實(shí)現(xiàn)紅外導(dǎo)引頭系統(tǒng)仿真自動化技術(shù)研究

喬曉慧 董云峰

北京航空航天大學(xué)宇航學(xué)院，北京100191

現(xiàn)代仿真系統(tǒng)的程序部署規(guī)模日益擴(kuò)大，尤其是分布式系統(tǒng)仿真［1］，更是越來越復(fù)雜，并且需要大量重復(fù)的仿真過程，人工操作方式效率過低，且耗費(fèi)了大量的人力、物力和財(cái)力。而自動化仿真技術(shù)可以設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)長期管理期間有人值守維護(hù)、無需人員操作的全新自動化流程，大大提高仿真效率和準(zhǔn)確度。

在實(shí)現(xiàn)自動化的過程中，若仿真系統(tǒng)中應(yīng)用到第三方軟件，且該軟件有二次編程的接口，可以通過編寫程序直接實(shí)現(xiàn)自動化仿真。文獻(xiàn)［2］針對這種情況已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自動化仿真。但對于仿真系統(tǒng)里有第三方軟件但無二次編程接口的情況，目前尚無公開文獻(xiàn)提及。本文針對這種情況，提出了一種以圖片識別為關(guān)鍵技術(shù)的自動化仿真技術(shù)，并以基于ADAM 和Matlab/Simulink 的紅外導(dǎo)引頭仿真系統(tǒng)為例，實(shí)現(xiàn)了紅外導(dǎo)引頭仿真過程中的仿真參數(shù)和系統(tǒng)配置的自動設(shè)置，極大的提高了仿真效率。

1 自動化操作平臺的框架

在利用HLA 框架的基礎(chǔ)上搭建自動化操作平臺框圖如圖1。

圖1 自動化操作平臺系統(tǒng)框圖

其中，操作節(jié)點(diǎn)1，操作節(jié)點(diǎn)2，…，操作節(jié)點(diǎn)N分布在各個不同的仿真節(jié)點(diǎn)上，充當(dāng)操作代理的角色，各個操作節(jié)點(diǎn)上存儲著一個可執(zhí)行程序的集合?？偪刂婆_由一臺獨(dú)立的計(jì)算機(jī)構(gòu)成，配備有語音輸入設(shè)備和數(shù)據(jù)手套輸入設(shè)備，同時總控制臺還和一個數(shù)據(jù)庫后臺相連接。整個系統(tǒng)啟動后，操作人員從總控制臺通過不同設(shè)備發(fā)出命令，通過網(wǎng)絡(luò)將命令發(fā)送到各個操作節(jié)點(diǎn)，操作節(jié)點(diǎn)接收到命令后調(diào)度相應(yīng)的可執(zhí)行程序來完成所要求的任務(wù)。

2 實(shí)現(xiàn)自動化關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 屏幕圖像感知和識別技術(shù)

對計(jì)算機(jī)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)的感知、識別是自動操作技術(shù)的基礎(chǔ)，主要包括:匹配屏幕上出現(xiàn)的圖像和識別指定位置的文字內(nèi)容。對于這兩項(xiàng)功能，現(xiàn)在均有成熟的軟件可以利用:對于匹配屏幕上出現(xiàn)的圖像可以采用Intel 公司的開源軟件包OpenCV，而識別屏幕文字則可采用開源的FreeOCR。

OpenCV［3－4］是由Intel 公司資助的開源計(jì)算機(jī)視覺庫。它由一系列C 函數(shù)和少量C ++類構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺方面的很多通用算法，包括300 多個C/C ++ 函數(shù)的跨平臺的中、高層API。它不依賴于其它的外部庫，但也可以使用某些外部庫。對非商業(yè)應(yīng)用和商業(yè)應(yīng)用都是免費(fèi)的。OpenCV 具有的強(qiáng)大功能，大體如下:

1)對圖像數(shù)據(jù)的操作，包括分配，釋放，復(fù)制，設(shè)置和轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù);

2)對圖像和視頻的輸入輸出，指文件和攝像頭做為輸入，圖像和視頻文件作為輸出;

3)具有基本的數(shù)字圖像處理能力，如可進(jìn)行濾波，邊緣檢測，角點(diǎn)檢測，采樣和插值，色彩轉(zhuǎn)換，形態(tài)操作，直方圖和圖像金字塔等操作;

4)可對各種結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，包括連接部件分析，輪廓處理，距離變換，各種距地計(jì)算，模板匹配，Hough 變換，多變形逼近，直線擬合，橢圓擬合和Delaunay 三角劃分等;

5)對目標(biāo)的識別，可采用特征算法和陰馬爾科夫模型法。

具有基本的GUI 的功能，包括圖像和視頻的顯示，鍵盤和鼠標(biāo)事件處理以及滾動條等。

2.2 模擬鼠標(biāo)鍵盤的操作技術(shù)

