基于LabVIEW的水雷六自由度弹道数据三维可视化实现

康宝臣,冯丽娜,王 园,王 威,李 琛

(山西汾西重工有限责任公司,山西 太原 030027)

0 引言

可视化或称视觉化,它的基本含义是将科学计算中产生的大量非直观的、抽象的或不可见的数据,借助计算机图形学和图像处理等技术,用几何图形和色彩、纹理、透明度、对比度及动画技术等手段,以图形图像信息的形式,直观、形象地表达出来,并进行交互处理[1]。1987年2月美国国家科学基金会的一个研究报告提出科学计算的可视(Visualization in Scientific Computing)问题。目前,它所提出的思想己成为世界科学界新兴学科研究中的热点。可视化技术从它的诞生之日起,便受到了各行各业的欢迎,目前它几乎涉及到了所有能应用计算机的部门[2]。

LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是美国NI(National Instrument)公司推出的一种基于图形化编程语言的虚拟仪器软件开发工具,它在工业界、学术界和研究实验室得到广泛使用[3]。使用LabVIEW功能强大的图形编程语言能够提高编程的效率,这种语言被称做图形编程语言。使用传统的编程语言需要花费几周乃至几个月才能编写的程序,用LabVIEW只需几个小时就能完成[4]。

水下武器系统或水下航行器UUV研制的高投入、高风险及海洋中航行、分离动作的特殊性,决定了从产品型号的可行性论证到最后正样的形成必须进行大量的地面仿真及验证工作,确保设计的正确性和可靠性[5]。为了降低开发难度、缩短开发周期,采用半实物仿真技术,在条件允许的情况下尽可能在仿真系统中接入实物,以取代数学模型。该方式既解决了数字仿真偏离实际情况太远的问题,也消除了实物仿真难度大、成本高的缺点[6]。

可以说,基于LabVIEW的某水雷六自由度弹道数据三维可视化仿真软件的编制,为实现水雷航行和布放弹道的可视化提供了新的技术途径,极大地方便了科研人员后期的数据处理和试验结果分析,解决了无外场测量系统条件下水下运动弹道可视化的难题。有效提高了水雷实航弹道和布放弹道的分析效率,克服了特定水域及设备的制约。对于数据处理结果的正确性验证,对减少试验次数、降低试验成本、缩短试验周期起到了关键性的作用。

1 三维可视化仿真软件的实现

水雷实航试验的水下弹道一般通过湖试、海试或者安装有特定装置的水池测量获得,湖试和海试时需要在仪器舱内装有光线惯性导航系统或者MEMS惯性导航系统记录水雷的六自由度信息,如果是方案初期的水池试验,需要在水池周围安装特定装置来记录样雷的数据信息。本文以水雷弹道测试记录仪采集的相关数据为基础,综合应用计算机技术,设计弹道三维可视化软件。通过把水雷航行时记录在存储器上的六自由度相关数据同步到计算机上,经数据处理和模型驱动实现水雷水下运动弹道的全三维可视化,解决了无外场测量系统条件下水雷航行和布放弹道可视化的难题,有效提高了水雷实航和布放弹道的分析效率,克服了必须在特定水域及特定设备的限制条件。利用Lab-VIEW平台编程开发,充分发挥场景显示器的三维功效[7]。

三维可视化仿真软件的实现分四部分:第一部分为水雷三维模型的处理和导入,第二部分为六自由度试验数据的处理和转换,第三部分为三维模型在LabVIEW中如何被六自由度试验数据驱动,第四部分为软件界面窗口的排布和可视化效果验证。

1.1 水雷三维模型的处理和导入

水雷三维模型通过UG或ProE等三维建模软件按照实际尺寸建立,如图1所示,完成后通过软件另存为wrl文件。

图1 三维模型的建立Fig.1 Establishment of 3D model

转换成中间格式后,需将文件放入到与程序VI相同的根目录下,程序引用时用的是相对路径。水雷运动姿态的数据采集原理和数学模型可参照文献[8]进行,采集到的试验数据需要进行处理和转换,六自由度试验数据的处理和转换需要通过MATLAB软件处理和转换成如表1所示,每个数据之间有一个空格来区分成向量组。

表1 六自由度数据格式Table 1 Data format of six DOF

MATLAB中螺旋弹道部分转换程序部分代码如下:

转换成标准数据源格式后通过导入程序将弹道数据加载到VI程序中。

1.2 六自由度试验数据驱动三维模型

三维模型驱动是整个程序的核心,通过上面的准备工作后,首先要建立雷体坐标系和地面坐标系,这样在可视化显示时有相对参照,产生三维立体感。雷体坐标系和地面坐标系建立程序框图如图2所示。

完成以上操作,需建立场景显示器和时钟同步,这样三维模型有了显示,同时通过六自由度数据里的时间信息时钟同步驱动三维模型限定了可视化过程中的速度。

三维模型驱动通过LabVIEW软件变形选板中的“设置平移”和“设置旋转”,各种组合层层驱动叠加实现六自由度变化显示。

1.3 软件界面窗口的排布和可视化效果验证

在软件的前面板设置了俯仰开关、偏航开关、横滚开关、俯仰角显示、偏航角显示、俯仰角显示、三维显示窗口、速率显示等。

2 试验数据的验证与分析

通过对MATLAB半实物仿真获得的六自由度仿真数据、实航试验数据、水下分离试验数据进行三维可视化验证,同时通过对三维可视化界面进行数据分析,仿真计算人员和试验人员进行了体验分析,感觉很直观、明了,省去了查看各种数据曲线,限于篇幅,三维实航图如图3所示。

图2 雷体坐标系和地面坐标系程序框图Fig.2 Program block diagram of mine and ground coordinate system

通过上述三种数据源进行的三维可视化仿真过程可以得出,任何数据源,只要提供了三维模型和六自由度信息,均可以在此界面下进行三维视景显示,使数据驱动三维模型更直观明了,利于仿真人员和试验人员的数据处理分析。

图3 三维实航图Fig.3 Diagram of 3D real navigation

3 结束语

本文主要基于LabVIEW软件,利用弹道记录仪数据或半实数仿真数据,驱动三维模型,实现水雷弹道三维可视化。其中,建立了雷体坐标系、地面坐标系、场景显示器和同步时钟。

通过LabVIEW软件变形选板中的“设置平移”和“设置旋转”,特定组合驱动三维模型最终显示出水雷六自由度运动情况。为实现水雷航行和布放弹道的可视化提供新的技术途径,解决了无外场测量系统条件下水下运动弹道可视化的难题。有效提高了水雷实航弹道的分析效率,克服了特定水域及设备的制约,极大地方便了科研人员后期的数据处理和试验结果分析。