CN102426424B - 基于分布式架构的临近空间飞行器视景仿真方法 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
技术领域
本发明属于飞行模拟技术领域，特别涉及一种基于分布式架构的临近空间飞行器视景仿真方法。
背景技术
临近空间飞行器飞行速度通常大于5倍声速，且飞行覆盖范围广，飞行环境复杂，任何较小的扰动都能对其控制性能造成较大的影响。传统的数字仿真提供的仿真数据和曲线不足以全面直观的反映临近空间飞行器的飞行状态特点和控制性能优劣。因此，采用分布式实时仿真架构充分验证飞行器控制性能和实时性能，使用可视化仿真技术逼真的显示实时仿真控制效果，在临近空间飞行器的仿真领域具有十分重要的作用和意义。
分布式仿真用于验证控制系统各分系统之间的数据传输实时性、时序正确性，常用的解决方案包括dSPACE实时仿真系统和xPC Target实时仿真系统两种。dSPACE实时仿真系统实时性强，可靠性高，但是全部用dSPACE实时仿真系统搭建平台造价太高，且不易于硬件的升级替换。xPC Target实时仿真系统采用x86架构的计算机来实现，成本较低且易于扩展丰富的I/O接口，同时，Matlab提供的以太网通信工具箱也方便搭建实时以太网通信，但是其实时性能低于dSPACE实时仿真系统，不适宜高精度仿真。因此，采用dSPACE实时仿真系统与xPC Target实时仿真系统相结合的方式进行分布式仿真系统的开发，可以充分利用两者的优势，快速搭建分布式仿真架构。
视景仿真主要包括建模和模型驱动两个方面，有关视景仿真方面的研究，目前主要开发途径有三种方式：底层开发、上层开发和交互开发。第一种，底层开发即通过底层的函数库(OpenGL或者Direct3D)完成，开发周期长，开发方式自由；第二种，上层开发是利用商业软件完成，常见的是Creator/Vega，其中Creator完成建模，Vega完成模型驱动，受限于商业软件，底层进行封装，某些功能不能实现；第三种，交互开发是利用软件完成建模，通过接口导入到底层函数库中驱动，常见的是在3DMAX中完成建模，在OpenGL中进行模型驱动，结合了第一、二种方式的优点，但是建立模型需要专业技能。
发明内容
为克服现有技术的不足，解决分布式仿真开发成本高周期长，以及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；
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xPCTarget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xPCTarget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xPC Target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xPC Target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。
建立决策树步骤是，首先需要根据基三视图的投影匹配性质，结合边在三视图中的投影特征进行分类，直线边可以分为七大类：L1型，平行于y轴；L2型，平行于x轴；L3型，平行于z轴；L4型，垂直于x轴，但不平行于y轴和z轴；L5型，垂直于y轴，但不平行于x轴和z轴；L6型，垂直于z轴，但不平行于x轴和y轴；L7型，倾斜；然后根据对投影链接进行的分类以及投影链接的类型，构造决策树。
本发明具有如下技术效果：
采用dSPACE实时仿真系统与xPC Target实时仿真系统相结合的开发思路，利用dSPACE实时仿真系统的高实时性能实现了飞行控制器的快速原型设计和飞行器模型解算，同时，利用xPC Target实时仿真系统模拟飞行环境和气动参数计算，充分验证临近空间飞行器的控制性能，以及各分系统之间的传输实时性。视景仿真采用基于三视图的三维重建技术，解决了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，针对不同的飞行器建立三维模型，降低了对用户的技能要求，极大的提高了平台的开发速度，增强了平台的通用性，节约了成本。本发明的分布式实时视景仿真平台，能逼真显示临近空间飞行器的实时视景飞行效果，为临近空间飞行器进一步的仿真试验和产业化提供了有利的条件。
附图说明
图1分布式仿真平台硬件结构示意图。
图2实时以太网通信流程图。
图3分布式仿真调度流程图。
图4实时仿真数据以太网传输流程图。
图5点的重建示意图。
图6决策树示意图。图中：PX：平行于X轴的直线链接，PY：平行于Y轴的直线链接，PZ：平行于Z轴的直线链接，SL：倾斜的直线链接，MB匹配的直线和点，f-前视图，s-左视图，t-俯视图，l-直线，n-点，如f1表示前视图中的直线。
图7求解流程图。
图8面的重建流程图。
