康寶臣,馮麗娜,王 園,王 威,李 琛

(山西汾西重工有限責(zé)任公司,山西 太原 030027)

0 引言

可視化或稱視覺化,它的基本含義是將科學(xué)計算中產(chǎn)生的大量非直觀的、抽象的或不可見的數(shù)據(jù),借助計算機圖形學(xué)和圖像處理等技術(shù),用幾何圖形和色彩、紋理、透明度、對比度及動畫技術(shù)等手段,以圖形圖像信息的形式,直觀、形象地表達出來,并進行交互處理[1]。1987年2月美國國家科學(xué)基金會的一個研究報告提出科學(xué)計算的可視(Visualization in Scientific Computing)問題。目前,它所提出的思想己成為世界科學(xué)界新興學(xué)科研究中的熱點?？梢暬夹g(shù)從它的誕生之日起,便受到了各行各業(yè)的歡迎,目前它幾乎涉及到了所有能應(yīng)用計算機的部門[2]。

LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是美國NI(National Instrument)公司推出的一種基于圖形化編程語言的虛擬儀器軟件開發(fā)工具,它在工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實驗室得到廣泛使用[3]。使用LabVIEW功能強大的圖形編程語言能夠提高編程的效率,這種語言被稱做圖形編程語言。使用傳統(tǒng)的編程語言需要花費幾周乃至幾個月才能編寫的程序,用LabVIEW只需幾個小時就能完成[4]。

水下武器系統(tǒng)或水下航行器UUV研制的高投入、高風(fēng)險及海洋中航行、分離動作的特殊性,決定了從產(chǎn)品型號的可行性論證到最后正樣的形成必須進行大量的地面仿真及驗證工作,確保設(shè)計的正確性和可靠性[5]。為了降低開發(fā)難度、縮短開發(fā)周期,采用半實物仿真技術(shù),在條件允許的情況下盡可能在仿真系統(tǒng)中接入實物,以取代數(shù)學(xué)模型。該方式既解決了數(shù)字仿真偏離實際情況太遠的問題,也消除了實物仿真難度大、成本高的缺點[6]。

可以說,基于LabVIEW的某水雷六自由度彈道數(shù)據(jù)三維可視化仿真軟件的編制,為實現(xiàn)水雷航行和布放彈道的可視化提供了新的技術(shù)途徑,極大地方便了科研人員后期的數(shù)據(jù)處理和試驗結(jié)果分析,解決了無外場測量系統(tǒng)條件下水下運動彈道可視化的難題。有效提高了水雷實航彈道和布放彈道的分析效率,克服了特定水域及設(shè)備的制約。對于數(shù)據(jù)處理結(jié)果的正確性驗證,對減少試驗次數(shù)、降低試驗成本、縮短試驗周期起到了關(guān)鍵性的作用。

1 三維可視化仿真軟件的實現(xiàn)

水雷實航試驗的水下彈道一般通過湖試、海試或者安裝有特定裝置的水池測量獲得,湖試和海試時需要在儀器艙內(nèi)裝有光線慣性導(dǎo)航系統(tǒng)或者MEMS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)記錄水雷的六自由度信息,如果是方案初期的水池試驗,需要在水池周圍安裝特定裝置來記錄樣雷的數(shù)據(jù)信息。本文以水雷彈道測試記錄儀采集的相關(guān)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),綜合應(yīng)用計算機技術(shù),設(shè)計彈道三維可視化軟件。通過把水雷航行時記錄在存儲器上的六自由度相關(guān)數(shù)據(jù)同步到計算機上,經(jīng)數(shù)據(jù)處理和模型驅(qū)動實現(xiàn)水雷水下運動彈道的全三維可視化,解決了無外場測量系統(tǒng)條件下水雷航行和布放彈道可視化的難題,有效提高了水雷實航和布放彈道的分析效率,克服了必須在特定水域及特定設(shè)備的限制條件。利用Lab-VIEW平臺編程開發(fā),充分發(fā)揮場景顯示器的三維功效[7]。

三維可視化仿真軟件的實現(xiàn)分四部分:第一部分為水雷三維模型的處理和導(dǎo)入,第二部分為六自由度試驗數(shù)據(jù)的處理和轉(zhuǎn)換,第三部分為三維模型在LabVIEW中如何被六自由度試驗數(shù)據(jù)驅(qū)動,第四部分為軟件界面窗口的排布和可視化效果驗證。

