jié)構(gòu)原型環(huán)境，負(fù)責(zé)運(yùn)行臨近空間飛行器的飛行環(huán)境模擬模型和氣動(dòng)參數(shù)解算模型；監(jiān)控和視景傳輸專(zhuān)用的以太網(wǎng)絡(luò)，具體組成為(1)仿真監(jiān)控機(jī)，利用TCP/IP方式與xPC Target實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)仿真程序的編譯和下載，同時(shí)監(jiān)控實(shí)時(shí)仿真數(shù)據(jù)，通過(guò)UDP方式傳輸給視景仿真計(jì)算機(jī)；(2) xPC Target實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，通過(guò)該專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)接收仿真監(jiān)控機(jī)下載的仿真程序， 并在仿真中將實(shí)時(shí)仿真數(shù)據(jù)傳回宿主機(jī)監(jiān)控；(3)視景仿真計(jì)算機(jī)，通過(guò)UDP方式接收仿真監(jiān)控機(jī)發(fā)來(lái)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)視景仿真程序，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)視景仿真；基于光纖的dSPACE監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，具體組成為(1)仿真監(jiān)控機(jī)，配備有DS817高速串行通訊接口板，通過(guò)光纖與dSPACE實(shí)時(shí)仿真機(jī)的DS814高速串行通訊接口板進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)仿真程序的下載和仿真控制；(2) dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，配備有DS814高速串行通訊接口板，接收仿真監(jiān)控機(jī)的仿真控制指令，并上傳實(shí)時(shí)仿真數(shù)據(jù)；所述方法包括如下步驟分布式架構(gòu)的仿真通信步驟仿真程序基于Matlab/Simulink進(jìn)行開(kāi)發(fā)，分別利用xPCTarget模型庫(kù)中的UDP子庫(kù)和dSPACE公司提供的DS4504以太網(wǎng)實(shí)時(shí)接口庫(kù)RTI來(lái)實(shí)現(xiàn)xPCTarget實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)和dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的以太網(wǎng)通信，將仿真程序按功能劃分為四部分，分別為飛行器模型，控制方法，環(huán)境模擬模型和氣動(dòng)參數(shù)解算模塊，在每一部分仿真程序中添加UDP通信配置模塊，先設(shè)置好本地的IP地址和數(shù)據(jù)接收端口，在模塊的輸入端添加UDP接收模塊和解碼模塊，用于接收前一仿真節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的字節(jié)流數(shù)據(jù)，并利用解碼還原得到實(shí)際的仿真輸入?yún)?shù)數(shù)據(jù)類(lèi)型，再在模塊輸出端添加編碼模塊和UDP發(fā)送模塊，將計(jì)算后的仿真數(shù)據(jù)打包為字節(jié)流用于數(shù)據(jù)傳輸，最后，設(shè)置好下一仿真節(jié)點(diǎn)即接收端的IP地址和端口號(hào)，將各部分仿真程序下載到相應(yīng)的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)中，即完成了分布式架構(gòu)的仿真通信程序開(kāi)發(fā)；分布式架構(gòu)的仿真調(diào)度步驟分布式仿真架構(gòu)中采用dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)和xPC Target實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，在dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的仿真模塊中加入中斷模塊，利用dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)產(chǎn)生統(tǒng)一的仿真時(shí)序中斷觸發(fā)信號(hào)，充當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)度中心，而xPC Target 實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)均工作在中斷模式下，分布式仿真開(kāi)始后，dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)仿真周期先啟動(dòng)運(yùn)行，并產(chǎn)生中斷觸發(fā)信號(hào)，xPC Target實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)響應(yīng)中斷觸發(fā)信號(hào)，啟動(dòng)xPC Target實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)仿真周期，計(jì)算完成后產(chǎn)生中斷返回信號(hào)，進(jìn)入下一個(gè)dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)仿真周期，直到整個(gè)仿真過(guò)程結(jié)束；實(shí)時(shí)仿真數(shù)據(jù)以太網(wǎng)傳輸步驟，分布式仿真開(kāi)始后，仿真監(jiān)控機(jī)完成監(jiān)控應(yīng)用程序的初始化工作，創(chuàng)建SOCKET套接字，綁定UDP發(fā)送端口為視景仿真計(jì)算機(jī)，并發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求響應(yīng)，一旦視景計(jì)算機(jī)響應(yīng)請(qǐng)求建立連接，仿真監(jiān)控機(jī)即可啟動(dòng)分布式仿真，開(kāi)始實(shí)時(shí)監(jiān)控獲取來(lái)自dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)和xPC Target實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的仿真數(shù)據(jù)，并定時(shí)監(jiān)控仿真運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)UDP方式傳輸打包的仿真數(shù)據(jù)到視景仿真計(jì)算機(jī)，直到整個(gè)仿真過(guò)程結(jié)束；視景仿真步驟是在VC環(huán)境中，基于三維重建和OpenGL實(shí)現(xiàn)的，分為如下部分(1)三維重建在AUTOCAD軟件中建立飛行器的三視圖，保存為繪圖交換文件格式，并在VC 環(huán)境中建立相應(yīng)的接口，將三視圖的點(diǎn)、邊信息讀取到數(shù)組中保存；在三視圖中二維點(diǎn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)三視圖的“對(duì)應(yīng)原理”，即“長(zhǎng)對(duì)正，寬平齊，高相等”的特性，進(jìn)行點(diǎn)的重建，獲取飛行器模型三維點(diǎn)的信息；在三視圖中二維邊的基礎(chǔ)上，根據(jù)三視圖的“投影匹配性質(zhì)”，按照三維邊在三視圖中投影的特征，將三維邊分為七類(lèi)，并建立決策樹(shù).