王 穎 王愛民

（東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院 南京 210096）

1 引言

慣性導(dǎo)航［1］是利用慣性元件測量載體相對于慣性空間的運(yùn)動(dòng)參數(shù)、并經(jīng)計(jì)算后來實(shí)施導(dǎo)航任務(wù)的一種尖端技術(shù)。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的組成設(shè)備安裝在載體上，它不依賴外界信息，也不向外輻射能量，不易受到干擾，是一種自主式導(dǎo)航系統(tǒng)。與平臺(tái)式慣性導(dǎo)航相比，捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航省去了慣性平臺(tái)，陀螺儀和加速度計(jì)直接安裝在載體上，系統(tǒng)體積小、重量輕、成本低、維護(hù)方便。隨著高速、大容量的數(shù)字計(jì)算機(jī)和一些新技術(shù)的發(fā)展，捷聯(lián)慣導(dǎo)已經(jīng)得到越來越廣泛的應(yīng)用。

把虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)［2］應(yīng)用到捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)開發(fā)是新的設(shè)計(jì)思想，它是在建造真實(shí)器件和物理樣機(jī)之前，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立三維模型，通過動(dòng)態(tài)試驗(yàn)仿真，給出系統(tǒng)的可視化運(yùn)行過程。相比運(yùn)用Matlab或Labview進(jìn)行導(dǎo)航算法仿真的傳統(tǒng)方法，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn)：1）給用戶提供了更豐富的信息、人—機(jī)配合效率高；2）采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想開發(fā)，明確劃分各模塊功能，系統(tǒng)組件化、擴(kuò)展性強(qiáng)；3）突破環(huán)境限制，以虛擬景象和聲音給人以身臨其境之感。

2 系統(tǒng)總體方案

2.1 系統(tǒng)構(gòu)架

基于虛擬現(xiàn)實(shí)的捷聯(lián)慣性導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)可簡單概括為捷聯(lián)慣導(dǎo)數(shù)字仿真加圖形可視化。捷聯(lián)慣性導(dǎo)航虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)的基本組成包括高性能計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、圖像生成與顯示系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫（包括捷聯(lián)慣導(dǎo)算法數(shù)據(jù)、慣性器件數(shù)據(jù)、導(dǎo)航數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)）以及相應(yīng)的人機(jī)接口和軟件支撐環(huán)境，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 基于虛擬現(xiàn)實(shí)的捷聯(lián)慣導(dǎo)仿真系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)功能組成

基于虛擬現(xiàn)實(shí)的捷聯(lián)慣性導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括：虛擬建模系統(tǒng)、虛擬試驗(yàn)環(huán)境生成系統(tǒng)、軌跡仿真系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航仿真系統(tǒng)、試驗(yàn)管理系統(tǒng)、虛擬試驗(yàn)可視化系統(tǒng)、虛擬試驗(yàn)運(yùn)行支撐環(huán)境、試驗(yàn)結(jié)果評價(jià)系統(tǒng)幾大部分?？紤]到虛擬視景仿真部分對計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的較高要求以及系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)用中的靈活可用性，系統(tǒng)采用分布式的組織形式。以上組成要素分為四塊：虛擬可視化部分、慣性器件仿真部分、捷聯(lián)慣導(dǎo)解算部分以及試驗(yàn)管理、結(jié)果評估系統(tǒng)。各部分由局域網(wǎng)相互連接，如圖2所示。

圖2 基于虛擬現(xiàn)實(shí)的捷聯(lián)慣導(dǎo)試驗(yàn)系統(tǒng)功能框圖

3 捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)仿真

3.1 慣導(dǎo)仿真設(shè)計(jì)

捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)仿真主要是指慣性導(dǎo)航仿真系統(tǒng)和軌跡仿真系統(tǒng)，包含慣性器件（陀螺儀和加速度）數(shù)學(xué)模型的程序?qū)崿F(xiàn)、類接口設(shè)計(jì)，以及導(dǎo)航捷聯(lián)算法的程序?qū)崿F(xiàn)、類接口設(shè)計(jì)和導(dǎo)航軌跡的實(shí)現(xiàn)。關(guān)系框圖［3］如圖3所示。

