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光电经纬仪虚拟现实仿真平台设计及关键技术研究

熊帅  
【摘要】:光电经纬仪被广泛应用于光电跟踪测量,随着其性能和跟踪测量要求的不断提高,基于实际外场实验的训练、测试方法和传统室内仿真测试方法,由于种种局限性,已经不能满足操作手训练和经纬仪测试的需求。针对这一现状,本文着眼于虚拟现实技术和系统仿真技术的结合,设计并研制了光电经纬仪虚拟现实仿真平台。平台具备手动跟踪、自动跟踪和半实物仿真三种功能模式,集操作手训练和经纬仪测试功能于一体,是对现有经纬仪模拟训练和仿真测试的重要拓展,具有较高的工程实用价值。 简要介绍了光电经纬仪的基本工作过程;分析总结了等效目标法、等效正弦法和旋转靶标测试法等传统室内仿真测试方法的局限性;根据平台研制的预期目标,以其功能需求为设计思路,设计了仿真平台总体方案,包括其系统结构、软硬件组成、工作模式、关键技术问题等。就实际使用效果而言,最终研制出的平台是经济、实用、高效和可靠的。 为了满足训练和测试对虚拟目标轨迹的要求,研究了两种目标轨迹仿真的方法。一种是基于实际外场实验数据,根据经纬仪单站或交汇测量模型进行轨迹仿真;另一种是基于目标各个阶段的运动特征,根据目标轨迹、速度和姿态之间的关系进行轨迹仿真。前者适用于针对外场任务进行针对性训练和测试,后者适用于仿真出满足经纬仪跟踪测试对角速度、加速度要求的目标轨迹。 实现了仿真平台的基础,即原始虚拟场景的实时渲染。研究了Creator三维建模技术和Vega视景仿真技术;在研究OpenGL透视投影成像规律与经纬仪相机成像特性关系的基础上,实现了虚拟场景的经纬仪成像特性模拟;研究了虚拟场景中云图背景的模拟,包括Vega云仿真模型、粒子系统云仿真、Perlin与Simplex噪声模拟云等;结合Vega、OpenGL和VC开发了场景仿真程序。在文中所给原始场景渲染实例中,帧频保持在270fps左右,完全满足仿真平台实时性要求。 为了让虚拟场景更加接近真实场景,研究了为原始场景实时添加所需图像效果的方法。基于Vega的程序结构和通道回调机制提出了对场景进行实时图像处理的方法:利用现代GPU(Graphics Processing Unit,图形处理单元)强大的图形能力和可编程性,用GLSL(OpenGL Shading Language, OpenGL着色语言)编写实现相应图像效果的着色器,代替OpenGL固定纹理映射功能完成对场景纹理的图像处理。用这种方法为原始虚拟场景添加了灰度化、噪声和降质模糊效果。噪声效果通过Perlin噪声和Simplex噪声实现,降质模糊效果通过对场景纹理进行卷积滤波实现。为了提高卷积滤波效率,提出了一种基于GPU线性纹理滤波功能的卷积滤波优化方法。对文中所给卷积滤波器实例,效率提高了60%以上。在文中给出的添加了以上效果的最终场景渲染实例中,帧频保持在240fps左右。 最后,研究了仿真平台各个工作模式的实现。通过虚拟现实技术实时渲染虚拟场景,通过RTW(Real-time Workshop)由经纬仪相关传动或跟踪控制Simulink模型生成跟踪状态实时解算模块,二者结合实现了手动和自动跟踪模拟,可方便灵活地进行有针对性的、可重复的操作手训练。构建了半实物仿真测试系统,将仿真平台与实际经纬仪结合,通过RTW/xPC完成经纬仪跟踪控制算法的快速实现,可方便快速地对经纬仪跟踪控制系统进行测试。


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