將三維邊分類(lèi)，并建立決策樹(shù)，完成線(xiàn)的重建具體步驟是，將前視圖、左視圖、俯視圖依次作為入口，以深度優(yōu)先方式遍歷決策樹(shù)，按照前視圖、俯視圖、左視圖的順序，判斷候選投影鏈接的兩個(gè)端點(diǎn)是否滿(mǎn)足對(duì)應(yīng)原理， 最終獲取匹配的邊線(xiàn)的類(lèi)型和坐標(biāo)參數(shù)；在上述所獲得的三維點(diǎn)、邊的基礎(chǔ)上，選擇相鄰的兩條邊，建立平面法線(xiàn)，根據(jù)深度優(yōu)先搜索，獲取平面內(nèi)的所有邊；然后，根據(jù)相關(guān)性質(zhì)去除平面內(nèi)的“偽邊”并獲取面的 “極大環(huán)”，保存到相應(yīng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，“極大環(huán)”即可描述一個(gè)平面；(2)三維顯示在VC環(huán)境中，通過(guò)OpenGL函數(shù)庫(kù)描繪飛行器的各三維平面，并通過(guò)貼圖提高顯示效果，增強(qiáng)真實(shí)性，通過(guò)顯示列表提高顯示效率；根據(jù)實(shí)時(shí)的六自由度飛行信息，通過(guò)X、Y、Z方向上的移動(dòng)和繞軸的轉(zhuǎn)動(dòng)完成對(duì)模型的驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)視景仿真；通過(guò)“球形法”建立天空大氣模型，基于粒子效果實(shí)現(xiàn)飛行器的尾焰，并添加定時(shí)器實(shí)現(xiàn)“幀同步”，在大氣環(huán)境中驅(qū)動(dòng)模型實(shí)時(shí)飛行，并添加不同的視角。建立決策樹(shù)步驟是，首先需要根據(jù)基三視圖的投影匹配性質(zhì)，結(jié)合邊在三視圖中的投影特征進(jìn)行分類(lèi)，直線(xiàn)邊可以分為七大類(lèi)L1型，平行于y軸；L2型，平行于1軸；L3 型，平行于ζ軸；L4型，垂直于χ軸，但不平行于y軸和ζ軸；L5型，垂直于y軸，但不平行于 X軸和Z軸；L6型，垂直于Z軸，但不平行于X軸和y軸；L7型，傾斜；然后根據(jù)對(duì)投影鏈接進(jìn)行的分類(lèi)以及投影鏈接的類(lèi)型，構(gòu)造決策樹(shù)。本發(fā)明具有如下技術(shù)效果采用dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)與xPC Target實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)相結(jié)合的開(kāi)發(fā)思路，利用 dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的高實(shí)時(shí)性能實(shí)現(xiàn)了飛行控制器的快速原型設(shè)計(jì)和飛行器模型解算， 同時(shí)，利用xPC Target實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)模擬飛行環(huán)境和氣動(dòng)參數(shù)計(jì)算，充分驗(yàn)證臨近空間飛行器的控制性能，以及各分系統(tǒng)之間的傳輸實(shí)時(shí)性。視景仿真采用基于三視圖的三維重建技術(shù)，解決了傳統(tǒng)視景仿真建模緩慢和對(duì)用戶(hù)建模技術(shù)要求較高的缺點(diǎn)，針對(duì)不同的飛行器建立三維模型，降低了對(duì)用戶(hù)的技能要求，極大的提高了平臺(tái)的開(kāi)發(fā)速度，增強(qiáng)了平臺(tái)的通用性，節(jié)約了成本。本發(fā)明的分布式實(shí)時(shí)視景仿真平臺(tái)，能逼真顯示臨近空間飛行器的實(shí)時(shí)視景飛行效果，為臨近空間飛行器進(jìn)一步的仿真試驗(yàn)和產(chǎn)業(yè)化提供了有利的條件。


圖1分布式仿真平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)示意圖。圖2實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通信流程圖。圖3分布式仿真調(diào)度流程圖。圖4實(shí)時(shí)仿真數(shù)據(jù)以太網(wǎng)傳輸流程圖。圖5點(diǎn)的重建示意圖。
圖6決策樹(shù)示意圖。圖中PX:平行于X軸的直線(xiàn)鏈接，PY:平行于Y軸的直線(xiàn)鏈接，PZ 平行于Z軸的直線(xiàn)鏈接，SL 傾斜的直線(xiàn)鏈接，MB匹配的直線(xiàn)和點(diǎn)，f"前視圖，S-左視圖，t-俯視圖，1-直線(xiàn)，η-點(diǎn)，如fl表示前視圖中的直線(xiàn)。圖7求解流程圖。圖8面的重建流程圖。圖9飛行器三維立體圖。圖10實(shí)時(shí)飛行仿真圖。
具體實(shí)施例方式針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出了采用dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)與xPC Target實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)相結(jié)合的分布式仿真架構(gòu)，以及基于三維重建的視景仿真技術(shù)，通過(guò)三維重建建立飛行器模型，利用底層函數(shù)庫(kù)驅(qū)動(dòng)模型進(jìn)行仿真交互。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的檢索，并未發(fā)現(xiàn)類(lèi)似專(zhuān)利。特別是針對(duì)臨近空間飛行器，沒(méi)有一種有效的分布式仿真架構(gòu)和實(shí)時(shí)視景仿真相結(jié)合的仿真平臺(tái)。本發(fā)明的目的在于提供一種能夠用于臨近空間飛行器的分布式實(shí)時(shí)視景仿真平臺(tái)。采用dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)與xPC Target實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)相結(jié)合的開(kāi)發(fā)思路，利用dSPACE 實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的高實(shí)時(shí)性能實(shí)現(xiàn)了飛行控制器的快速原型設(shè)計(jì)和飛行器模型解算，同時(shí)， 利用xPCTarget實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)模擬飛行環(huán)境和氣動(dòng)參數(shù)計(jì)算，充分驗(yàn)證臨近空間飛行器的控制性能，以及各分系統(tǒng)之間的傳輸實(shí)時(shí)性。視景仿真采用基于三視圖的三維重建技術(shù)，解決了傳統(tǒng)視景仿真建模緩慢和對(duì)用戶(hù)建模技術(shù)要求較高的缺點(diǎn)，針對(duì)不同的飛行器建立三維模型，降低了對(duì)用戶(hù)的技能要求，極大的提高了平臺(tái)的開(kāi)發(fā)速度，增強(qiáng)了平臺(tái)的通用性， 節(jié)約了成本。