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(dá)出來,并進(jìn)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(jìn)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(yuǎn)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M(jìn)EMS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(xiàn)[8]進(jìn)行,采集到的試驗數(shù)據(jù)需要進(jìn)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(jìn)行三維可視化驗證,同時通過對三維可視化界面進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,仿真計算人員和試驗人員進(jìn)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(jìn)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(jìn)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。