图9飞行器三维立体图。
图10实时飞行仿真图。
具体实施方式
针对现有技术的不足，本发明提出了采用dSPACE实时仿真系统与xPC Target实时仿真系统相结合的分布式仿真架构，以及基于三维重建的视景仿真技术，通过三维重建建立飞行器模型，利用底层函数库驱动模型进行仿真交互。
通过对现有技术的检索，并未发现类似专利。特别是针对临近空间飞行器，没有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平台。
本发明的目的在于提供一种能够用于临近空间飞行器的分布式实时视景仿真平台。采用dSPACE实时仿真系统与xPC Target实时仿真系统相结合的开发思路，利用dSPACE实时仿真系统的高实时性能实现了飞行控制器的快速原型设计和飞行器模型解算，同时，利用xPCTarget实时仿真系统模拟飞行环境和气动参数计算，充分验证临近空间飞行器的控制性能，以及各分系统之间的传输实时性。视景仿真采用基于三视图的三维重建技术，解决了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，针对不同的飞行器建立三维模型，降低了对用户的技能要求，极大的提高了平台的开发速度，增强了平台的通用性，节约了成本。本发明的分布式实时视景仿真平台，能逼真显示临近空间飞行器的实时视景飞行效果，为临近空间飞行器进一步的仿真试验和产业化提供了有利的条件。
分布式架构实时视景仿真平台，硬件包括仿真监控机，dSPACE实时仿真系统，xPC Target实时仿真系统，以及实时视景仿真计算机。软件主要包括分布式仿真监控软件和视景仿真软件。
本发明基于dSPACE实时仿真系统和xPC Target实时仿真系统通过以太网组网开发，临近空间飞行器复杂的飞行器模型和控制器利用dSPACE实时仿真系统保证其实时性，环境模拟模型和气动参数模型则分别运行在xPC Target实时仿真系统中，整个系统通过以太网UDP方式进行通信，dSPACE实时仿真系统充当整个系统的调度中心，实现仿真实时同步。同时，仿真数据分别通过光纤和以太网从dSPACE实时仿真系统和xPC Target实时仿真系统返回仿真监控机进行数据监控和保存，并实时传输到视景计算机，通过视景仿真软件实现实时视景仿真的显示和管理。整个系统分为dSPACE实时仿真系统开发、xPC Target实时仿真系统开发和视景仿真开发三部分。
1.dSPACE实时仿真系统开发，分为以下几个步骤：
(1)模型编译下载：利用dSPACE实时接口库(RTI)驱动程序实现仿真模型到dSPACE实时仿真程序的自动编译和下载。
(2)dSPACE实时仿真系统以太网通信：通过dSPACE公司的DS4504载体板，以太网通信模块(ETX)和DS376以太网连接板，实现dSPACE实时仿真系统与外部其它仿真节点之间的实时以太网通信。
(3)dSPACE实时仿真系统实时仿真监控：利用Clib编程函数库，设计dSPACE实时仿真系统仿真管理线程，实现对dSPACE实时仿真的控制和实时内存的读取，实现实时仿真数据的监控和仿真曲线绘制。
2.xPC Target实时仿真系统开发，分为以下几个步骤：
(1)xPC Target实时仿真系统启动：通过Matlab设置，生成目标启动盘，定义好仿真主控机与xPC Target实时仿真系统之间的通信方式为TCP/IP连接。
(2)xPC Target实时仿真系统以太网通信：利用Matlab下的UDP库实现xPC Target实时仿真系统之间的实时以太网通信。设置相应以太网模块的参数，选择好网卡驱动程序，实现仿真模型与xPC Target实时仿真系统物理网卡的对应。模型通过编译下载到xPC Target实时仿真系统后，即可实现xPC Target实时仿真系统之间以及其他仿真节点之间的实时以太网通信。
(3)xPC Target实时仿真系统监控：利用xPC Target C应用程序编程接口(API)函数，设计xPC Target仿真管理线程，在VC环境下，编写良好的图形用户界面，实现仿真监控机上的仿真实时监控，包括xPC Target实时仿真系统连接，程序下载和仿真数据绘图等一系列的工作。
分布式系统的仿真调度通过中断方式实现，在dSPACE实时仿真系统对应的模型中加入向网络发送中断的模块，dSPACE实时仿真系统每周期开始时先向网络发送一个中断，对应的在xPC Target实时仿真系统仿真模型中加入中断响应模块，并将xPC Target实时仿真系统设置在中断触发方式，各xPC Target实时仿真系统接收到中断信号之后与dSPACE实时仿真系统一起执行一个周期的指令，从而完成分布式系统各节点的同步运行。
仿真监控机与视景仿真机之间通过以太网UDP协议实现数据传输，通讯程序采用客户端/服务器架构，视景客户端运行在仿真监控机上，负责将采集到的实时数据发送给视景服务器端；服务器端运行于视景仿真软件中，接收实时运动数据驱动飞行器飞行。