本發(fā)明的分布式實(shí)時(shí)視景仿真平臺(tái)，能逼真顯示臨近空間飛行器的實(shí)時(shí)視景飛行效果，為臨近空間飛行器進(jìn)一步的仿真試驗(yàn)和產(chǎn)業(yè)化提供了有利的條件。分布式架構(gòu)實(shí)時(shí)視景仿真平臺(tái)，硬件包括仿真監(jiān)控機(jī)，dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，xPC Target實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，以及實(shí)時(shí)視景仿真計(jì)算機(jī)。軟件主要包括分布式仿真監(jiān)控軟件和視景仿真軟件。本發(fā)明基于dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)和xPC Target實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)組網(wǎng)開(kāi)發(fā)，臨近空間飛行器復(fù)雜的飛行器模型和控制器利用dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)保證其實(shí)時(shí)性， 環(huán)境模擬模型和氣動(dòng)參數(shù)模型則分別運(yùn)行在xPC Target實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)中，整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)UDP方式進(jìn)行通信，dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)充當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)度中心，實(shí)現(xiàn)仿真實(shí)時(shí)同步。同時(shí)，仿真數(shù)據(jù)分別通過(guò)光纖和以太網(wǎng)從dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)和xPC Target實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)返回仿真監(jiān)控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控和保存，并實(shí)時(shí)傳輸?shù)揭暰坝?jì)算機(jī)，通過(guò)視景仿真軟件實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)視景仿真的顯示和管理。整個(gè)系統(tǒng)分為dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、xPC Target 實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和視景仿真開(kāi)發(fā)三部分。1. dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，分為以下幾個(gè)步驟(1)模型編譯下載利用dSPACE實(shí)時(shí)接口庫(kù)(RTI)驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)仿真模型到 dSPACE實(shí)時(shí)仿真程序的自動(dòng)編譯和下載。(2) dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)以太網(wǎng)通信通過(guò)dSPACE公司的DS4504載體板，以太網(wǎng)通信模塊(ETX)和DS376以太網(wǎng)連接板，實(shí)現(xiàn)dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)與外部其它仿真節(jié)點(diǎn)之間的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通信。(3) dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真監(jiān)控利用Clib編程函數(shù)庫(kù)，設(shè)計(jì)dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)仿真管理線(xiàn)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)dSPACE實(shí)時(shí)仿真的控制和實(shí)時(shí)內(nèi)存的讀取，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)仿真數(shù)據(jù)的監(jiān)控和仿真曲線(xiàn)繪制。2. xPC Target實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，分為以下幾個(gè)步驟(l)xPC Target實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)啟動(dòng)通過(guò)Matlab設(shè)置，生成目標(biāo)啟動(dòng)盤(pán)，定義好仿真主控機(jī)與xPC Target實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)之間的通信方式為T(mén)CP/IP連接。 (2) xPC Target實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)以太網(wǎng)通信利用Matlab下的UDP庫(kù)實(shí)現(xiàn)xPC Target實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)之間的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通信。設(shè)置相應(yīng)以太網(wǎng)模塊的參數(shù)，選擇好網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)仿真模型與xPC Target實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)物理網(wǎng)卡的對(duì)應(yīng)。模型通過(guò)編譯下載到 xPC Target實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)后，即可實(shí)現(xiàn)xPC Target實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)之間以及其他仿真節(jié)點(diǎn)之間的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通信。(3)xPC Target實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)監(jiān)控利用xPC Target C應(yīng)用程序編程接口(API) 函數(shù)，設(shè)計(jì)xPC Target仿真管理線(xiàn)程，在VC環(huán)境下，編寫(xiě)良好的圖形用戶(hù)界面，實(shí)現(xiàn)仿真監(jiān)控機(jī)上的仿真實(shí)時(shí)監(jiān)控，包括xPC Target實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)連接，程序下載和仿真數(shù)據(jù)繪圖等一系列的工作。