CN103235545A - 一种光电跟踪系统的仿真测试方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明一种光电跟踪系统的仿真测试方法及装置，通过代码自动生成环境，由跟踪控制算法的Simulink模型生成实现该算法的C代码，并下载到光电跟踪系统的控制器中；在视景仿真计算机进行光电跟踪系统的虚拟场景仿真，实时渲染出需求的虚拟场景；视景仿真计算机将虚拟场景中的目标脱靶量信息传送给控制器，控制器根据脱靶量信息驱动光电跟踪系统执行机构对虚拟场景中的目标跟踪，并将光电跟踪系统的视轴姿态返回视景仿真计算机，视景仿真计算机根据光电跟踪系统的视轴姿态更新虚拟场景中观察点的姿态并产生新的目标脱靶量信息，重复以上过程仿真出光电跟踪系统的跟踪过程，所得跟踪数据用来对跟踪控制算法进行测试、分析与设计。
Description
技术领域
本发明属于虚拟现实和系统仿真领域，涉及在对光电跟踪系统的跟踪控制单元进行仿真测试时，如何在室内条件下为光电跟踪系统提供满足特定测试需求的虚拟场景，以及如何方便灵活地对各种跟踪控制算法及参数进行仿真，以达到对光电跟踪系统的跟踪控制单元进行测试、分析和设计的目的。
背景技术
光电跟踪系统可以对目标进行探测、捕获和跟踪，在很多领域应用广泛。光电跟踪系统的跟踪控制性能的好坏是评价其整体性能的最重要指标之一，在光电经跟踪系统研制过程中，对跟踪控制单元的分析、设计与测试就显得尤为重要。其主要过程概括起来如下：首先是实现跟踪控制单元所使用的跟踪控制算法，然后是利用相关测试方法对算法进行测试，并根据测试结果指导算法的再分析与再设计，以得到最终满足光电跟踪系统研制需求的跟踪控制单元。
传统的实现跟踪控制算法的流程是：首先根据光电跟踪系统的对象特性、相关技术指标等设计合适的控制算法，然后根据算法建立仿真模型并进行仿真验证，最终手工编写代码实现算法并下载到控制器上，进行仿真或实验验证后再对算法进行进一步的分析与设计。这样的实现过程需要进行大量的代码编写工作，且无法方便地进行算法相关模型和参数的修改，导致的结果就是开发周期长，成本高昂。
最基本的对光电跟踪系统的跟踪控制单元进行测试的方法是通过实际外场实验，即光电跟踪系统对靶机、导弹等飞行目标进行跟踪以检测其性能。但外场实验存在的巨大缺陷是：成本高昂，极大地受到人力和物力的限制，且无法进行重复性的实验。基于此，研究人员在寻求室内条件下的测试手段。
典型的室内仿真测试方法包括等效正弦法、等效目标法和旋转靶标测试法。等效正弦法使用等效正弦来引导光电经跟踪系统的跟踪，是在完全理想化状态下对跟踪控制单元进行的测试，当实际目标机动性较强时，等效正弦的跟踪误差将与实际目标的跟踪误差有很大的出入，因而适用范围不大。等效目标法将目标的运动过程简化为匀速、等高、直线运动，而实际目标的运动特征远远复杂于等效目标法所假设的目标运动特征，因此等效目标法很难测试出光电跟踪系统对实际目标的跟踪性能。旋转靶标是一种依靠旋转电机带动平行光管来模拟外场运动的装置，通过改变电机转速、光管的长度等可以模拟出具有不同角速度和角加速度的运动目标，但其缺点同样明显：运动轨迹单一固定、运动区域有限、无法很好地模拟出同时满足特定角速度和角加速度的运动轨迹，因此其使用范围也受到了一定的限制。
RTW(Real-Time Workshop)是Matlab的Simulink工具箱的一个重要功能模块，它是一种代码自动生成环境，利用它可以由建立的跟踪控制算法Simulink模型直接生成基于多种目标系统的标准C语言代码文件或编译成可运行模块。