3.视景仿真软件，在对不同的飞行器进行视景仿真时，分为以下几个步骤：
(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，以深度优先方式遍历决策树，根据对应原理判断候选投影链接的包围盒是否匹配，搜索所有匹配的投影链接，完成线的重建。
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，获取平面内的所有点、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，通过粒子效果结合“点精灵”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。
本发明可带来如下效益：
社会效益：此项发明对于临近空间飞行器的研究具有十分重要的意义。利用分布式架构能充分验证飞行器各分系统之间的仿真数据传输实时性，同时采用dSPACE实时仿真系统与xPC Target实时仿真系统相结合的方式有效降低了平台开发成本，利用实时以太网通信保证了分布式仿真中的实时性。视景仿真部分三维重建技术极大的缩短了开发周期，增强了仿真平台的通用性。实时视景仿真直观的体现了飞行器的实时控制效果，极大了增加了仿真可信度，提高了临近空间飞行器的仿真试验水平。
经济效益：临近空间飞行器的研究具有重大的经济价值。此项发明中的分布式架构实时视景仿真平台针对临近空间飞行器特点进行开发，有效解决了临近空间飞行器仿真中各子系统仿真复杂，缺乏分布式实时性验证的缺点，并利用三维重建技术极大的节省了不同飞行器三维模型的开发成本，最终的实时视景仿真为未来的实物仿真验证提供了宝贵的仿真数据和逼真的仿真效果演示，具备潜在的经济价值。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详述。
参见图1，为分布式架构的仿真平台硬件结构图，主要包括三部分，分别为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，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，利用研华工控机开发，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宿主机下载的仿真程序，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。
参见图2，为分布式架构的仿真通信流程图。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。
参见图3，为分布式仿真调度流程图。分布式仿真架构中采用了dSPACE实时仿真系统和xPC Target实时仿真系统，需要同步它们之间的仿真时序。为了保证整个分布式仿真的高实时性，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xPC Target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。
参见图4，为实时仿真数据以太网传输流程图。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。
视景仿真是在VC环境中，基于三维重建和OpenGL实现的，分为三部分：(1)通过三维重建建立飞行器三维模型，即在AUTOCAD软件中建立飞行器的三视图并保存为绘图交换文件，通过绘图交换文件解析获取三视图中的点、边信息，通过点的重建、边的重建和面的重建获取面环的信息，如图5-图8所示；(2)在VC环境中，通过OpenGL函数库实现飞行器的三维显示以及尾焰和天空，如图9所示；(3)利用MFC编程实现仿真软件，网络通讯接口，建立MySQL数据库，如图10所示。
参见图5，为典型飞行器的三视图。在AUTOCAD软件中建立了典型飞行器的三视图，保存为绘图交换文件格式，分析文件中实体段的信息，寻找关键字，其中“LINE”表示线段，“10”表示X坐标，“11”表示Y坐标，“12”表示Z坐标。获取坐标信息，即可获取三视图中的顶点、边的信息，并将它们存在相应的数据结构中。基于对应原理完成点的重建。如图所示，针对于某型飞行器，根据对应原理，在三视图中，前视图中的点1对应了顶视图的2、3两点，以及左视图中的4、5两点，在立体图中，对应于飞行器的6、7两点。
参见图6，为根据空间边在三视图中的投影链接建立的决策树，图(a)、(b)、(c)分别是以前视图、顶视图、左视图为入口建立的决策树。根据对空间边的投影特性的分析，提出基于决策树的投影匹配算法，能够自动从三视图中识别所有的匹配投影组，并确定空间边的类型和参数。首先根据基三视图的投影匹配性质，结合边在三视图中的投影特征进行分类，直线边可以分为七大类：L1型，平行于y轴；L2型，平行于x轴；L3型，平行于z轴；L4型，垂直于x轴，但不平行于y轴和z轴；L5型，垂直于y轴，但不平行于x轴和z轴；L6型，垂直于z轴，但不平行于x轴和y轴；L7型，倾斜；然后根据对投影链接进行的分类以及投影链接的类型：平行x轴(PX)，平行y轴(PY)，倾斜(SL)，投影匹配(MB)，构造决策树。