分布式系統(tǒng)的仿真調(diào)度通過(guò)中斷方式實(shí)現(xiàn)，在dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的模型中加入向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送中斷的模塊，dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)每周期開(kāi)始時(shí)先向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送一個(gè)中斷，對(duì)應(yīng)的在xPC Target實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)仿真模型中加入中斷響應(yīng)模塊，并將xPC Target 實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)設(shè)置在中斷觸發(fā)方式，各xPC Target實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)接收到中斷信號(hào)之后與 dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)一起執(zhí)行一個(gè)周期的指令，從而完成分布式系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的同步運(yùn)行。仿真監(jiān)控機(jī)與視景仿真機(jī)之間通過(guò)以太網(wǎng)UDP協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，通訊程序采用客戶(hù)端/服務(wù)器架構(gòu)，視景客戶(hù)端運(yùn)行在仿真監(jiān)控機(jī)上，負(fù)責(zé)將采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送給視景服務(wù)器端；服務(wù)器端運(yùn)行于視景仿真軟件中，接收實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)飛行器飛行。3.視景仿真軟件，在對(duì)不同的飛行器進(jìn)行視景仿真時(shí)，分為以下幾個(gè)步驟(1)三維重建在AUTOCAD軟件中建立飛行器的三視圖，保存為繪圖交換文件格式，并在VC環(huán)境中建立相應(yīng)的接口，將三視圖的點(diǎn)、邊信息讀取到數(shù)組中保存。在三視圖中二維點(diǎn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)三視圖的“對(duì)應(yīng)原理”，即“長(zhǎng)對(duì)正，寬平齊，高相等”的特性，進(jìn)行點(diǎn)的重建，獲取飛行器模型三維點(diǎn)的信息。在三視圖中二維邊的基礎(chǔ)上，根據(jù)三視圖的“投影匹配性質(zhì)”，按照三維邊在三視圖中投影的特征，將三維邊分為七類(lèi)，并建立決策樹(shù)，以深度優(yōu)先方式遍歷決策樹(shù)，根據(jù)對(duì)應(yīng)原理判斷候選投影鏈接的包圍盒是否匹配，搜索所有匹配的投影鏈接，完成線(xiàn)的重建。在上述所獲得的三維點(diǎn)、邊的基礎(chǔ)上，選擇相鄰的兩條邊，建立平面法線(xiàn)，根據(jù)深度優(yōu)先搜索，獲取平面內(nèi)的所有點(diǎn)、邊；然后，根據(jù)相關(guān)性質(zhì)去除平面內(nèi)的“偽邊”并獲取面的“極大環(huán)”，保存到相應(yīng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，“極大環(huán)”即可描述一個(gè)平面。(2)三維顯示在VC環(huán)境中，通過(guò)OpenGL函數(shù)庫(kù)描繪飛行器的各三維平面，并通過(guò)貼圖提高顯示效果，增強(qiáng)真實(shí)性，通過(guò)顯示列表提高顯示效率；根據(jù)實(shí)時(shí)的六自由度飛行信息，通過(guò)X、Y、Z方向上的移動(dòng)和繞軸的轉(zhuǎn)動(dòng)完成對(duì)模型的驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)視景仿真；
通過(guò)“球形法”建立天空大氣模型，通過(guò)粒子效果結(jié)合“點(diǎn)精靈”實(shí)現(xiàn)飛行器的尾焰，并添加定時(shí)器實(shí)現(xiàn)“幀同步”，在大氣環(huán)境中驅(qū)動(dòng)模型實(shí)時(shí)飛行，并添加不同的視角。本發(fā)明可帶來(lái)如下效益社會(huì)效益此項(xiàng)發(fā)明對(duì)于臨近空間飛行器的研究具有十分重要的意義。利用分布式架構(gòu)能充分驗(yàn)證飛行器各分系統(tǒng)之間的仿真數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性，同時(shí)采用dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)與xPC Target實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)相結(jié)合的方式有效降低了平臺(tái)開(kāi)發(fā)成本，利用實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通信保證了分布式仿真中的實(shí)時(shí)性。視景仿真部分三維重建技術(shù)極大的縮短了開(kāi)發(fā)周期，增強(qiáng)了仿真平臺(tái)的通用性。實(shí)時(shí)視景仿真直觀的體現(xiàn)了飛行器的實(shí)時(shí)控制效果，極大了增加了仿真可信度，提高了臨近空間飛行器的仿真試驗(yàn)水平。經(jīng)濟(jì)效益臨近空間飛行器的研究具有重大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。此項(xiàng)發(fā)明中的分布式架構(gòu)實(shí)時(shí)視景仿真平臺(tái)針對(duì)臨近空間飛行器特點(diǎn)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，有效解決了臨近空間飛行器仿真中各子系統(tǒng)仿真復(fù)雜，缺乏分布式實(shí)時(shí)性驗(yàn)證的缺點(diǎn)，并利用三維重建技術(shù)極大的節(jié)省了不同飛行器三維模型的開(kāi)發(fā)成本，最終的實(shí)時(shí)視景仿真為未來(lái)的實(shí)物仿真驗(yàn)證提供了寶貴的仿真數(shù)據(jù)和逼真的仿真效果演示，具備潛在的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳述。參見(jiàn)圖1，為分布式架構(gòu)的仿真平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)圖，主要包括三部分，分別為仿真專(zhuān)用的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)以太網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)控和視景傳輸專(zhuān)用的以太網(wǎng)絡(luò)，以及基于光纖的dSPACE監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。