基于MATLAB与VC的鱼雷弹道三维可视化的实现＊

陈 龙 苑秉成 谢 勇 张宗波 李瑞亮

（1.海军工程大学兵器工程系 武汉 430033）（2.92840部队 青岛 266405）

1 引言

鱼雷实航试验的水下弹道一般通过外场测量获取，但是需要特定的水域，并在水下布放水声弹道测量系统。本文以鱼雷实航内测记录器采集记录的相关数据为基础，综合应用计算机技术，设计弹道可视化软件。通过对鱼雷航行时记录在存储器上的相关参数回放到计算机上，经分析处理实现鱼雷水下运动弹道的可视化，解决了无外场测量系统条件下水下运动弹道的难题。有效提高了鱼雷实航弹道的分析效率，克服了特定水域及设备的制约［1］。利用VC和MATLAB混合编程开发，而MATLAB的图形只能输出在自己的Figure窗口上，无法嵌入到VC的程序界面中，给混合编程应用造成了很大的障碍。利用COM组件技术的窗口嵌入方法，实现脱离MATLAB环境的应用程序开发。

2 鱼雷内测系统记录的弹道相关参数

鱼雷内测系统记录的参数主要包括：鱼雷总体参数、动力系统参数、控制系统参数、自导引信参数，其中与鱼雷水下运动弹道相关的参数有：

1）陀螺组件中的角度变换器的步进电机驱动信号（MPP）

此信号代表了鱼雷的转向指令转换产生的三相脉冲序列，由鱼雷控制系输出到步进电机上，形成如图1（a）所示的阶梯型的信号，阶梯的倾斜方向表示鱼雷的旋回方向，阶梯的宽度表示旋回运动的回转速率的大小，脉冲发生一次变化，就表示鱼雷回转a°。无叠加高频信号的脉冲表示，鱼雷无捕获目标时执行的初始转向或搜索指令如图1（a）所示。当鱼雷处于追踪目标阶段时，脉冲信号有高频信号叠加，如图1（b）所示。

图1 步进电机信号

记录的MPP信号中，没有出现阶梯型脉冲，则可认为鱼雷运动在水平面的投影是直航的；当存在阶梯脉冲时，则鱼雷发生了旋回运动，旋回的速率与阶梯脉冲的宽度有关，旋回运动的方向与阶梯信号的倾斜方向有关。直航运动就是旋回速率为零的运动。

2）推进器转数信号（GIE）

推进器转数信号是由转数传感器每n转就输出一个电压脉冲，而鱼雷的速度与脉冲的频率成线性关系。如图2所示。

图2 推进器转数信号

3）压力信号（PRESS）

由压力传感器测得的数据，可转换成鱼雷航行深度数据。

3 鱼雷三维弹道的可视化数学模型与方法

鱼雷弹道是鱼雷航行的轨迹，物理学上轨迹的计算就是取速度对时间的积分。但是在记录的数据中，无法直接获得速度矢量。鱼雷速度的大小，可根据GIE数据，根据式（1），可以得到鱼雷航行速度的大小S，根据压力数据可得到深度随时间的变化，在时间的微分可得到速度在垂直方向的分量ST，这样根据勾股定理可计算出鱼雷的速度水平方向的分量So，根据式（2）可根据ST，S求出夹角θ，然后求出So。速度解算示意图如图3所示。速度公式如下：

其中N为一定时间内的信号脉冲数，n为出现一个脉冲代表推进器转n转，Δt为时间间隔，单位s，K为经验常数，S的单位为kn。

图3 速度分解示意图

由MPP信号得出鱼雷水平的瞬时回转速率βi，分为直航和旋向运动，直航式（4），旋向运动式（5），水平航向角的计算公式如（3）

其中αi为某时刻的航向角，α0为初始航向角，单位：弧度；βn为回转速率，单位：1／s。

其中Xi，Yi分别为某时刻的水平坐标，Xi＋1，Yi＋1分别为下一个时刻的水平坐标，Δt为时间间隔

其中Rm为瞬时曲率半径。

利用VC编程实现对步进电机信号和推进器转数信号的转换计算。由于鱼雷记录的是采样后的离散数据，且都不是连续变化的，在编程中对数据变化上升沿与下降沿的计数，以及各沿之间的间隔，从而实现步进电机信号转换成鱼雷的回转速率，和推进器转数信号转换成鱼雷速度。

