光电经纬仪虚拟现实仿真平台设计及关键技术研究

光电经纬仪虚拟现实仿真平台设计及关键技术研究

论文摘要

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。

论文目录

  • 致谢
  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第1章 绪论
  • 1.1 光电经纬仪发展概况
  • 1.2 虚拟现实技术及其应用现状
  • 1.2.1 虚拟现实技术
  • 1.2.2 国内外应用现状
  • 1.3 光电经纬仪仿真
  • 1.3.1 经纬仪仿真现状
  • 1.3.2 经纬仪仿真分类
  • 1.4 主要研究内容
  • 1.5 本文结构安排
  • 1.6 本章总结
  • 第2章 光电经纬仪虚拟现实仿真平台总体设计
  • 2.1 光电经纬仪基本工作过程
  • 2.2 传统室内仿真测试方法
  • 2.2.1 等效目标法
  • 2.2.2 等效正弦法
  • 2.2.3 旋转靶标测试法
  • 2.3 仿真平台总体设计
  • 2.3.1 仿真平台设计思路
  • 2.3.2 仿真平台系统结构
  • 2.3.3 仿真平台组成
  • 2.3.4 仿真平台工作模式
  • 2.3.5 仿真平台研制的三个关键技术问题
  • 2.4 本章总结
  • 第3章 光电经纬仪目标轨迹仿真
  • 3.1 基于实际外场数据的目标轨迹仿真
  • 3.1.1 经纬仪单站测量模型
  • 3.1.2 经纬仪双站交汇测量模型
  • 3.1.3 目标运动轨迹确定
  • 3.2 基于目标运动特征的轨迹仿真
  • 3.3 本章总结
  • 第4章 光电经纬仪虚拟场景仿真
  • 4.1 Creator 三维建模技术
  • 4.2 Vega 视景仿真技术
  • 4.2.1 Vega 的基本功能与特点
  • 4.2.2 Vega 类的构成
  • 4.2.3 Vega 仿真程序基本结构
  • 4.2.4 Vega 场景渲染过程
  • 4.2.5 Vega 回调机制
  • 4.2.6 多通道渲染
  • 4.3 经纬仪成像特性模拟
  • 4.3.1 相机内部成像参数模拟
  • 4.3.2 相机外部成像参数模拟
  • 4.4 云图背景模拟
  • 4.4.1 半球天空模型
  • 4.4.2 立方体模型
  • 4.4.3 Vega 云仿真模型
  • 4.4.4 粒子系统云仿真
  • 4.4.5 用 Perlin 噪声和 Simplex 噪声模拟云
  • 4.5 经纬仪场景仿真系统实现
  • 4.5.1 用户控制界面
  • 4.5.2 场景仿真程序流程
  • 4.5.3 原始虚拟场景
  • 4.6 本章总结
  • 第5章 虚拟场景实时图像效果添加
  • 5.1 对虚拟场景进行图像处理的途径
  • 5.1.1 三个处理步骤
  • 5.1.2 Vega 通道“绘制后”回调
  • 5.1.3 OpenGL 纹理映射
  • 5.1.4 处理途径流程
  • 5.2 基于 OpenGL 卷积的场景纹理处理
  • 5.3 基于 GLSL 着色器的场景纹理处理
  • 5.3.1 OpenGL 固定功能图形渲染管线
  • 5.3.2 OpenGL 着色语言
  • 5.3.3 GLSL 着色器完成场景纹理处理流程
  • 5.4 场景灰度化
  • 5.5 场景噪声效果添加
  • 5.5.1 Perlin 噪声
  • 5.5.2 Simplex 噪声
  • 5.5.3 Perlin 和 Simplex 噪声的分形叠加与云仿真
  • 5.5.4 基于 Perlin 噪声和 Simplex 噪声的场景噪声添加
  • 5.6 场景降质模糊效果添加
  • 5.7 基于 GPU 线性纹理滤波功能的卷积滤波优化
  • 5.7.1 卷积滤波
  • 5.7.2 GPU 线性纹理滤波
  • 5.7.3 优化方法原理
  • 5.7.4 优化方法处理过程
  • 5.7.5 优化方法实例与实验
  • 5.8 最终虚拟场景
  • 5.9 本章总结
  • 第6章 仿真平台各工作模式实现
  • 6.1 仿真平台搭建
  • 6.2 手动跟踪模式
  • 6.2.1 操控台
  • 6.2.2 单杆读值处理
  • 6.2.3 手动跟踪状态实时解算模块
  • 6.2.4 手动跟踪实现
  • 6.3 自动跟踪模式
  • 6.3.1 目标脱靶量求取
  • 6.3.2 自动跟踪状态实时解算模块
  • 6.3.3 自动跟踪实现
  • 6.4 半实物仿真模式
  • 6.4.1 半实物仿真测试系统结构
  • 6.4.2 基于 RTW/xPC 的算法快速实现
  • 6.4.3 半实物仿真测试系统实现
  • 6.5 本章小结
  • 第7章 全文总结与展望
  • 7.1 本文主要研究工作
  • 7.2 本文主要创新点
  • 7.3 未来研究工作
  • 参考文献
  • 作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果
  • 相关论文文献

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