基于RTW和视景仿真的经纬仪跟踪控制仿真测试系统

基于RTW和视景仿真的经纬仪跟踪控制仿真测试系统
熊帅;付承毓;刘子栋
【摘要】Testing on theodolite tracking control system is very important for the theodolite development. The function structure of the simulation test system was established. Real-time Workshop (RTW) was used to realize the tracking control algorithm fast. The virtual target motion scenes, which accord with the theodolite imaging character and effect and satisfy various simulation test demands, were rendered real-time based on the visual simulation technology. The practical applications show that this simulation test system can be used to test theodolite tracking control system and solve the limitation of traditional indoor test methods. It is not only convenient and fast, but also targeted and repeatable. The test system is quite useful to analyze and design theodolite tracking control system.% 在经纬仪研制中，对跟踪控制系统的测试具有十分重要的意义。

构建了经纬仪跟踪控制仿真测试系统的总体功能结构，通过Real-time Workshop (RTW)完成了跟踪控制算法的快速实现，通过视景仿真完成了符合经纬仪成像特性和效果，满足各种仿真测试需求的虚拟目标运动场景实时渲染。

实际应用表明，仿真测试系统达到了对经纬仪跟踪控制系统进行测试的目的，解决了传统室内测试方法局限性大的问题，不仅方便快速，而且具有针对性和可重复性，十分有利于实际经纬仪跟踪控制系统的分析与设计。

【期刊名称】《光电工程》
【年(卷),期】2013(000)005
【总页数】8页(P13-20)
【关键词】光电经纬仪;仿真测试;RTW;视景仿真
【作者】熊帅;付承毓;刘子栋
【作者单位】中国科学院光电技术研究所，成都 610209; 中国科学院光束控制重
点实验室，成都 610209; 中国科学院大学，北京 100049;中国科学院光电技术研
究所，成都 610209; 中国科学院光束控制重点实验室，成都 610209;中国科学院
光电技术研究所，成都 610209; 中国科学院光束控制重点实验室，成都 610209; 中国科学院大学，北京 100049
【正文语种】中文
【中图分类】TP391
0 引言
光电经纬仪跟踪控制系统的性能是其总体性能最重要的指标之一。

在经纬仪研制中，需对设计好的跟踪控制系统进行反复的、有针对性的测试以保证其性能。

首先实现使用的跟踪控制算法，然后通过相关测试方法对跟踪控制系统进行测试，并根据测试结果指导算法的分析与再设计，如此反复以最终满足研制需求。

对于算法实现，其一般流程是：首先根据经纬仪对象特性、相关技术指标等设计合适的控制算法，由此建立Simulink模型并进行仿真验证，然后手工编写代码实现算法并下载到控制器上，进行实验验证后再根据实验结果对算法进行再分析与再设计。

这样的实现过程需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。

对于跟踪测试，最基本的测试方法是通过实际外场实验。

但外场实验极大地受到人
力和物力的限制，成本高昂，且无法进行重复性的实验。

基于此，研究人员努力寻求室内条件下的测试手段。

典型的室内测试方法包括等效正弦法、等效目标法，光学动态靶标[1]等。

等效正弦法使用等效正弦来引导经纬仪跟踪，但当实际目标机
动性较强时，等效正弦的跟踪误差与实际目标的跟踪误差有较大的出入，因而适用范围不大。

等效目标法将目标的运动过程简化为等速、等高、直线运动，但实际目标的运动特征却远远复杂于此。

光学动态靶标是通过电机带动平行光管来模拟目标运动，改变电机转速、光管长度等可模拟出具有不同角速度和角加速度的运动轨迹，但其缺点同样明显：运动轨迹单一固定、运动区域有限、无法很好地同时满足特定角速度和角加速度的要求。

为了解决上述算法实现和跟踪测试中存在的问题，本文研究了一种仿真测试系统：一方面利用RTW直接从算法Simulink模型产生优化的、可移植的标准C代码，
不需修改即可下载到控制器上使用，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；另一方面则利用视景仿真渲染出符合经纬仪成像特性和效果、满足各种仿真测试需求的虚拟目标运动场景作为测试场景，避免了外场实验成本高而传统室内测试方法局限性大的问题。