通过以上计算，依据弹道可视化模型，得到离散化的弹道坐标点 （Xi，Yi，Zi），生成数据文件。

4 混合编程

4.1 COM组件

组件对象模型（COM，Component Object Model）是微软提出的以组件为发布单元的软件开发技术。COM对象用C／S的方式，提供一类应用程序接口，允许任何符合标准的程序访问。COM对象是建立在二进制可执行代码的基础上，因此COM组件对象是语言无关的，这一特性使得用不同编程语言开发的组件对象进行交互成为可能。MATLAB可以通过MATLAB编译器和MATLAB COM Builder将MATLAB程序转换为动态链接库形式的COM组件，这些COM组件可以在其他程序中调用，这是VC和MATLAB混合编程的主要方式［2］。

4.2 混合编程的实现

4.2.1 实现混合编程的环境配置

要成功地实现混合编程，达到混合编程的要求并最终作为独立的应用程序发布，首先要对MATLAB及VC进行环境的配置。

对MATLAB编译环境进行设置：在MATLAB环境中运行mex setup命令，按屏幕提示选择有关选项，此处选编译器为 Microsoft VisualC／C＋＋Version6.0in C：＼Program Files＼Microsoft Visual Studio，路径按实际路径选择。然后在MATLAB环境中运行mbuild setup命令，设置方法同上［3～4］。

4.2.2 MATLAB中的实现

首先建立实现鱼雷三维弹道可视化的M文件其中代码如下：

在MATLAB下创建COM组件：

1）在matlab command window输入如下命令：≫deploytool；

2）建立deployment project：trshow.prj，确定安装位置E：＼matlab＼trshow，选择目标：Generic COM Component；

3）在deployment tool的Build下添加类，将trshow.m文件添加进去；

4）点击Build生成COM组件，至此COM组件已经由MATLAB完成。

4.2.3 VC下调用COM组件

1）将 E：＼matlab＼trshow＼src下的trshow＿idl.h、trshow＿idl＿i.c和mwcomtypes.h文件拷贝到VC建立的工程目录下。

2）选择菜单Project－Settings－属性页Link－下拉列表中选择Input，在“Object／Library modules”编辑框中输入连接库文件名：mclmcrrt.lib trshow.lib。

3）为程序添加头文件trshow＿idl.h、trshow＿idl＿i.c，mwcomtypes.h头文件已经在trshow＿idl.h中有添加。

4）在按钮响应函数中添加COM组件的调用，主要代码如下：

MATLAB图像窗口在VC界面中显示用函数Find－Window、SetWindowPos和SetParent，就可实现，其中Find－Window寻找到Windows系统中指定名称的窗口；SetWindowPos把窗口移动到指定的位置；而SetParent函数改变窗口的父窗口。

5 实验结果

图4 三维弹道显示界面

通过对鱼雷记录的弹道相关参数的研究，建立了鱼雷水下运动弹道可视化模型，并通过VC生成弹道坐标文件，运用COM组件技术，实现MATLAB的三维弹道显示窗口在VC界面中显示，结果如图4所示，此显示程序保留了MATLAB图形工具，可实现弹道的平面投影，如图5～图6所示。

图5 弹道水平面投影（XOY平面）

图6 弹道垂直面的投影（YOZ平面）

6 结语

利用COM组件技术，VC编译器调用MATLAB动态链接库，实现脱离MATLAB环境的应用程序开发，在很大程度上降低了软件开发的难度和编码工作量。VC的文件处理功能强大，支持大量数据的分析处理，由MATLAB绘制的3D弹道效果好，将MATLAB图形窗口嵌入到VC界面中，为弹道的绘制提供了方便，MATLAB的图形工具为鱼雷的弹道提供了便利，提高了编程效率及软件的可靠性，此绘制方法可实现数据分析处理及数据可视化的效果，提高了效率。

［1］Yuan BingCheng.MODERN HOMINNG TORPEDO TECHNOLOGY.WuHan： NANAL UNIVERSITY OF ENGINEERING，2005.

［2］牟彧清，王汝霖，李国新.MATLAB与VC接口技术的研究［J］.微计算机信息，2006，7（3）：275－277.

［3］刘维.精通 Matlab与C／C＋＋混合程序设计［M］.2版.北京：北京航空航天大学出版社，2008.

［4］董维国.深入浅出MATLAB 7.X混合编程［M］.北京：机械工业出版社，2006.