1.1 水雷三維模型的處理和導(dǎo)入

水雷三維模型通過UG或ProE等三維建模軟件按照實際尺寸建立,如圖1所示,完成后通過軟件另存為wrl文件。

圖1 三維模型的建立Fig.1 Establishment of 3D model

轉(zhuǎn)換成中間格式后,需將文件放入到與程序VI相同的根目錄下,程序引用時用的是相對路徑。水雷運動姿態(tài)的數(shù)據(jù)采集原理和數(shù)學(xué)模型可參照文獻[8]進行,采集到的試驗數(shù)據(jù)需要進行處理和轉(zhuǎn)換,六自由度試驗數(shù)據(jù)的處理和轉(zhuǎn)換需要通過MATLAB軟件處理和轉(zhuǎn)換成如表1所示,每個數(shù)據(jù)之間有一個空格來區(qū)分成向量組。

表1 六自由度數(shù)據(jù)格式Table 1 Data format of six DOF

MATLAB中螺旋彈道部分轉(zhuǎn)換程序部分代碼如下:

轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)源格式后通過導(dǎo)入程序?qū)椀罃?shù)據(jù)加載到VI程序中。

1.2 六自由度試驗數(shù)據(jù)驅(qū)動三維模型

三維模型驅(qū)動是整個程序的核心,通過上面的準(zhǔn)備工作后,首先要建立雷體坐標(biāo)系和地面坐標(biāo)系,這樣在可視化顯示時有相對參照,產(chǎn)生三維立體感。雷體坐標(biāo)系和地面坐標(biāo)系建立程序框圖如圖2所示。

完成以上操作,需建立場景顯示器和時鐘同步,這樣三維模型有了顯示,同時通過六自由度數(shù)據(jù)里的時間信息時鐘同步驅(qū)動三維模型限定了可視化過程中的速度。

三維模型驅(qū)動通過LabVIEW軟件變形選板中的“設(shè)置平移”和“設(shè)置旋轉(zhuǎn)”,各種組合層層驅(qū)動疊加實現(xiàn)六自由度變化顯示。

1.3 軟件界面窗口的排布和可視化效果驗證

在軟件的前面板設(shè)置了俯仰開關(guān)、偏航開關(guān)、橫滾開關(guān)、俯仰角顯示、偏航角顯示、俯仰角顯示、三維顯示窗口、速率顯示等。

2 試驗數(shù)據(jù)的驗證與分析

通過對MATLAB半實物仿真獲得的六自由度仿真數(shù)據(jù)、實航試驗數(shù)據(jù)、水下分離試驗數(shù)據(jù)進行三維可視化驗證,同時通過對三維可視化界面進行數(shù)據(jù)分析,仿真計算人員和試驗人員進行了體驗分析,感覺很直觀、明了,省去了查看各種數(shù)據(jù)曲線,限于篇幅,三維實航圖如圖3所示。

圖2 雷體坐標(biāo)系和地面坐標(biāo)系程序框圖Fig.2 Program block diagram of mine and ground coordinate system

通過上述三種數(shù)據(jù)源進行的三維可視化仿真過程可以得出,任何數(shù)據(jù)源,只要提供了三維模型和六自由度信息,均可以在此界面下進行三維視景顯示,使數(shù)據(jù)驅(qū)動三維模型更直觀明了,利于仿真人員和試驗人員的數(shù)據(jù)處理分析。

圖3 三維實航圖Fig.3 Diagram of 3D real navigation

3 結(jié)束語

本文主要基于LabVIEW軟件,利用彈道記錄儀數(shù)據(jù)或半實數(shù)仿真數(shù)據(jù),驅(qū)動三維模型,實現(xiàn)水雷彈道三維可視化。其中,建立了雷體坐標(biāo)系、地面坐標(biāo)系、場景顯示器和同步時鐘。

通過LabVIEW軟件變形選板中的“設(shè)置平移”和“設(shè)置旋轉(zhuǎn)”,特定組合驅(qū)動三維模型最終顯示出水雷六自由度運動情況。為實現(xiàn)水雷航行和布放彈道的可視化提供新的技術(shù)途徑,解決了無外場測量系統(tǒng)條件下水下運動彈道可視化的難題。有效提高了水雷實航彈道的分析效率,克服了特定水域及設(shè)備的制約,極大地方便了科研人員后期的數(shù)據(jù)處理和試驗結(jié)果分析。