基于LabVIEW的水雷六自由度彈道數據三維可視化實現

康寶臣,馮麗娜,王 園,王 威,李 琛

(山西汾西重工有限責任公司,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計算中產生的大量非直觀的、抽象的或不可見的數據,借助計算機圖形學和圖像處理等技術,用幾何圖形和色彩、紋理、透明度、對比度及動畫技術等手段,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月美國國家科學基金會的一個研究報告提出科學計算的可視(Visualization in Scientific Computing)問題。目前,它所提出的思想己成為世界科學界新興學科研究中的熱點。可視化技術從它的誕生之日起,便受到了各行各業的歡迎,目前它幾乎涉及到了所有能應用計算機的部門[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工具,它在工業界、學術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]。

水下武器系統或水下航行器UUV研制的高投入、高風險及海洋中航行、分離動作的特殊性,決定了從產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,確保設計的正確性和可靠性[5]。為了降低開發難度、縮短開發周期,采用半實物仿真技術,在條件允許的情況下盡可能在仿真系統中接入實物,以取代數學模型。該方式既解決了數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據三維可視化仿真軟件的編制,為實現水雷航行和布放彈道的可視化提供了新的技術途徑,極大地方便了科研人員后期的數據處理和試驗結果分析,解決了無外場測量系統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備的制約。對于數據處理結果的正確性驗證,對減少試驗次數、降低試驗成本、縮短試驗周期起到了關鍵性的作用。

1 三維可視化仿真軟件的實現

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裝有光線慣性導航系統或者MEMS慣性導航系統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據信息。本文以水雷彈道測試記錄儀采集的相關數據為基礎,綜合應用計算機技術,設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數據同步到計算機上,經數據處理和模型驅動實現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備的限制條件。利用Lab-VIEW平臺編程開發,充分發揮場景顯示器的三維功效[7]。

三維可視化仿真軟件的實現分四部分:第一部分為水雷三維模型的處理和導入,第二部分為六自由度試驗數據的處理和轉換,第三部分為三維模型在LabVIEW中如何被六自由度試驗數據驅動,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。水雷運動姿態的數據采集原理和數學模型可參照文獻[8]進行,采集到的試驗數據需要進行處理和轉換,六自由度試驗數據的處理和轉換需要通過MATLAB軟件處理和轉換成如表1所示,每個數據之間有一個空格來區分成向量組。

表1 六自由度數據格式Table 1 Data format of six DOF

MATLAB中螺旋彈道部分轉換程序部分代碼如下:

轉換成標準數據源格式后通過導入程序將彈道數據加載到VI程序中。

1.2 六自由度試驗數據驅動三維模型

三維模型驅動是整個程序的核心,通過上面的準備工作后,首先要建立雷體坐標系和地面坐標系,這樣在可視化顯示時有相對參照,產生三維立體感。雷體坐標系和地面坐標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據里的時間信息時鐘同步驅動三維模型限定了可視化過程中的速度。

三維模型驅動通過LabVIEW軟件變形選板中的“設置平移”和“設置旋轉”,各種組合層層驅動疊加實現六自由度變化顯示。

1.3 軟件界面窗口的排布和可視化效果驗證

在軟件的前面板設置了俯仰開關、偏航開關、橫滾開關、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 試驗數據的驗證與分析

通過對MATLAB半實物仿真獲得的六自由度仿真數據、實航試驗數據、水下分離試驗數據進行三維可視化驗證,同時通過對三維可視化界面進行數據分析,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,省去了查看各種數據曲線,限于篇幅,三維實航圖如圖3所示。

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

通過上述三種數據源進行的三維可視化仿真過程可以得出,任何數據源,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,使數據驅動三維模型更直觀明了,利于仿真人員和試驗人員的數據處理分析。

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

3 結束語

本文主要基于LabVIEW軟件,利用彈道記錄儀數據或半實數仿真數據,驅動三維模型,實現水雷彈道三維可視化。其中,建立了雷體坐標系、地面坐標系、場景顯示器和同步時鐘。

通過LabVIEW軟件變形選板中的“設置平移”和“設置旋轉”,特定組合驅動三維模型最終顯示出水雷六自由度運動情況。為實現水雷航行和布放彈道的可視化提供新的技術途徑,解決了無外場測量系統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備的制約,極大地方便了科研人員后期的數據處理和試驗結果分析。