视景仿真技术是虚拟现实技术和系统仿真技术相结合产生的一门技术，已经广泛应用于军事、航空、工程等领域之中。它主要是通过计算机相关技术实现对现实世界的模拟，产生包括视觉、触觉、听觉等各种人类感官在内的虚拟环境，并允许人、机和虚拟环境间进行实时、动态交互。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对以往光电跟踪系统研制过程中，跟踪控制单元设计周期长、成本高，测试手段局限性大的问题，本发明设计一种光电跟踪系统的仿真测试方法和装置。
为达成所述目的，本发明的技术解决方案的第一方面，提供一种对光电跟踪系统的跟踪控制单元的仿真测试方法，仿真测试步骤如下：
步骤S1：建立光电跟踪系统的跟踪控制算法Simulink模型；
步骤S2：通过Matlab软件的代码自动生成环境RTW，由跟踪控制算法Simulink模型，生成实现跟踪控制算法的标准C语言代码文件，并将代码文件下载到光电跟踪系统的控制器中；
步骤S3：在视景仿真计算机上对光电跟踪系统的虚拟场景进行视景仿真，通过视景仿真实时渲染出需求的虚拟场景；
步骤S4：视景仿真计算机将虚拟场景中的目标脱靶量信息传送给光电跟踪系统的控制器，控制器根据脱靶量信息驱动光电跟踪系统的执行机构对虚拟场景中的目标跟踪，并将执行机构的视轴姿态实时返回视景仿真计算机，视景仿真计算机根据视轴姿态更新虚拟场景中观察点的姿态并产生新的目标脱靶量信息；重复脱靶量信息和视轴姿态的更新，仿真出光电跟踪系统的跟踪过程，得到仿真跟踪过程的数据；
步骤S5：利用仿真跟踪过程的数据对光电跟踪系统的跟踪控制单元进行测试、分析与设计。
为达成所述目的，本发明的技术解决方案的第二方面，提供一种对光电跟踪系统的跟踪控制单元的仿真测试装置，所述装置由视景仿真计算机、计算机和光电跟踪系统构成，光电跟踪系统分为控制器和执行机构，其中：
视景仿真计算机用于进行视景仿真，视景仿真计算机连接两台显示器，一台显示器用于显示用户控制界面，用户通过控制界面完成对视景仿真功能的控制，另一台显示器则显示实时渲染出来的虚拟场景；
视景仿真计算机与控制器通过串口相连，视景仿真计算机向控制器发送虚拟场景中目标的脱靶量信息，并接收控制器返回的执行机构视轴姿态；
计算机与控制器连接，计算机用于建立光电跟踪系统的跟踪控制算法Simulink模型，并通过代码自动生成环境RTW生成标准C语言代码文件并下载到控制器中；
控制器与执行机构连接，控制器根据目标脱靶量信息驱动执行机构转动对虚拟场景中的目标进行跟踪；控制器通过测角传感器获取执行机构的视轴姿态，并实时返回给视景仿真计算机；视景仿真计算机根据视轴姿态更新虚拟场景中观察点的姿态并产生新的目标脱靶量信息；重复以上脱靶量信息和视轴姿态的反复更新的过程，仿真出光电跟踪系统的跟踪过程，得到的跟踪数据对光电跟踪系统的跟踪控制单元进行测试、分析与设计。
本发明与现有技术相比的有益效果如下：
本发明的仿真测试系统利用代码自动生成环境RTW直接从跟踪控制算法Simulink模型生成优化的、可移植的标准C语言代码，省去了大量的代码编写工作且相关参数能够方便地在线调整；利用视景仿真技术渲染出符合光电跟踪系统成像特性和效果、满足各种仿真测试需求的虚拟场景作为测试场景供光电跟踪系统使用，避免了外场实验成本高而传统室内仿真测试方法局限性大的问题；二者结合构成一种半实物仿真方式的光电跟踪系统的仿真测试方法及装置，达到对光电跟踪系统的跟踪控制单元进行测试的目的，不仅方便灵活，而且具有可重复性和针对性，十分有利于跟踪控制单元的分析与设计。