圖3 捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)仿真框圖

3.2 捷聯(lián)慣導(dǎo)算法

姿態(tài)微分方程是捷聯(lián)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)方程之一。根據(jù)姿態(tài)微分方程計(jì)算姿態(tài)矩陣是捷聯(lián)慣性導(dǎo)航最重要的一部分工作，由此確定載體坐標(biāo)系與導(dǎo)航坐標(biāo)系之間的方向余弦矩陣，是導(dǎo)航計(jì)算和準(zhǔn)確控制的基礎(chǔ)。姿態(tài)矩陣即時(shí)修正算法主要有三種［4］：歐拉角法（三參數(shù)法）、轉(zhuǎn)動(dòng)四元數(shù)法（四參數(shù)法）、方向余弦矩陣法（九參數(shù)法），它們通過解不同的微分方程得到姿態(tài)矩陣?？疾祢?yàn)證算法的運(yùn)行效果是導(dǎo)航試驗(yàn)的主要任務(wù)之一。為了滿足多樣性需求，研究各種不同算法的特性，系統(tǒng)內(nèi)置了多種算法。

3.2.1 四元數(shù)畢卡迭代法

捷聯(lián)陀螺的輸出一般情況下是采樣時(shí)間間隔內(nèi)的角增量，為了避免噪聲的微分放大，應(yīng)直接用角增量來確定四元數(shù)，而不應(yīng)該將角增量換算成角速度。畢卡算法［5］就是由角增量計(jì)算四元數(shù)的常用算法。

四元數(shù)微分方程為：

用畢卡算法求解微分方程得：

3.2.2 四元數(shù)四階龍格庫塔法

龍格庫塔算法是一種便于使用計(jì)算機(jī)求解微分方程的數(shù)值積分算法，表達(dá)為當(dāng)已知方程式解的初值時(shí)，可在解存在的區(qū)間各點(diǎn)上，逐點(diǎn)求出方程式的近似解，算法的階次越高，計(jì)算精度越高。

利用四階龍格－庫塔法求解四元數(shù)微分方程：

4 虛擬環(huán)境建模

虛擬環(huán)境建模是虛擬環(huán)境生成中非常關(guān)鍵的一環(huán)。導(dǎo)航仿真的場景為虛擬船舶在海洋環(huán)境中航行，航行過程中場景的真實(shí)感主要依賴于周遭地理環(huán)境的自然變化來體現(xiàn)，這使得地形的建立在整個(gè)虛擬環(huán)境的建模中尤為重要［6］。

常見的地形可視化分為根據(jù)地學(xué)圖形數(shù)據(jù)的精確描述以及模擬自然場景中的地形兩種［7～8］。為了增加導(dǎo)航虛擬仿真系統(tǒng)的真實(shí)性，更好地模擬運(yùn)載體的實(shí)際航線并考察實(shí)際航線下的導(dǎo)航誤差，本文采用基于數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model）［9］的地形模型生成。

建立三維地形模型的過程為：

1）組織準(zhǔn)備：根據(jù)系統(tǒng)仿真的需要確定模型的位置和范圍，選取合適的地理數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行一些必要的轉(zhuǎn)換與處理。

2）創(chuàng)建與測試：使用數(shù)字高程數(shù)據(jù)創(chuàng)建地形數(shù)據(jù)，并組織層次細(xì)節(jié)。測試創(chuàng)建好的模型，檢驗(yàn)其是否能正常和高效的運(yùn)行。

3）增加特征屬性：測試正常后，決定仿真系統(tǒng)所需要的信息特征，在確保信息數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的前提下，將這些特征屬性加入到數(shù)據(jù)中。

4）檢驗(yàn)與優(yōu)化：在實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)中運(yùn)行，檢驗(yàn)是否正常滿足要求。并在此基礎(chǔ)上，對數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。

最后生成的群島模型如圖4所示。

圖4 基于真實(shí)地理信息的海島模型

5 基于Vega的實(shí)時(shí)場景繪制

三維場景繪制是將建模時(shí)生成的三維幾何模型，采用透視投影的方法，將其繪制到計(jì)算機(jī)屏幕上去。本文采用三維可視化視景仿真軟件Vega實(shí)現(xiàn)虛擬場景的繪制。

基于Vega開發(fā)視景仿真程序的基本步驟［10］是：

1）利用ADF（Application Definition Files）文件進(jìn)行初始化設(shè)置；

2）編寫仿真程序，調(diào)用初始化系統(tǒng)和模塊的函數(shù)，讀入ADF文件中數(shù)據(jù)并裝載相關(guān)的數(shù)據(jù)庫，創(chuàng)建并配置類的實(shí)例；