仿真專(zhuān)用的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)以太網(wǎng)絡(luò)，具體組成為(1) dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，配備有兩塊DS1005處理器，負(fù)責(zé)運(yùn)行臨近空間飛行器的飛行器模型和控制方法。(2) xPC Target實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，利用研華工控機(jī)開(kāi)發(fā)，負(fù)責(zé)運(yùn)行臨近空間飛行器的飛行環(huán)境模擬模型和氣動(dòng)參數(shù)解算模型。監(jiān)控和視景傳輸專(zhuān)用的以太網(wǎng)絡(luò)，具體組成為(1)仿真監(jiān)控機(jī)，利用TCP/IP方式與xPC Target實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)仿真程序的編譯和下載，同時(shí)監(jiān)控實(shí)時(shí)仿真數(shù)據(jù)，通過(guò)UDP方式傳輸給視景仿真計(jì)算機(jī)。(2) xPC Target實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，通過(guò)該專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)接收宿主機(jī)下載的仿真程序，并在仿真中將實(shí)時(shí)仿真數(shù)據(jù)傳回宿主機(jī)監(jiān)控。(3)視景仿真計(jì)算機(jī)，通過(guò)UDP方式接收仿真監(jiān)控機(jī)發(fā)來(lái)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)視景仿真程序，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)視景仿真。基于光纖的dSPACE監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，具體組成為(1)仿真監(jiān)控機(jī)，配備有DS817高速串行通訊接口板，通過(guò)光纖與dSPACE實(shí)時(shí)仿真機(jī)的DS814高速串行通訊接口板進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)仿真程序的下載和仿真控制。(2) dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，配備有DS814高速串行通訊接口板，接收仿真監(jiān)控機(jī)的仿真控制指令，并上傳實(shí)時(shí)仿真數(shù)據(jù)。參見(jiàn)圖2，為分布式架構(gòu)的仿真通信流程圖。仿真程序基于Matlab/Simulink進(jìn)行開(kāi)發(fā)，分別利用xPC Target模型庫(kù)中的UDP子庫(kù)和dSPACE公司提供的DS4504以太網(wǎng)實(shí)時(shí)接口庫(kù)(RTI)來(lái)實(shí)現(xiàn)xPC Target實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)和dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的以太網(wǎng)通信。將仿真程序按功能劃分為四部分，分別為飛行器模型，控制方法，環(huán)境模擬模型和氣動(dòng)參數(shù)解
9算模塊。在每一部分仿真程序中添加UDP通信配置模塊，先設(shè)置好本地的IP地址和數(shù)據(jù)接收端口，在模塊的輸入端添加UDP接收模塊和解碼模塊，用于接收前一仿真節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的字節(jié)流數(shù)據(jù)，并利用解碼還原得到實(shí)際的仿真輸入?yún)?shù)數(shù)據(jù)類(lèi)型，再在模塊輸出端添加編碼模塊和UDP發(fā)送模塊，將計(jì)算后的仿真數(shù)據(jù)打包為字節(jié)流用于數(shù)據(jù)傳輸，最后，設(shè)置好下一仿真節(jié)點(diǎn)即接收端的IP地址和端口號(hào)。將各部分仿真程序下載到相應(yīng)的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)中，即完成了分布式架構(gòu)的仿真通信程序開(kāi)發(fā)。參見(jiàn)圖3，為分布式仿真調(diào)度流程圖。分布式仿真架構(gòu)中采用了 dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)和xPC Target實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，需要同步它們之間的仿真時(shí)序。為了保證整個(gè)分布式仿真的高實(shí)時(shí)性，在dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的仿真模塊中加入中斷模塊，利用dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)產(chǎn)生統(tǒng)一的仿真時(shí)序中斷觸發(fā)信號(hào)，充當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)度中心，而xPC Target實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)均工作在中斷模式下。分布式仿真開(kāi)始后，dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)仿真周期先啟動(dòng)運(yùn)行，并產(chǎn)生中斷觸發(fā)信號(hào)，xPC Target實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)響應(yīng)中斷觸發(fā)信號(hào)，啟動(dòng)xPC Target實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)仿真周期，計(jì)算完成后產(chǎn)生中斷返回信號(hào)，進(jìn)入下一個(gè)dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)仿真周期，直到整個(gè)仿真過(guò)程結(jié)束。參見(jiàn)圖4，為實(shí)時(shí)仿真數(shù)據(jù)以太網(wǎng)傳輸流程圖。分布式仿真開(kāi)始后，仿真監(jiān)控機(jī)完成監(jiān)控應(yīng)用程序的初始化工作，創(chuàng)建SOCKET套接字，綁定UDP發(fā)送端口為視景仿真計(jì)算機(jī)， 并發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求響應(yīng)，一旦視景計(jì)算機(jī)響應(yīng)請(qǐng)求建立連接，仿真監(jiān)控機(jī)即可啟動(dòng)分布式仿真，開(kāi)始實(shí)時(shí)監(jiān)控獲取來(lái)自dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)和xPC Target實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的仿真數(shù)據(jù)， 并定時(shí)監(jiān)控仿真運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)UDP方式傳輸打包的仿真數(shù)據(jù)到視景仿真計(jì)算機(jī)，直到整個(gè)仿真過(guò)程結(jié)束。