1、本发明用代码自动生成环境RTW完成由算法Simulink模型到标准C语言代码文件的转化，省去了大量的代码编写工作且相关参数能够方便地在线调整，缩短了开发周期。
2、本发明利用视景仿真技术实时渲染出虚拟场景供光电跟踪系统进行跟踪测试，场景比较真实可信，同时可以模拟出满足各种测试需求的目标运动轨迹，解决了传统室内测试方法局限性大的问题。
3、本发明结合自动代码生成环境RTW和视景仿真技术，构成一种半实物仿真方式的光电跟踪系统的仿真测试方法及装置，达到了对光电跟踪系统的跟踪控制单元进行测试的目的，不仅方便灵活，而且具有可重复性和针对性，十分有利于实际光电跟踪系统的跟踪控制单元的分析与设计。
附图说明
图1示出本发明的光电跟踪系统是光电经纬仪的仿真测试方法组成框图；
图2示出本发明的光电跟踪系统是光电经纬仪的仿真测试装置的硬件结构图；
图3示出本发明的光电跟踪系统是光电经纬仪的具体实施例的实物图；
图4示出本发明的光电跟踪系统是光电经纬仪的具体实施例的仿真测试实验1的跟踪误差；
图5示出本发明的光电跟踪系统是光电经纬仪的具体实施例的仿真测试实验2的跟踪误差；
图6示出本发明的光电跟踪系统是光电经纬仪的具体实施例的仿真测试实验3的跟踪误差。
具体实施方式
以下说明本发明的实施例。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例，该领域的技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。
以下说明的是本发明光电跟踪系统是光电经纬仪的具体实施例。当光电跟踪系统是光电经纬仪、光电吊舱或其它类似光电跟踪设备时，实现对其跟踪控制单元的仿真测试，同样可以按照本发明的方法原理和步骤。
如图1所示对光电跟踪系统的跟踪控制单元的仿真测试方法，本实施例中的光电跟踪系统是光电经纬仪，仿真测试步骤如下：
步骤S1：建立光电跟踪系统的跟踪控制算法Simulink模型；
步骤S2：通过Matlab软件的代码自动生成环境RTW，由跟踪控制算法Simulink模型，生成实现跟踪控制算法的标准C语言代码文件，并将代码文件下载到光电跟踪系统的控制器中；
步骤S3：在视景仿真计算机上对光电跟踪系统的虚拟场景进行视景仿真，通过视景仿真实时渲染出需求的虚拟场景；
步骤S4：视景仿真计算机将虚拟场景中的目标脱靶量信息传送给光电跟踪系统的控制器，控制器根据脱靶量信息驱动光电跟踪系统的执行机构对虚拟场景中的目标跟踪，并将执行机构的视轴姿态实时返回视景仿真计算机，视景仿真计算机根据视轴姿态更新虚拟场景中观察点的姿态并产生新的目标脱靶量信息；重复脱靶量信息和视轴姿态的更新，仿真出光电跟踪系统的跟踪过程，得到仿真跟踪过程的数据；
步骤S5：利用仿真跟踪过程的数据对光电跟踪系统的跟踪控制单元进行测试、分析与设计。
本实施例示出的对光电跟踪系统的跟踪控制单元的仿真测试装置如图2，所述光电跟踪系统是光电经纬仪，主要由视景仿真计算机、计算机和光电经纬仪构成。光电经纬仪可分为控制器和执行机构两个部分，其中：
视景仿真计算机用于进行视景仿真。视景仿真计算机连接两台显示器，一台显示器用于显示用户控制界面，用户通过控制界面完成对视景仿真功能的控制，另一台显示器则显示实时渲染出来的虚拟场景；视景仿真计算机与控制器通过串口连接，视景仿真计算机向控制器发送虚拟场景中目标的脱靶量信息，并接收控制器返回的光电经纬仪的视轴姿态。