参见图7，为对决策树第一树枝的求解流程图。根据建立的决策树进行决策求解，为了搜索所有匹配的投影链接，前视图、左视图、俯视图依次作为入口，以前视图为入口，决策树中第一支树枝为例，说明决策树求解的过程。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。如图5所示，前视图的边8匹配顶视图的边10以及左视图的点9，通过求解重建得到三维边11。
参见图8，为面的重建流程图。首先根据邻接的两条空间边，通过向量点乘获取平面法线；然后根据平面法向量，获取在该三维面上的所有边、点，并去除伪边；最后应用深度优先方法搜索该面中的所有边，生成所有可能的面环，应用“左邻边序列”、“摩比斯准则”删除所有非极小环，即可得到极大环的面环信息，表征一个平面。
参见图9，为重建后的飞行器三维立体图。根据面环信息在OpenGL中显示面，并通过建立显示列表加快显示速度，利用贴图为飞行器各个面添加相应的纹理，提高显示效果。本发明所提供的三维重建方法具有通用性的特征，针对于不同的飞行器，可以得到不同的三维模型。以另一飞行器为例，建立三视图，将上述的三维重建算法，应用于该模型，得到三维模型如图所示。
参见图10，为实时飞行仿真图。其中，通过粒子效果模拟飞行器尾焰，选择“球面法”建立天空大气模型，并驱动模型运动，编写仿真软件。
其中，通过粒子效果模拟飞行器尾焰具体实现如下。粒子系统方法用于描述不规则物体，尤其是对边界不明显的模糊物体的模拟显示出独特的优越性。基本步骤为：为飞行器尾焰定义一个粒子模型；产生新粒子，并为每个新粒子分配初始属性；遍历粒子，将所有到达生命周期的粒子删去；对保留的粒子根据运动规则进行计算；渲染粒子。以上第二至第四步反复循环就形成了物体的动态变化过程。
其中，“球面法”建立天空大气模型具体实现如下。建立一个半球；通过贴图为半球的内部添加天空的蓝色背景；为云层创造一个载体，如长方体，渲染时不可见；通过“体积雾”的效果填充载体，模仿云层的动态效果。
其中，驱动模型运动具体实现如下。添加定时器函数，在定时器函数中添加重绘函数，使调用窗口绘制函数进行实时刷新。在窗口绘制函数中添加需要绘制的图像，包括：飞行器、尾焰和大气模型，通过模型偏移函数改变飞行器模型在大气环境中的位置，即可驱动飞行器的实时运行。并通过设置视角函数的相关参数，使视角能够跟踪飞行器的飞行，并进行远近的调整。
其中，编写仿真软件具体实现如下。仿真软件采用分割窗口的模式，主窗口显示OpenGL实时画面，右侧窗口为数据可视化，即通过曲线、列表和虚拟仪表的方式反应数据。最上端数字列表，通过列表中的单选框可以选择所要拟合的曲线；中间是是曲线显示；最下端是虚拟仪表，直观的显示速度等信息。其中列表和虚拟仪表可以实时更新飞行过程中的参数信息。飞行数据是通过保存到数据库中来实现的。数据库采用MySQL，建立在上位机中，通过获取权限进行远程登录来保存仿真运行中飞行器的实时参数信息。通过对数据库的读取，可以实现对飞行数据的重绘从而实现数据的重载，满足操作者对数据分析的要求。与上位机的交互接口采用采用套接字编程(SOCKET)实现，因为视景仿真对于通讯的准确性要求不高，故采用UDP通讯协议。
dSPACE实时仿真系统，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，DS4504为该公司的板卡名称，xPC Target是一种高性能的主机-目标机结构原型环境。
Claims (2)
1.一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，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实时仿真系统的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，一旦视景仿真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。
2.如权利要求1所述方法，其特征是，建立决策树步骤是，首先需要根据基于三视图的投影匹配性质，结合边在三视图中的投影特征进行分类，直线边可以分为七大类：L1型，平行于y轴；L2型，平行于x轴；L3型，平行于z轴；L4型，垂直于x轴，但不平行于y轴和z轴；L5型，垂直于y轴，但不平行于x轴和z轴；L6型，垂直于z轴，但不平行于x轴和y轴；L7型，倾斜；然后根据对投影链接进行的分类以及投影链接的类型，构造决策树。
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