3）完成初始化，調(diào)用循環(huán)函數(shù)，執(zhí)行相關(guān)功能的程序庫以渲染、刷新場景。

典型Vega應(yīng)用程序的框架如圖5所示。

Vega應(yīng)用程序可以分成兩個(gè)主要的階段，首先是靜態(tài)描述階段，然后進(jìn)入Vega系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)循環(huán)［12］。

第一個(gè)階段主要為通過讀入應(yīng)用定義文件ADF對Vega系統(tǒng)正確運(yùn)行進(jìn)行必要的系統(tǒng)配置，包括內(nèi)存分配，參數(shù)設(shè)置，Vega類的定義等。

ADF文件建立在Vega的應(yīng)用開發(fā)界面LynX中完成［13］，主要完成以下任務(wù)：

1）加載航行場景所需的各種模型：包括建立的艦船模型、地形模型，以及Vega中的海洋模塊等航行場景中的必需元素。

2）設(shè)置調(diào)整模型對象參數(shù)：包括對象的方位、運(yùn)動(dòng)方式以及深度使用等一些高級功能。

3）添加環(huán)境效果：包括光源、天空、各種大氣層物理現(xiàn)象、天體運(yùn)行等等。

圖5 Vega應(yīng)用程序框架圖

4）設(shè)置顯示通道、窗口。

而Vega仿真應(yīng)用程序主要是在第二個(gè)階段Vega動(dòng)態(tài)循環(huán)中實(shí)現(xiàn)的。在該階段視景仿真系統(tǒng)部分通過與捷聯(lián)慣導(dǎo)仿真部分通信得到的艦船實(shí)時(shí)信息控制虛擬船舶航行。

系統(tǒng)最終運(yùn)行效果如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)運(yùn)行效果圖

6 結(jié)語

基于虛擬現(xiàn)實(shí)的捷聯(lián)慣性導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)是慣性導(dǎo)航與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)多感知性、交互性、沉浸感和想象性的引入使得系統(tǒng)的仿真效果相比傳統(tǒng)的導(dǎo)航仿真有了質(zhì)的飛躍，方便了用戶深入了解不同導(dǎo)航系統(tǒng)的特性，并且提供了系統(tǒng)演示、教學(xué)等一系列新的應(yīng)用方向。

仿真中真實(shí)地形的應(yīng)用使運(yùn)載體能夠模擬實(shí)際運(yùn)行中的航線，大大增強(qiáng)了虛擬可視化的真實(shí)性并使導(dǎo)航仿真精確度的提高成為可能。

算法和慣性器件的多樣性，可以使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)不同的組合，輔助捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的快速開發(fā)，縮短開發(fā)周期。

由于條件所限，目前的捷聯(lián)慣導(dǎo)虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)還是桌面式的非沉浸虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。通過使用一些虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備如立體眼鏡、頭盔式顯示器、數(shù)據(jù)手套、3D跟蹤設(shè)備能夠大大提高系統(tǒng)的真實(shí)感、沉浸感以及與用戶之間的交互水平。

［1］秦永元.慣性導(dǎo)航［M］.第1版.北京：科學(xué)出版社，2006

［2］洪秉镕，蔡則蘇，唐好選.虛擬現(xiàn)實(shí)及其應(yīng)用［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2005

［3］趙玉霞.捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)仿真算法的研究及其實(shí)現(xiàn)［D］.大連理工大學(xué)，2005

［4］孫麗，秦永元.捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)姿態(tài)算法比較［J］.中國慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，2006，14（3）：6～10

［5］周紹磊，叢源材，李娟，等.方向余弦矩陣中四元數(shù)提取算法比較［J］.中國慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，2008，16（4）：415～418

［6］羅雙艷.氣墊船海上運(yùn)動(dòng)的視景仿真技術(shù)研究［D］.哈爾濱工程大學(xué)，2007

［7］李慶忠，高秀榮.三維可控真實(shí)感地形生成方法研究［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2008，20（11）：2938～2941

［8］齊敏，郝重陽，佟明安.三維地形生成及實(shí)時(shí)顯示技術(shù)研究進(jìn)展［J］.中國圖象圖形學(xué)報(bào)，2000，5（4）：269～276

［9］何輝明.數(shù)字高程模型DEM的建模及其三維可視化研究［D］.東南大學(xué)，2004

［10］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

［11］孔藝權(quán)，王文娟.模擬器和虛擬機(jī)在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議虛擬實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2008，36（7）

［12］Vegaprogrammer's guide.version 3.7.1MultiGen-Paradigm Inc.，2001

［13］Vega Lynx User's Guide Version 3.7.1MultiGen-Paradigm Inc.，2001