计算机与控制器连接，计算机用于建立光电经纬仪的跟踪控制算法Simulink模型，并通过代码自动生成环境RTW生成标准C语言代码文件并下载到控制器中。
控制器与执行机构连接，控制器根据目标脱靶量信息驱动执行机构转动对虚拟场景中的目标进行跟踪；控制器通过测角传感器获取执行机构的视轴姿态，并实时返回给视景仿真计算机；视景仿真计算机根据视轴姿态更新虚拟场景中观察点的姿态并产生新的目标脱靶量信息；重复以上脱靶量信息和视轴姿态的反复更新的过程，仿真出光电经纬仪的跟踪过程，得到的跟踪数据用来对光电经纬仪的跟踪控制单元进行测试、分析与设计。
按照图1所示的仿真测试方法组成框图和图2所示的仿真测试装置硬件结构，我们完成了具体实施例，以半实物仿真的方式将视景仿真产生的虚拟场景和光电经纬仪结合起来，并通过代码自动生成环境RTW方便地实现跟踪控制算法，其实物图如图3所示。具体实现步骤如下：
(1)建立光电经纬仪的跟踪控制算法Simulink模型；
以经典的PI控制算法为例，对图3中右上角的光电经纬仪执行机构，首先利用频率响应仪测定它的角位置开环特性曲线，然后根据此角位置开环特性曲线设计PI控制器，并在Matlab中建立此PI控制器的Simulink模型。
(2)通过Matlab的Simulink工具箱的代码自动生成环境RTW，由步骤(1)得到的PI控制器的Simulink模型，生成实现该PI控制器的C语言代码文件，并将代码文件下载到光电经纬仪的控制器中；
所述步骤(2)中利用代码自动生成环境RTW由Simulink模型生成C语言代码文件包括以下步骤：
步骤21：在RTW的配置中选择定步长解算方式；
步骤22：在RTW的配置中选择合适的解算器类型；
根据Simulink模型的不同，适合的解算器类型有所不同。在本具体实施例中，选择4阶龙格-库塔解算器。
步骤23：在RTW的配置中选择合适的模型解算步长；
根据光电跟踪系统的跟踪控制单元的采样频率的不同，适合的解算步长有所不同。在本具体实施例中，根据所用光电经纬仪的跟踪控制单元的采样频率，解算步长设定为0.001秒。
步骤24：在RTW的配置中，将需要进行在线调整的模型参数设定为全局变量；
在本实施例中，是通过RTW由PI控制器的Simulink模型生成相应的C语言代码文件，需要进行在线调整的模型参数是PI控制器的比例参数和积分参数，因此在RTW的配置中将这两个参数设定为全局变量。
步骤25：在RTW的配置中，选择合适的系统目标；
通过RTW生成代码文件时，选择不同的目标系统，如grt.tlc、ert.tlc、rsim.tlc、xPC等，生成的目标代码文件也不尽相同。在本具体实施例中，选择的目标系统是xPC。
xPC是Matlab提供的一种用于产品原型开发、测试和配置实时系统的计算机解决途径。xPC目标采用了宿主机-目标机的“双机”技术途径，宿主机和目标机可以是不同类型的计算机。其中，宿主机用于运行Simulink模型，而目标机用于执行所生成的代码，二者之间通过以太网或串口线连接实现通信。xPC目标方案的开发过程是：首先在宿主机建立Simulink模型并进行的参数配置，然后用RTW和VC编译器将模型编译为一个可执行文件下载到目标机。目标机通过xPC实时内核，运行RTW生成的可执行程序，通过I/O通道与外部实物进行数据交换，即实现了半实物的实时仿真测试过程。
在本实施例中，采用图3中的计算机作为宿主机，目标机则由图3中光电经纬仪控制器担任。