1 仿真测试系统总体结构
仿真测试系统的目标是能够快速方便地对经纬仪跟踪控制系统进行测试，首先需要在控制器上快速实现跟踪控制算法，其次需要在室内条件下模拟出满足各种跟踪测试需求的目标运动场景。

基于这个目标，设计的仿真测试系统的总体结构如图1
所示。

仿真测试系统工作原理如下：建立跟踪控制算法Simulink模型，通过Matlab的RTW工具将此算法模型直接转化为标准的C代码并下载到经纬仪控制
器上，由此可以快速的实现算法并对经纬仪执行机构进行驱动和控制；通过视景仿真技术实时渲染出虚拟目标运动场景，将场景中目标的脱靶量信息传递给经纬仪控制器进行跟踪，控制器则将经纬仪视轴姿态返回给视景仿真计算机以更新虚拟场景，
由此形成闭环。

通过视景仿真可渲染出各种目标运动特性的虚拟场景，经纬仪对虚拟场景中目标的跟踪情况则反映了跟踪控制系统的性能，由此达到了测试的目的。

图1 系统结构Fig.1 System structure
2 基于RTW的算法快速实现
2.1 RTW简介
RTW是Matlab/Simulink的重要功能模块，它是一种基于Simulink的代码自动
生成环境，通过它可以将Simulink模型直接转换为优化的、可移植的标准C代码。

此生成的C代码可以在各种各样的实时或非实时的软硬件目标环境中运行，可以
在普通的PC硬件平台、DSP、微控制器(microcontroller)上运行，也可以在Windows、DOS或各种商用、个人的实时操作系统上运行，如xPC，VxWorks 等。

它实现了从系统设计到实现的完美过渡，大大减轻了软件工程师的编码工作量，并能避免大部分常见错误，缩短开发周期[2]。

2.2 xPC 目标(Target)方案
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PC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，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来实现宿主机和目标机之间的连接通信。

xPC目标方案的开发过程是：首先在宿主机建立Simulink模型并进行仿真前的参数配置，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，运行由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。

2.3 算法快速实现
在仿真测试系统中，利用RTW和xPC目标方案来完成算法的快速实现，采用普
通的PC机作为宿主机，目标机作为经纬仪控制器，则由PC104担任。

实现过程如下：首先在宿主机上建立跟踪控制系统Simulink模型，模型中包含了各种I/O 操作模块，可以从数据接口板上读取各种经纬仪传感器的数据进行处理，也可以将控制信号写入接口板以驱动经纬仪执行机构。

然后对RTW各种选项进行配置，包括选择定步长积分器、设置各种优化选项、选择xPC Target作为目标环境等，配置好后即可生成可执行的模型代码文件，之后将其下载到目标机即PC104上即可作为控制程序使用。

通过这样的实现过程，在建立好跟踪控制算法Simulink模型后，不再需要手工编写代码得到可执行程序，而是直接由RTW生成并通过xPC 实现快速的仿真测试，且模型相关参数能够在线进行调整。

3 基于视景仿真的测试场景
视景仿真是虚拟现实技术和系统仿真技术的结合，已经广泛应用于军事航空工程等领域之中。

它以计算机技术为核心，生成逼真的视觉、听觉、触觉等一体化的虚拟环境，并允许人、机和虚拟环境间进行动态交互。

利用视景仿真可以渲染出符合经纬仪成像特性和效果、满足各种仿真测试需求的虚拟目标运动场景[3]，可以作为测试场景供经纬仪跟踪控制测试使用，其关键部分主要包括目标轨迹仿真、各模型三维建模和基本场景渲染、成像特性模拟、实时图像效果添加等。

3.1 目标轨迹仿真
为了对跟踪控制系统进行测试，需要能够仿真出满足各种特定角速度和角加速度要求的目标运动轨迹。

准确的目标轨迹仿真方法是基于目标的动力学模型，即获取目标动力学特性后进行仿真，但这种方式比较复杂，许多目标的相关动力学参数也很难获取，且仿真目的并不针对跟踪性能测试，难以仿真出符合测试需求的运动轨迹[4]。

