[发明专利]基于分布式架构的临近空间飞行器视景仿真方法

摘要

本发明属于飞行模拟技术领域。解决传统视景仿真建模缓慢和对用户建模技术要求较高的缺点，提供一种有效的分布式仿真架构和实时视景仿真相结合的仿真方法，本发明采取的技术方案是，基于分布式架构的临近空间飞行器视景仿真方法：所述方法借助于下列三部分装置实现：仿真专用的实时仿真系统以太网络，监控和视景传输专用的以太网络，以及基于光纤的dSPACE监控网络；所述方法包括如下步骤：分布式架构的仿真通信步骤：为分布式仿真调度步骤；实时仿真数据以太网传输步骤；视景仿真步骤。本发明主要应用于飞行模拟场合。

主权项

一种基于分布式架构的临近空间飞行器视景仿真方法，其特征是，所述方法借助于下列三部分装置实现：仿真专用的实时仿真系统以太网络，监控和视景传输专用的以太网络，以及基于光纤的dSPACE监控网络：仿真专用的实时仿真系统以太网络，具体组成为：(1)dSPACE实时仿真系统，该系统是由德国dSPACE公司开发的一套基于MATLAB/Simulink的控制系统开发及半实物仿真的软硬件工作平台，本发明采用的dSPACE实时仿真系统配备有两块DS1005处理器，负责运行临近空间飞行器的飞行器模型和控制方法；(2)xPC Target实时仿真系统，xPC Target是一种高性能的主机‑目标机结构原型环境，负责运行临近空间飞行器的飞行环境模拟模型和气动参数解算模型；监控和视景传输专用的以太网络，具体组成为：(1)仿真监控机，利用TCP/IP方式与xPC Target实时仿真系统进行通信，实现仿真程序的编译和下载，同时监控实时仿真数据，通过UDP方式传输给视景仿真计算机；(2)xPC Target实时仿真系统，通过该专用网络接收仿真监控机下载的仿真程序，并在仿真中将实时仿真数据传回宿主机监控；(3)视景仿真计算机，通过UDP方式接收仿真监控机发来的实时数据，驱动视景仿真程序，实现实时视景仿真；基于光纤的dSPACE监控网络，具体组成为：(1)仿真监控机，配备有DS817高速串行通讯接口板，通过光纤与dSPACE实时仿真机的DS814高速串行通讯接口板进行通讯，实现仿真程序的下载和仿真控制；(2)dSPACE实时仿真系统，配备有DS814高速串行通讯接口板，接收仿真监控机的仿真控制指令，并上传实时仿真数据；所述方法包括如下步骤：分布式架构的仿真通信步骤：仿真程序基于Matlab/Simulink进行开发，分别利用xPC Target模型库中的UDP子库和dSPACE公司提供的DS4504以太网实时接口库RTI来实现xPC Target实时仿真系统和dSPACE实时仿真系统的以太网通信，将仿真程序按功能划分为四部分，分别为飞行器模型，控制方法，环境模拟模型和气动参数解算模块，在每一部分仿真程序中添加UDP通信配置模块，先设置好本地的IP地址和数据接收端口，在模块的输入端添加UDP接收模块和解码模块，用于接收前一仿真节点发送来的字节流数据，并利用解码还原得到实际的仿真输入参数数据类型，再在模块输出端添加编码模块和UDP发送模块，将计算后的仿真数据打包为字节流用于数据传输，最后，设置好下一仿真节点即接收端的IP地址和端口号，将各部分仿真程序下载到相应的实时仿真系统中，即完成了分布式架构的仿真通信程序开发；分布式架构的仿真调度步骤：分布式仿真架构中采用dSPACE实时仿真系统和xPCTarget实时仿真系统，在dSPACE实时仿真系统的仿真模块中加入中断模块，利用dSPACE实时仿真系统产生统一的仿真时序中断触发信号，充当整个系统的调度中心，而xPCTarget实时仿真系统均工作在中断模式下，分布式仿真开始后，dSPACE实时仿真系统仿真周期先启动运行，并产生中断触发信号，xPC Target实时仿真系统响应中断触发信号，启动xPC Target实时仿真系统仿真周期，计算完成后产生中断返回信号，进入下一个dSPACE实时仿真系统仿真周期，直到整个仿真过程结束；实时仿真数据以太网传输步骤，分布式仿真开始后，仿真监控机完成监控应用程序的初始化工作，创建SOCKET套接字，绑定UDP发送端口为视景仿真计算机，并发送数据请求响应，一旦视景计算机响应请求建立连接，仿真监控机即可启动分布式仿真，开始实时监控获取来自dSPACE实时仿真系统和xPC Target实时仿真系统的仿真数据，并定时监控仿真运行状态，通过UDP方式传输打包的仿真数据到视景仿真计算机，直到整个仿真过程结束；视景仿真步骤：是在VC环境中，基于三维重建和OpenGL实现的，分为如下部分：(1)三维重建：在AUTOCAD软件中建立飞行器的三视图，保存为绘图交换文件格式，并在VC环境中建立相应的接口，将三视图的点、边信息读取到数组中保存；在三视图中二维点的基础上，根据三视图的“对应原理”，即“长对正，宽平齐，高相等”的特性，进行点的重建，获取飞行器模型三维点的信息；在三视图中二维边的基础上，根据三视图的“投影匹配性质”，按照三维边在三视图中投影的特征，将三维边分为七类，并建立决策树.将三维边分类，并建立决策树，完成线的重建具体步骤是，将前视图、左视图、俯视图依次作为入口，以深度优先方式遍历决策树，按照前视图、俯视图、左视图的顺序，判断候选投影链接的两个端点是否满足对应原理，最终获取匹配的边线的类型和坐标参数；在上述所获得的三维点、边的基础上，选择相邻的两条边，建立平面法线，根据深度优先搜索，获取平面内的所有边；然后，根据相关性质去除平面内的“伪边”并获取面的“极大环”，保存到相应数据结构中，“极大环”即可描述一个平面；(2)三维显示：在VC环境中，通过OpenGL函数库描绘飞行器的各三维平面，并通过贴图提高显示效果，增强真实性，通过显示列表提高显示效率；根据实时的六自由度飞行信息，通过X、Y、Z方向上的移动和绕轴的转动完成对模型的驱动，实现视景仿真；通过“球形法”建立天空大气模型，基于粒子效果实现飞行器的尾焰，并添加定时器实现“帧同步”，在大气环境中驱动模型实时飞行，并添加不同的视角。