步骤26：完成以上RTW配置后，点击build按钮即可生成模型的C语言代码文件并下载到目标机上。
(3)在视景仿真计算机上，利用视景仿真技术，实时渲染出光电经纬仪对目标进行跟踪的虚拟场景：用三维建模软件MultiGen-Creator建立光电经纬仪虚拟场景所需对象的三维模型，这些对象包括目标、地形和光电经纬仪；基于这些对象模型和虚拟目标轨迹仿真，用三维视景仿真软件MultiGen-Vega，实时渲染出满足光电经纬仪跟踪测试需求的虚拟场景。
所述步骤(3)中用三维建模软件MultiGen-Creator建立光电经纬仪虚拟场景所需对象的三维模型，主要是基于各对象的建模素材(如几何结构、纹理照片等)，利用Creator的多边形建模、矢量建模、地形生成等功能，结合Creator的各种建模优化技术和方法，来完成三维模型的建立。
(4)视景仿真计算机与光电经纬仪的控制器通过串口相连，建立光电经纬仪虚拟场景仿真计算机与光电经纬仪的通信，视景仿真计算机将渲染出来的虚拟场景中的目标脱靶量信息传送给光电经纬仪的控制器，控制器根据脱靶量信息驱动经纬仪执行机构对虚拟场景中的目标进行跟踪，并将光电经纬仪的视轴姿态实时返回给视景仿真计算机，视景仿真计算机根据光电经纬仪的视轴姿态更新虚拟场景中观察点的姿态，场景更新后就产生了新的目标脱靶量信息。重复以上脱靶量信息和视轴姿态的反复更新的过程，仿真出光电经纬仪的跟踪过程。
(5)利用仿真出的跟踪过程的数据对光电经纬仪的跟踪控制单元进行测试、分析与设计。
在具体实施例中，对步骤(1)中设计的PI控制器进行了以下仿真测试实验，实验中使用符合右手定则的XYZ直角坐标系，单位为米，Y轴正方向方位角为0，X轴正方向方位角为-90度，X轴负方向方位角为90度。
●实验1
虚拟目标运动轨迹设定如下：光电经纬仪视轴中心位于(0，0，0)，目标从X轴负方向向着X轴正方向匀速、等高、直线飞行，t＝0时刻到达点(0，3000，2000)，目标的运动速度分为300米/秒、500米/秒和800米/秒三种情形。
在实验中，通过两种方式获取此运动轨迹进行跟踪测试实验：第一种方式是在计算机上直接由Matlab产生，即跟踪控制程序自己产生目标方位角位置信号进行跟踪，这实际上就是传统室内仿真测试方法中的等效目标法；第二种方式是通过视景仿真计算机渲染出此运动轨迹下的目标运动场景，提取脱靶量后传递给控制器进行跟踪。记录下两种方式下方位角在正负70度内时的跟踪误差，如图4示，其中(a)对应目标速度为300米/秒的情形，(b)对应目标速度为500米/秒的情形，(c)对应目标速度为800米/秒的情形，红色点划线为等效目标法的跟踪误差，蓝色实线为本具体实施例的跟踪误差。比较两种方式下的跟踪误差，可以发现，它们是非常接近的。
●实验2
虚拟目标运动轨迹设定如下：假定目标相对经纬仪在俯仰角上作幅度为20度、频率为0.1赫兹的正弦运动。同样的，分别通过计算机(实际上就是传统室内仿真测试方法中的等效正弦法)和视景仿真计算机产生运动轨迹进行跟踪测试实验，并记录下跟踪误差如图5示，图5左边为等效正弦法的跟踪误差，图5右边为本具体实施例的跟踪误差。经过比较可以发现，两种方式下跟踪误差也是非常接近的。
●实验3
虚拟目标运动轨迹设定如下：光电经纬仪视轴中心位于(0，0，0)，目标在XZ平面上以点(0，4500，2000)为圆心作半径为1500米的匀速圆周运动，目标的运动周期分为6秒和10秒两种情形。