在仿真测试系统中，采用了两种方法来进行目标轨迹仿真。

第一种方法是基于实际外场实验数据，经纬仪外场实验数据中包含了时间、目标相对经纬仪的方位角A、俯仰角E以及距离R(测距系统)等，测量模型如图2所示，
通过坐标变换可得对应时间下目标在三维世界中的坐标，变换式如式(1)。

其中X
轴为正东方向，Y轴为正北方向，经纬仪方位角A在正北方向为0。

经过坐标变换后得到了目标空间位置序列，若此序列中时间间隔不符合场景仿真帧率或间隔过长导致场景中目标“跳动”现象，可以对数据进行插值处理，可选用拉格朗日插值或三次样条插值等。

第二种方法是基于目标运动特征，将目标运动轨迹分为不同运动阶段。

建立如图3所示的直角坐标系下目标运动轨迹―速度―姿态模型，其中α、β、δ1、δ2分别为
目标的俯仰角、方位角、方位攻角和侧向攻角。

可推出目标轨迹与其速度和姿态之间的关系满足式(2)，当δ1 =δ2=0时，目标运动速度的方向与目标中轴方向是一致的。

根据式(2)的方程组，建立相应Simulink模型，设定目标运动各个阶段的运动参数，主要设定各阶段飞行加速度、飞行姿态变化以及攻角变化等，运行后即可得到目标运动轨迹的位置和姿态序列。

采用这种方法的好处是将目标运动轨迹简化为各个运动阶段，各阶段可采用不同的运动模型及其组合，仿真出来的目标轨迹灵活多变，经过仔细的规划，可以设计出满足特定角速度和角加速度要求的目标轨迹。

图2 经纬仪测量模型Fig.2 Theodolite measurement model
图3 轨迹―速度―姿态模型Fig.3 Track-velocity-attitude model
3.2 各模型三维建模和基本虚拟场景渲染
一幅经纬仪对目标进行跟踪的场景，其基本元素至少包括目标模型、经纬仪机架模型、地形模型、云图背景模型等。

在仿真测试系统中，使用MultiGen-Creator来完成对各个模型的三维建模。

Creator是MultiGen-Paradigm公司专门针对可视化仿真特点而开发的三维建模软件，其模型数据格式flt已经成为业界的标准格式。

通过Creator的基本建模工具和各种建模优化技术，以及将其它格式模型文件转
换为flt文件，可以完成仿真系统对目标、地形、经纬仪等模型的建模需求。

为了将建立好的三维模型渲染成场景，Paradigm公司开发了与Creator配套的三维实时仿真软件Vega。

Vega进行场景渲染的底层是OpenGL，其API包括众多对象类，如观察点、对象、环境等，可方便地进行二次开发。

利用Vega，通过设定目标、地形等三维模型的位置姿态、设定观察点(即经纬仪相机)的位置姿态、设定视场参数(经纬仪成像特性)及其它一些环境效果设置等，就可以渲染出经纬仪相机在特定位置姿态下所“看到”的目标运动场景。

3.3 虚拟场景中经纬仪成像特性模拟
经纬仪系统通过CCD相机对目标进行拍摄，即通过Vega渲染的场景必须符合CCD相机的成像特性。

实际上，Vega渲染虚拟场景是通过其底层OpenGL完成。

相关文献已经论证过，只要将摄影测量的成像参数设置到OpenGL中的投影矩阵、视口矩阵和模型矩阵中，OpenGL与摄影测量的成像过程就完全一致，且成像准
确可靠、精度高[5-6]。

具体到本仿真测试系统中的虚拟CCD相机，可如下设置：首先，将CCD相机的内部成像参数(焦距、分辨率、像素尺寸等)根据透视投影原
理设置到OpenGL的视椎体设置函数glFrustum(l, b, r, t, n, f )中；然后将CCD
相机外部成像参数(位置(xe, ye, ze)和姿态(A, E))设置到视口变换函数
gluLookAt(xeye, yeye, zeye, xc, yc, zc, xup, yup, zup)中，(xeye, yeye, zeye)为相机位置(xe, ye, ze)；场景中心参考点(xc, yc, zc)为视点朝向(由相机位置姿态确定)上任意一点；向上矢量(xup, yup, zup)通常取(0,1,0)。

