[发明专利]一种基于Vega和RTW的光电经纬仪实时可视化仿真平台

说明书

技术领域

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

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。

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。

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

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。

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：

(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，各种系统参数可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；视场的大小等；

(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；