在自動化操作技術(shù)中，對計(jì)算機(jī)發(fā)出各種命令是必不可少的技術(shù)，主要包括模擬鼠標(biāo)點(diǎn)擊和模擬鍵盤輸入。在Windows 平臺下，有成熟可靠的API接口來實(shí)現(xiàn)這些功能。對于模擬鼠標(biāo)點(diǎn)擊有2 種技術(shù)手段:SendInput 模擬鼠標(biāo)輸入和PostMessage 發(fā)送鼠標(biāo)點(diǎn)擊消息;而對于模擬鍵盤輸入可以采用3種技術(shù)手段:SendInput 模擬鍵盤輸入，PostMessage發(fā)送鍵盤輸入消息和使用ClipBoard 剪貼板。

2.3 自動操作容錯技術(shù)

自動化操作技術(shù)主要思路是靠編寫程序來感知屏幕圖像，并進(jìn)一步判斷控制對象軟件的運(yùn)行狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上對控制對象軟件進(jìn)行模擬鼠標(biāo)鍵盤的輸入。而實(shí)際控制對象軟件的運(yùn)行環(huán)境是非常復(fù)雜的，軟件在運(yùn)行過程中發(fā)生各種各樣的錯誤是不可避免的，因此自動化操作技術(shù)必須解決容錯問題，本文提供了操作確認(rèn)技術(shù)來解決容錯問題，主要包括消極確認(rèn)和積極確認(rèn)。

2.4 MAILSLOT 通信技術(shù)

在自動化操作技術(shù)中往往需要多個程序模塊進(jìn)行協(xié)調(diào)工作，而且工作方式是一個服務(wù)節(jié)點(diǎn)同時為多個客戶端節(jié)點(diǎn)提供操作服務(wù)，這就需要一種合適的能同時提供一對一、一對多的通信方式，在Windows 平臺下，Mailslot 通信技術(shù)能較好的滿足這一要求。Mailslot 通信機(jī)制與普通電子郵件機(jī)制類似，各個通信節(jié)點(diǎn)均有自身唯一的名稱和消息隊(duì)列，只要知道對方的名稱，即可向其發(fā)送消息。

3 紅外導(dǎo)引頭自動化仿真

紅外導(dǎo)引頭仿真工程的控制回路采用Matlab軟件的Simulink 建模，被控對象模型在ADAMS 軟件中實(shí)現(xiàn)。ADAMS 軟件提供了和Matlab 軟件聯(lián)合仿真的信息交換機(jī)制，事先確定好聯(lián)合仿真時2個軟件之間需要交互的信息，然后在結(jié)構(gòu)建模時定義出相應(yīng)的狀態(tài)變量，通過軟件接口即可實(shí)現(xiàn)仿真過程中的信息交換，這樣完整的控制回路閉環(huán)模型得以建立。在這樣的基礎(chǔ)上，在利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的圖像匹配與動作執(zhí)行服務(wù)器獲取圖片和圖片信息后，實(shí)現(xiàn)自動化只需要按照圖2 流程建立程序。

圖2 實(shí)現(xiàn)自動化仿真流程圖

3.1 實(shí)現(xiàn)自動化的具體過程分析

3.1.1 建立客戶端與服務(wù)節(jié)點(diǎn)的通信管道

在本文中我們使用郵件槽為通信方式，Mailslot通信技術(shù)能較好的提供一對一、一對多的通信方式，使服務(wù)節(jié)點(diǎn)能為客戶端節(jié)點(diǎn)提供很好的操作服務(wù)。

本文中的實(shí)現(xiàn)方式如下:

Missle 文件夾為存放圖片的文件夾，Missle. ini文件中記錄了各個圖片的具體屬性，例如:搜索區(qū)域，顏色區(qū)分，點(diǎn)擊偏移等。該文件是在截取圖片的過程中由截圖工具獲得的。

3.1.2 執(zhí)行打開操作

在實(shí)現(xiàn)自動化的過程中，要執(zhí)行打開操作的地方主要有打開Matlab 編輯窗口，打開對應(yīng)的M 文件以及模型文件。

首先打開Matlab 編輯窗口，系統(tǒng)使用函數(shù)ShellExecute 實(shí)現(xiàn)。

ShellExecute 函數(shù)是Windows 系統(tǒng)內(nèi)函數(shù)，可以根據(jù)要打開的文件路徑來實(shí)現(xiàn)打開文件操作。

具體實(shí)現(xiàn)語句為:

ShellExecute(NULL ，_T("open")，" C:ProgramFiles MATLAB R2006b bin matlab. bat"，NULL，NULL，SW_SHOW);

然后執(zhí)行打開M 文件的操作。在成功打開MATLAB 軟件后，在編輯窗口中直接輸入打開文件指令，打開文件。然后使用函數(shù)InputChar，F(xiàn)unction-InputChar 模擬鍵盤操作。

具體實(shí)現(xiàn)語句如下:

InputChar 函數(shù)中第一個和第二個參數(shù)為要輸入點(diǎn)的中心坐標(biāo)，由SendInPut 獲取，該軟件可以方便快捷地獲得相對屏幕左上角的以分辨率為單位的屏幕坐標(biāo)，即屏幕左上角的坐標(biāo)為(0，0)。

具體實(shí)現(xiàn)語句如下:MoveWindowTo(ptLeftTop，lWidth，lHeight);

FunctionInputChar("ENTER")。

LockWindow("Editor")是鎖定新打開的Editor窗口獲得窗口句柄，以便使下面的操作轉(zhuǎn)換到對Editor 窗口的操作。

FunctionInputChar("F5")模擬快捷鍵F5 運(yùn)行SeekerTracking.m 文件。

LockWindow("MATLAB")鎖定MATLAB 窗口，獲得窗口句柄，以便使以下操作轉(zhuǎn)換到對MATLAB窗口的操作。

在成功實(shí)現(xiàn)打開Matlab 軟件以及M 文件之后，需要打開模型文件，具體語句如下:

運(yùn)行模型文件就要成功點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕。具體實(shí)現(xiàn)語句如下:

在這個過程中采用了自動容錯機(jī)制，具體語句如下:

在這個過程中多次應(yīng)用了容錯機(jī)制。這種容錯機(jī)制采用了進(jìn)一步判斷控制對象軟件的運(yùn)行狀態(tài)來自動化容錯的思想。例如本系統(tǒng)中在成功點(diǎn)擊了運(yùn)行按鈕后，運(yùn)行按鈕會變成暫停按鈕，這種狀態(tài)的變化就可以作為點(diǎn)擊運(yùn)行成功與否的判斷依據(jù)。

3.1.3 修改工況并進(jìn)行運(yùn)算

飛行器飛行的速度工況是由幾個方向的速度耦合得到的，自動化仿真系統(tǒng)的目標(biāo)是要實(shí)現(xiàn)能自動讀入多種工況，并依據(jù)讀入的信息自動進(jìn)行修改。

以修改一種工況為例:

3+2* sin(2* pi* u(1)+1.2* pi)+4* cos(2*pi* u(1)+1.2* pi)

首先雙擊打開飛行模塊，雙擊操作由連續(xù)使用兩次ClickOnePhoto 來實(shí)現(xiàn)。雙擊要修改的速度模塊(以先修改X 方向?yàn)槔?，使用LockWindow("Function Block Paramters")獲得新打開的窗后句柄，使以下操作都是針對新打開的窗口。然后由語句InputChar(58，143，"3 +2* sin(2* pi* u(1)+1.2* pi)+4* cos(2* pi* u(1)+1.2* pi)")實(shí)現(xiàn)填寫工況，如圖3。

圖3 修改x 方向速度

在表達(dá)式框中輸入新的速度表達(dá)式，使用語句ClickOnePhoto("OK"，300)確定輸入并關(guān)閉函數(shù)窗口，再以同樣的方法改變Z 軸方向速度，直到整個自動化仿真過程完成。

4 總結(jié)

文中提出了基于圖片識別的自動化技術(shù)，并以實(shí)現(xiàn)紅外導(dǎo)引頭系統(tǒng)仿真自動化為例，進(jìn)行了詳細(xì)說明。這對于分布式仿真，大規(guī)模作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)這種有高可靠性要求的項(xiàng)目更是必不可少，能大大減少人工操作帶來的錯誤，促進(jìn)相應(yīng)的實(shí)際研究項(xiàng)目的順利進(jìn)行。

［1］陳家照，何全明，關(guān)正西.基于HLA 的某導(dǎo)彈發(fā)射訓(xùn)練仿真系統(tǒng)開發(fā)［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2006，18(12):3393-3402.(Chen Jiazhao，He Quanming，Guan Zhengxi. Development of Missile Launching Training Simulation System Based on HLA［J］. Journal of System Simulation，2006，18(12):3393-3402.)

［2］李志強(qiáng)，張向剛. 基于虛擬儀器的電視導(dǎo)引頭自動測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］. 儀器儀表學(xué)報(bào)，2008，29(4):662-664.(Li Zhiqiang，Zhang Xianggang.Design of the Automatic Test System on Technology of the Virtual Instrument for Television Homing Seeker［J］.Chinese Journal of Scientific Instrument，2008，29(4):662-664.)

［3］秦小文，溫志芳，喬維維. 基于OpenCV 的圖像處理［J］.電子測試，2011，7(7):39-40.(Qin Xiaowen，Wen Zhifang，Qiao Weiwei.Image Processing Based on OpenCV［J］.Electronic Test ，2011，7(7):39-40.)

［4］黎松，平西建，丁益洪.開放源代碼的計(jì)算機(jī)視覺類庫OpenCV 的應(yīng)用［J］. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2005，8(8):134-135.(Li Song，Ping Xijian，Ding Yihong.Application of Open Source Computer Vision Library［J］. Computer Applications and Software，2005，8(8):134-135.)