由此，渲染出来的虚拟
场景将符合CCD的成像特性[7]。

3.4 虚拟场景实时图像效果添加
以上渲染出来的基本虚拟场景，是通过OpenGL固定功能渲染管线直接渲染出来的，缺少实际经纬仪成像的相关图像效果，如灰度场景、图像降质、噪声等。

为了
使渲染出来的虚拟场景更加真实可信，应当对原始场景进行处理以添加相应的图像效果，难点在于如何保持场景渲染的实时性。

简单的考虑是先将帧缓存中的场景读入内存，进行相应图像处理操作后再写回帧缓存中。

但这样做存在两个问题：一是存在图像数据在帧缓存和内存之间的转移，随着图像尺寸的增大，这将是一份不小的开销；二是CPU进行图像处理运算效率不高。

相对CPU，现代图形处理单元(Graphics Processing Unit, GPU)针对图像处理优化了浮点数运算且能进行并行处理，具有强大的图形能力，同时还具有可编程性。

在进行虚拟目标运动场景渲染时，正是利用了现代GPU强大的图形能力和可编程性，通过OpenGL着色器语言(GLSL)编写实现相应图像效果的着色器来完成对场景的处理以添加相关图像效果[8]。

具体做法为：首先为场景所属通道创建“绘制后”回调函数，在场景绘制好后回调函数会被调用(此时场景还未显示)，在回调函数内先将场景保存为二维纹理；用GLSL编写实现相应图像效果的着色器，启用着色器后，画矩形覆盖场景，并将之前保存的场景纹理映射到此矩形上，在纹理映射的过程中，着色器将代替OpenGL的固定纹理映射功能，完成对场景纹理的图像处理；回调结束后显示的就是添加了相应图像效果的场景。

在仿真测试系统中，通过这种方法为场景添加了包括灰度场景、图像降质模拟、噪声等效果，由于利用的是现代GPU强大的图形能力，处理的实时性得到了保证。

4 仿真测试系统实现
4.1 系统硬件结构
以上介绍了基于RTW算法快速实现和基于视景仿真的测试场景渲染方法，根据实现它们的硬件需求，本着经济实用、简化结构的原则，建立了如图4所示的系统硬件结构。

在算法实现部分使用一台计算机PC1作为宿主机，实际经纬仪系统控制器的PC104作为目标机使用，二者通过网线相连。

在虚拟目标运动场景仿真部分，使用一台配备有可编程GPU的计算机PC2来进行场景实时渲染，PC2连接
有两台显示器，一台显示器Screen1显示用户控制界面，用户通过此界面对场景
仿真的各种功能进行选择控制，另一台显示器Screen2则显示渲染出来的虚拟目
标运动场景。

图4 系统硬件结构框图Fig.4 System hardware structure diagram
4.2 仿真系统实现
基于VC++、Vega、OpenGL及GLSL开发出经纬仪虚拟目标运动场景仿真平台。

图5所示为场景仿真平台模拟出的一帧虚拟场景，由Screen2显示。

虚拟场景分
为4个区域，1至4号区域分别为经纬仪探测视场、粗跟踪视场、精跟踪视场和
模型显示视场。

前3个区域模拟了各视场中经纬仪对目标进行跟踪的运动画面，
并且都添加了灰度化、图像降质、噪声等效果，模型显示视场则显示了系统跟踪目标时机架的转动情形。

图5 经纬仪虚拟场景Fig.5 Theodolite virtual scene
宿主机PC1用来建立跟踪控制算法Simulink模型并通过RTW生成可执行文件，算法可执行文件由宿主机下载到目标机上作为跟踪控制程序使用。