視景仿真是在VC環(huán)境中，基于三維重建和OpenGL實(shí)現(xiàn)的，分為三部分(1)通過(guò)三維重建建立飛行器三維模型，即在AUTOCAD軟件中建立飛行器的三視圖并保存為繪圖交換文件，通過(guò)繪圖交換文件解析獲取三視圖中的點(diǎn)、邊信息，通過(guò)點(diǎn)的重建、邊的重建和面的重建獲取面環(huán)的信息，如圖5-圖8所示；(2)在VC環(huán)境中，通過(guò)OpenGL函數(shù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)飛行器的三維顯示以及尾焰和天空，如圖9所示；(3)利用MFC編程實(shí)現(xiàn)仿真軟件，網(wǎng)絡(luò)通訊接口，建立MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，如圖10所示。參見(jiàn)圖5，為典型飛行器的三視圖。在AUTOCAD軟件中建立了典型飛行器的三視圖，保存為繪圖交換文件格式，分析文件中實(shí)體段的信息，尋找關(guān)鍵字，其中“LINE”表示線(xiàn)段，“10”表示X坐標(biāo)，“11”表示Y坐標(biāo)，“12”表示Z坐標(biāo)。獲取坐標(biāo)信息，即可獲取三視圖中的頂點(diǎn)、邊的信息，并將它們存在相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中?；趯?duì)應(yīng)原理完成點(diǎn)的重建。如圖所示，針對(duì)于某型飛行器，根據(jù)對(duì)應(yīng)原理，在三視圖中，前視圖中的點(diǎn)1對(duì)應(yīng)了頂視圖的2、3 兩點(diǎn)，以及左視圖中的4、5兩點(diǎn)，在立體圖中，對(duì)應(yīng)于飛行器的6、7兩點(diǎn)。參見(jiàn)圖6，為根據(jù)空間邊在三視圖中的投影鏈接建立的決策樹(shù)，圖(a)、(b)、(c)分別是以前視圖、頂視圖、左視圖為入口建立的決策樹(shù)。根據(jù)對(duì)空間邊的投影特性的分析，提出基于決策樹(shù)的投影匹配算法，能夠自動(dòng)從三視圖中識(shí)別所有的匹配投影組，并確定空間邊的類(lèi)型和參數(shù)。首先根據(jù)基三視圖的投影匹配性質(zhì)，結(jié)合邊在三視圖中的投影特征進(jìn)行分類(lèi)，直線(xiàn)邊可以分為七大類(lèi)L1型，平行于y軸；L2型，平行于χ軸；L3型，平行于ζ軸；L4 型，垂直于χ軸，但不平行于y軸和ζ軸；L5型，垂直于y軸，但不平行于χ軸和ζ軸；L6型， 垂直于ζ軸，但不平行于χ軸和y軸；L7型，傾斜；然后根據(jù)對(duì)投影鏈接進(jìn)行的分類(lèi)以及投影鏈接的類(lèi)型平行χ軸(PX)，平行y軸(PY)，傾斜(SL)，投影匹配(MB)，構(gòu)造決策樹(shù)。參見(jiàn)圖7，為對(duì)決策樹(shù)第一樹(shù)枝的求解流程圖。根據(jù)建立的決策樹(shù)進(jìn)行決策求解， 為了搜索所有匹配的投影鏈接，前視圖、左視圖、俯視圖依次作為入口，以前視圖為入口，決策樹(shù)中第一支樹(shù)枝為例，說(shuō)明決策樹(shù)求解的過(guò)程。以深度優(yōu)先方式遍歷決策樹(shù)，按照前視圖、俯視圖、左視圖的順序，判斷候選投影鏈接的兩個(gè)端點(diǎn)是否滿(mǎn)足對(duì)應(yīng)原理，最終獲取匹配的邊線(xiàn)的類(lèi)型和坐標(biāo)參數(shù)。如圖5所示，前視圖的邊8匹配頂視圖的邊10以及左視圖的點(diǎn)9，通過(guò)求解重建得到三維邊11。參見(jiàn)圖8，為面的重建流程圖。首先根據(jù)鄰接的兩條空間邊，通過(guò)向量點(diǎn)乘獲取平面法線(xiàn)；然后根據(jù)平面法向量，獲取在該三維面上的所有邊、點(diǎn)，并去除偽邊；最后應(yīng)用深度優(yōu)先方法搜索該面中的所有邊，生成所有可能的面環(huán)，應(yīng)用“左鄰邊序列”、“摩比斯準(zhǔn)則” 刪除所有非極小環(huán)，即可得到極大環(huán)的面環(huán)信息，表征一個(gè)平面。參見(jiàn)圖9，為重建后的飛行器三維立體圖。根據(jù)面環(huán)信息在OpenGL中顯示面，并通過(guò)建立顯示列表加快顯示速度，利用貼圖為飛行器各個(gè)面添加相應(yīng)的紋理，提高顯示效果。 本發(fā)明所提供的三維重建方法具有通用性的特征，針對(duì)于不同的飛行器，可以得到不同的三維模型。以另一飛行器為例，建立三視圖，將上述的三維重建算法，應(yīng)用于該模型，得到三維模型如圖所示。參見(jiàn)圖10，為實(shí)時(shí)飛行仿真圖。其中，通過(guò)粒子效果模擬飛行器尾焰，選擇“球面法”建立天空大氣模型，并驅(qū)動(dòng)模型運(yùn)動(dòng)，編寫(xiě)仿真軟件。其中，通過(guò)粒子效果模擬飛行器尾焰具體實(shí)現(xiàn)如下。粒子系統(tǒng)方法用于描述不規(guī)則物體，尤其是對(duì)邊界不明顯的模糊物體的模擬顯示出獨(dú)特的優(yōu)越性?；静襟E為為飛行器尾焰定義一個(gè)粒子模型；產(chǎn)生新粒子，并為每個(gè)新粒子分配初始屬性；遍歷粒子，將所有到達(dá)生命周期的粒子刪去；對(duì)保留的粒子根據(jù)運(yùn)動(dòng)規(guī)則進(jìn)行計(jì)算；渲染粒子。以上第二至第四步反復(fù)循環(huán)就形成了物體的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。其中，“球面法”建立天空大氣模型具體實(shí)現(xiàn)如下。建立一個(gè)半球；通過(guò)貼圖為半球的內(nèi)部添加天空的藍(lán)色背景；為云層創(chuàng)造一個(gè)載體，如長(zhǎng)方體，渲染時(shí)不可見(jiàn)；通過(guò)“體積霧”的效果填充載體，模仿云層的動(dòng)態(tài)效果。其中，驅(qū)動(dòng)模型運(yùn)動(dòng)具體實(shí)現(xiàn)如下。添加定時(shí)器函數(shù)，在定時(shí)器函數(shù)中添加重繪函數(shù)，使調(diào)用窗口繪制函數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)刷新。在窗口繪制函數(shù)中添加需要繪制的圖像，包括飛行器、尾焰和大氣模型，通過(guò)模型偏移函數(shù)改變飛行器模型在大氣環(huán)境中的位置，即可驅(qū)動(dòng)飛行器的實(shí)時(shí)運(yùn)行。并通過(guò)設(shè)置視角函數(shù)的相關(guān)參數(shù)，使視角能夠跟蹤飛行器的飛行，并進(jìn)行遠(yuǎn)近的調(diào)整。其中，編寫(xiě)仿真軟件具體實(shí)現(xiàn)如下。仿真軟件采用分割窗口的模式，主窗口顯示 OpenGL實(shí)時(shí)畫(huà)面，右側(cè)窗口為數(shù)據(jù)可視化，即通過(guò)曲線(xiàn)、列表和虛擬儀表的方式反應(yīng)數(shù)據(jù)。 最上端數(shù)字列表，通過(guò)列表中的單選框可以選擇所要擬合的曲線(xiàn)；中間是是曲線(xiàn)顯示；最下端是虛擬儀表，直觀的顯示速度等信息。其中列表和虛擬儀表可以實(shí)時(shí)更新飛行過(guò)程中的參數(shù)信息。飛行數(shù)據(jù)是通過(guò)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中來(lái)實(shí)現(xiàn)的。數(shù)據(jù)庫(kù)采用MySQL，建立在上位機(jī)中，通過(guò)獲取權(quán)限進(jìn)行遠(yuǎn)程登錄來(lái)保存仿真運(yùn)行中飛行器的實(shí)時(shí)參數(shù)信息。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的讀取，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行數(shù)據(jù)的重繪從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的重載，滿(mǎn)足操作者對(duì)數(shù)據(jù)分析的要求。 與上位機(jī)的交互接口采用采用套接字編程(SOCKET)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)橐暰胺抡鎸?duì)于通訊的準(zhǔn)確