同样的，分别通过计算机(实际上就是对传统室内仿真测试方法中的旋转靶标法进行模拟)和视景仿真计算机产生运动轨迹进行跟踪测试实验，并记录下跟踪误差如图6示，图6左边对应周期6秒，图6右边对应周期10秒，蓝色实线为模拟旋转靶标的跟踪误差，红色点划线为本具体实施例的跟踪误差。经过比较可以发现，两种方式下的跟踪误差同样是非常接近的。
从以上3个实验可以看出，在本具体实施例中，视景仿真计算机代替光电经纬仪的图像处理系统提供脱靶量信息供经纬仪进行跟踪，其跟踪误差与传统室内仿真测试方法的相比较，是基本一致的。这说明本具体实施例中的仿真测试方法和装置是有效的，确实能够达到对光电经纬仪的跟踪控制单元进行测试的目的。本具体实施例中的仿真测试方法和装置，不仅方便灵活，而且具有可重复性和针对性，十分有利于实际光电跟踪系统的跟踪控制单元的测试、分析与设计。
本发明的硬件结构也可以是其它的形式，只要能满足所需功能即可，如视景仿真计算机的用户操作界面与虚拟场景可以由同一台显示器显示。
以上所述的光电跟踪控制系统的仿真测试方法和装置，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种光电跟踪系统的仿真测试方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤S1：建立光电跟踪系统的跟踪控制算法Simulink模型；
步骤S2：通过Matlab软件的代码自动生成环境RTW，由跟踪控制算法Simulink模型，生成实现跟踪控制算法的标准C语言代码文件，并将代码文件下载到光电跟踪系统的控制器中；
步骤S3：在视景仿真计算机上对光电跟踪系统的虚拟场景进行视景仿真，通过视景仿真实时渲染出需求的虚拟场景；
步骤S4：视景仿真计算机将虚拟场景中的目标脱靶量信息传送给光电跟踪系统的控制器，控制器根据脱靶量信息驱动光电跟踪系统的执行机构对虚拟场景中的目标跟踪，并将执行机构的视轴姿态实时返回视景仿真计算机，视景仿真计算机根据视轴姿态更新虚拟场景中观察点的姿态并产生新的目标脱靶量信息；重复脱靶量信息和视轴姿态的更新，仿真出光电跟踪系统的跟踪过程，得到仿真跟踪过程的数据；
步骤S5：利用仿真跟踪过程的数据对光电跟踪系统的跟踪控制单元进行测试、分析与设计。
2.一种光电跟踪系统的仿真测试装置，其特征在于，所述装置由视景仿真计算机、计算机和光电跟踪系统构成，光电跟踪系统分为控制器和执行机构，其中：
视景仿真计算机用于进行视景仿真，视景仿真计算机连接两台显示器，一台显示器用于显示用户控制界面，用户通过控制界面完成对视景仿真功能的控制，另一台显示器则显示实时渲染出来的虚拟场景；视景仿真计算机与控制器通过串口相连，视景仿真计算机向控制器发送虚拟场景中目标的脱靶量信息，并接收控制器返回的执行机构视轴姿态；
计算机与控制器连接，计算机用于建立光电跟踪系统的跟踪控制算法Simulink模型，并通过代码自动生成环境RTW生成标准C语言代码文件并下载到控制器中；
控制器与执行机构连接，控制器根据目标脱靶量信息驱动执行机构转动对虚拟场景中的目标进行跟踪；控制器通过测角传感器获取执行机构的视轴姿态，并实时返回给视景仿真计算机；视景仿真计算机根据视轴姿态更新虚拟场景中观察点的姿态并产生新的目标脱靶量信息；重复以上脱靶量信息和视轴姿态的反复更新的过程，仿真出光电跟踪系统的跟踪过程，得到的跟踪数据对光电跟踪系统的跟踪控制单元进行测试、分析与设计。
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