场景渲染计算机PC2与经纬仪控制器通过RS422串口相连，波特率为460.8 kb/s。

PC2提取虚拟场景中目标脱靶量信息并传给控制器，引导执行机构对虚拟目标进行跟踪，控制器则将经纬仪姿态信息返回给PC2用来更新场景，二者形成闭环。

图6所示为仿真
测试系统中各个部分相关实物图，图6(a)为场景仿真平台、图6(b)控制器(目标机)、图6(c)二维转台(执行机构)。

图6 仿真测试系统实物图Fig.6 Simulation test system physical diagram
4.3 仿真测试实验
实际经纬仪系统是根据其图像处理系统得到的脱靶量信息进行跟踪，而仿真测试系统中的场景仿真部分正好可以代替图像处理系统为实际经纬仪提供脱靶量信息，从这个角度来看，仿真测试系统应当是可以对经纬仪跟踪控制系统进行测试的。

为了验证本仿真测试系统的有效性，利用图6(c)中的二维转台进行了测试实验。

首先用频响仪测定它的角位置开环特性，由此设计PI控制器并建立Simulink模型，然后通过RTW生成可执行程序并下载到控制器中。

进行了以下实验，实验中所用XYZ直角系为仿真测试系统进行视景仿真所用坐标系，单位为m，如图2所示，Y 轴正方向方位角为0，X轴正方向方位角为-90°，X轴负方向方位角为90°。

实验1：光电经纬仪视轴中心位于(0，0，0)，目标从X轴正方向向X轴负方向匀速、等高、直线飞行，t=0时刻到达点(0，3 000，2 000)，当目标运动速度分别
为300 m/s、500 m/s和800 m/s时，目标相对经纬仪的方位角、方位角速度和方位角加速度如图7所示。

图7 实验1中目标方位角信息Fig.7 The azimuth information of the target in experiment 1
在实验中，通过两种方式获取此运动轨迹进行跟踪实验：第一种方式是在建立的跟踪控制算法Simulink模型中直接由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；第二种方式是通过场景仿真平台，渲染出此运动轨迹下的目标运动场景，提取脱靶量后通过串口传递给控制器进行跟踪。

记录下两种方式下方位角在±70°内时的跟
踪误差，如图8所示，图8(a)、图8(b)、图8(c)分别为目标速度为300 m/s、
500 m/s和800 m/s时的跟踪误差，点划线为等效目标法的跟踪误差，实线为仿
真测试系统的跟踪误差。

比较两种方式下的跟踪误差，可以发现，它们是非常接近的。

图8 实验1跟踪误差Fig.8 Tracking error results of experiment 1
实验2：假定目标相对经纬仪在俯仰角上作幅度为20°、频率为0.1 Hz的正弦运
动(20sin(0.2πt))。

同样的，分别通过跟踪控制程序自己(实际上就是传统室内仿真测试方法中的等效正弦法)和仿真测试系统产生运动轨迹进行跟踪实验，并记录下
跟踪误差如图9所示，图9(a)为等效正弦法跟踪误差，图9(b)为仿真测试系统跟踪误差。

经过比较可以发现，两种方式下跟踪误差也是非常接近的。

从以上两个实验可以看出，仿真测试系统代替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相比较，是基本一致的。

这说明本仿真测试系统是有效的，确实能够达到对经纬仪跟踪控制系统进行测试的目的。

图9 实验2跟踪误差结果Fig.9 Tracking error results of experiment 2
结束语
本文研究的经纬仪跟踪控制仿真测试系统是一种半实物的仿真方式，它用视景仿真产生虚拟目标运动场景供实际经纬仪进行跟踪测试，实际上是代替了经纬仪的相机和图像处理系统。

虚拟目标运动场景仿真可以容易地得到满足各种测试需求的目标运动轨迹。

利用RTW快速生成跟踪控制算法的可执行文件并下载到经纬仪控制器中使用，大大缩短了测试周期。

仿真测试系统达到了对经纬仪跟踪控制系统进行测试的目的，解决了传统室内测试方法局限性大的问题，不仅方便灵活，而且具有可重复性和针对性，十分有利于实际跟踪控制系统的分析与设计。

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