11性要求不高，故采用UDP通訊協(xié)議。 dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，是由德國(guó)dSPACE公司開(kāi)發(fā)的一套基于MATLAB/Simulink的控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及半實(shí)物仿真的軟硬件工作平臺(tái)，DS4504為該公司的板卡名稱(chēng)，xPC Target 是一種高性能的主機(jī)-目標(biāo)機(jī)結(jié)構(gòu)原型環(huán)境。
權(quán)利要求
1. 一種基于分布式架構(gòu)的臨近空間飛行器視景仿真方法，其特征是，所述方法借助于下列三部分裝置實(shí)現(xiàn)仿真專(zhuān)用的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)以太網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)控和視景傳輸專(zhuān)用的以太網(wǎng)絡(luò)，以及基于光纖的dSPACE監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)仿真專(zhuān)用的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)以太網(wǎng)絡(luò)，具體組成為(1)dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)是由德國(guó)dSPACE公司開(kāi)發(fā)的一套基于MATLAB/ Simulink的控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及半實(shí)物仿真的軟硬件工作平臺(tái)，本發(fā)明采用的dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)配備有兩塊DS1005處理器，負(fù)責(zé)運(yùn)行臨近空間飛行器的飛行器模型和控制方法；(2)xPCTarget實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，xPC Target是一種高性能的主機(jī)-目標(biāo)機(jī)結(jié)構(gòu)原型環(huán)境，負(fù)責(zé)運(yùn)行臨近空間飛行器的飛行環(huán)境模擬模型和氣動(dòng)參數(shù)解算模型；監(jiān)控和視景傳輸專(zhuān)用的以太網(wǎng)絡(luò)，具體組成為(1)仿真監(jiān)控機(jī)，利用TCP/IP方式與xPCTarget實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)仿真程序的編譯和下載，同時(shí)監(jiān)控實(shí)時(shí)仿真數(shù)據(jù)，通過(guò)UDP方式傳輸給視景仿真計(jì)算機(jī)；(2)xPC Target實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，通過(guò)該專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)接收仿真監(jiān)控機(jī)下載的仿真程序，并在仿真中將實(shí)時(shí)仿真數(shù)據(jù)傳回宿主機(jī)監(jiān)控；(3)視景仿真計(jì)算機(jī)，通過(guò)UDP方式接收仿真監(jiān)控機(jī)發(fā)來(lái)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)視景仿真程序，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)視景仿真；基于光纖的dSPACE監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，具體組成為(1)仿真監(jiān)控機(jī)，配備有DS817高速串行通訊接口板，通過(guò)光纖與dSPACE實(shí)時(shí)仿真機(jī)的 DS814高速串行通訊接口板進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)仿真程序的下載和仿真控制；(2)dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，配備有DS814高速串行通訊接口板，接收仿真監(jiān)控機(jī)的仿真控制指令，并上傳實(shí)時(shí)仿真數(shù)據(jù)；所述方法包括如下步驟分布式架構(gòu)的仿真通信步驟仿真程序基于Matlab/Simulink進(jìn)行開(kāi)發(fā)，分別利用xPC Target模型庫(kù)中的UDP子庫(kù)和dSPACE公司提供的DS4504以太網(wǎng)實(shí)時(shí)接口庫(kù)RTI來(lái)實(shí)現(xiàn) xPC Target實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)和dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的以太網(wǎng)通信，將仿真程序按功能劃分為四部分，分別為飛行器模型，控制方法，環(huán)境模擬模型和氣動(dòng)參數(shù)解算模塊，在每一部分仿真程序中添加UDP通信配置模塊，先設(shè)置好本地的IP地址和數(shù)據(jù)接收端口，在模塊的輸入端添加UDP接收模塊和解碼模塊，用于接收前一仿真節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的字節(jié)流數(shù)據(jù)，并利用解碼還原得到實(shí)際的仿真輸入?yún)?shù)數(shù)據(jù)類(lèi)型，再在模塊輸出端添加編碼模塊和UDP發(fā)送模塊，將計(jì)算后的仿真數(shù)據(jù)打包為字節(jié)流用于數(shù)據(jù)傳輸，最后，設(shè)置好下一仿真節(jié)點(diǎn)即接收端的IP地址和端口號(hào)，將各部分仿真程序下載到相應(yīng)的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)中，即完成了分布式架構(gòu)的仿真通信程序開(kāi)發(fā)；分布式架構(gòu)的仿真調(diào)度步驟分布式仿真架構(gòu)中采用dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)和 xPCTarget實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，在dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的仿真模塊中加入中斷模塊，利用 dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)產(chǎn)生統(tǒng)一的仿真時(shí)序中斷觸發(fā)信號(hào)，充當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)度中心，而 xPCTarget實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)均工作在中斷模式下，分布式仿真開(kāi)始后，dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)仿真周期先啟動(dòng)運(yùn)行，并產(chǎn)生中斷觸發(fā)信號(hào)，xPC Target實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)響應(yīng)中斷觸發(fā)信號(hào)，啟動(dòng)xPC Target實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)仿真周期，計(jì)算完成后產(chǎn)生中斷返回信號(hào)，進(jìn)入下一個(gè) dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)仿真周期，直到整個(gè)仿真過(guò)程結(jié)束；實(shí)時(shí)仿真數(shù)據(jù)以太網(wǎng)傳輸步驟，分布式仿真開(kāi)始后，仿真監(jiān)控機(jī)完成監(jiān)控應(yīng)用程序的初始化工作，創(chuàng)建SOCKET套接字，綁定UDP發(fā)送端口為視景仿真計(jì)算機(jī)，并發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求響應(yīng)，一旦視景計(jì)算機(jī)響應(yīng)請(qǐng)求建立連接，仿真監(jiān)控機(jī)即可啟動(dòng)分布式仿真，開(kāi)始實(shí)時(shí)監(jiān)控獲取來(lái)自dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)和xPC Target實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的仿真數(shù)據(jù)，并定時(shí)監(jiān)控仿真運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)UDP方式傳輸打包的仿真數(shù)據(jù)到視景仿真計(jì)算機(jī)，直到整個(gè)仿真過(guò)程結(jié)束；視景仿真步驟是在VC環(huán)境中，基于三維重建和OpenGL實(shí)現(xiàn)的，分為如下部分(1)三維重建在AUTOCAD軟件中建立飛行器的三視圖，保存為繪圖交換文件格式，并在VC環(huán)境中建立相應(yīng)的接口，將三視圖的點(diǎn)、邊信息讀取到數(shù)組中保存；在三視圖中二維點(diǎn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)三視圖的“對(duì)應(yīng)原理”，即“長(zhǎng)對(duì)正，寬平齊，高相等” 的特性，進(jìn)行點(diǎn)的重建，獲取飛行器模型三維點(diǎn)的信息；在三視圖中二維邊的基礎(chǔ)上，根據(jù)三視圖的“投影匹配性質(zhì)”，按照三維邊在三視圖中投影的特征，將三維邊分為七類(lèi)，并建立決策樹(shù).將三維邊分類(lèi)，并建立決策樹(shù)，完成線(xiàn)的重建具體步驟是，將前視圖、左視圖、俯視圖依次作為入口，以深度優(yōu)先方式遍歷決策樹(shù)，按照前視圖、俯視圖、左視圖的順序，判斷候選投影鏈接的兩個(gè)端點(diǎn)是否滿(mǎn)足對(duì)應(yīng)原理，最終獲取匹配的邊線(xiàn)的類(lèi)型和坐標(biāo)參數(shù)；在上述所獲得的三維點(diǎn)、邊的基礎(chǔ)上，選擇相鄰的兩條邊，建立平面法線(xiàn)，根據(jù)深度優(yōu)先搜索，獲取平面內(nèi)的所有邊；然后，根據(jù)相關(guān)性質(zhì)去除平面內(nèi)的“偽邊”并獲取面的“極大環(huán)”，保存到相應(yīng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，“極大環(huán)”即可描述一個(gè)平面；(2)三維顯示在VC環(huán)境中，通過(guò)OpenGL函數(shù)庫(kù)描繪飛行器的各三維平面，并通過(guò)貼圖提高顯示效果，增強(qiáng)真實(shí)性，通過(guò)顯示列表提高顯示效率；根據(jù)實(shí)時(shí)的六自由度飛行信息，通過(guò)X、Y、Z方向上的移動(dòng)和繞軸的轉(zhuǎn)動(dòng)完成對(duì)模型的驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)視景仿真；通過(guò)“球形法”建立天空大氣模型，基于粒子效果實(shí)現(xiàn)飛行器的尾焰，并添加定時(shí)器實(shí)現(xiàn)“幀同步”，在大氣環(huán)境中驅(qū)動(dòng)模型實(shí)時(shí)飛行，并添加不同的視角。
2.如權(quán)利要求1所述方法，其特征是，建立決策樹(shù)步驟是，首先需要根據(jù)基三視圖的投影匹配性質(zhì)，結(jié)合邊在三視圖中的投影特征進(jìn)行分類(lèi)，直線(xiàn)邊可以分為七大類(lèi)L1型，平行于y軸；L2型，平行于χ軸；L3型，平行于ζ軸；L4型，垂直于χ軸，但不平行于y軸和ζ軸； L5型，垂直于y軸，但不平行于χ軸和ζ軸；L6型，垂直于ζ軸，但不平行于χ軸和y軸；L7 型，傾斜；然后根據(jù)對(duì)投影鏈接進(jìn)行的分類(lèi)以及投影鏈接的類(lèi)型，構(gòu)造決策樹(shù)。
全文摘要
本發(fā)明屬于飛行模擬技術(shù)領(lǐng)域。解決傳統(tǒng)視景仿真建模緩慢和對(duì)用戶(hù)建模技術(shù)要求較高的缺點(diǎn)，提供一種有效的分布式仿真架構(gòu)和實(shí)時(shí)視景仿真相結(jié)合的仿真方法，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，基于分布式架構(gòu)的臨近空間飛行器視景仿真方法所述方法借助于下列三部分裝置實(shí)現(xiàn)仿真專(zhuān)用的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)以太網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)控和視景傳輸專(zhuān)用的以太網(wǎng)絡(luò)，以及基于光纖的dSPACE監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)；所述方法包括如下步驟分布式架構(gòu)的仿真通信步驟為分布式仿真調(diào)度步驟；實(shí)時(shí)仿真數(shù)據(jù)以太網(wǎng)傳輸步驟；視景仿真步驟。本發(fā)明主要應(yīng)用于飛行模擬場(chǎng)合。
文檔編號(hào)G05B17/02GK102426424SQ20111029979
公開(kāi)日2012年4月25日 申請(qǐng)日期2011年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月28日
發(fā)明者呂力, 宗群, 廖海林, 曲照偉, 田栢苓 申請(qǐng)人:天津大學(xué)