CN103235852A - 基于FPGA的FlightGear通用三维视景数据显示方法 - Google Patents

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代冀阳
应进
潘浩曼
辛凯
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Abstract

一种基于FPGA的FlightGear通用三维视景数据显示方法，方法为：采用FPGA芯片，通过对其进行VerilogHDL语言的代码编写，自定义数据传输协议1，使其完成接收特定帧格式的115200bps波特率串口数据，在FPGA内部完成自定义通信协议1数据的解析，并对数据进行相应算法处理的功能；然后再将处理过的数据以另一种自定义通信协议式2编码打包，以115200bps的波特率发送给PC机上运行的Simulink工程，在Simulink中进行一系列数据处理，最后将相应姿态数据经由UDP网络传输模块发送给FlightGear软件予以3D姿态实时显示。本发明的技术效果是：能够很好的实现航空航天器控制器的设计与仿真，无人机控制器的仿真，导弹控制的仿真，车辆船舶控制器的仿真，以及实际飞行器试飞数据的三维可视化再现等，用途广泛。

Description

基于FPGA的FlightGear通用三维视景数据显示方法
技术领域
本发明涉及一种数据显示方法，尤其涉及一种基于FPGA的FlightGear通用三维视景数据显示方法。
背景技术
 
针对传统仿真数据处理和图形显示模块的功能不足，只能通过文本数据或者曲线来反应飞行器的飞行状态，仿真试验中需要飞控设计人员花费大量的精力去监测飞行数据，对于试飞和仿真产生的大量测试数据，只能通过文本与曲线相结合的方式进行分析整理，无法直观的反映无人直升机的飞行姿态，飞行状态的直观描述比较差。
发明内容
本发明涉及一种基于FPGA的FlightGear通用三维视景数据显示方法，可用于飞行器试飞数据三维视景仿真。
本发明是这样实现的，其特征方法为：采用FPGA芯片，通过对其进行VerilogHDL语言的代码编写，自定义数据传输协议1，使其完成接收特定帧格式的115200bps波特率串口数据，在FPGA内部完成自定义通信协议1数据的解析，并对数据进行相应算法处理的功能；然后再将处理过的数据以另一种自定义通信协议2，以115200bps的波特率发送给PC机上运行的Simulink软件；在PC机上同时运行着Matlab/Simulink软件和FlightGear软件（开源软件），通过构建Simulink工程，在其中使用串口模块，自定义通信协议2解析模块，UDP网络传输模块等，完成从电脑串口以115200bps波特率接收FPGA处理过的数据，将数据在自定义通信协议2解析模块中完成数据的解析和运算，最后将相应姿态数据经由UDP网络传输模块发送给FlightGear软件予以3D姿态实时显示。
本发明的技术效果是：能够很好的实现航空航天器控制器的设计与仿真，无人机控制器的仿真，导弹控制的仿真，车辆船舶控制器的仿真，以及实际飞行器试飞数据的三维可视化再现等，用途广泛。
具体实施方法
本发明是这样实现的，方法为：采用FPGA芯片，通过对其进行VerilogHDL语言的代码编写，自定义数据传输协议1，使其完成接收特定帧格式的115200bps波特率串口数据，在FPGA内部完成自定义通信协议1数据的解析，并对数据进行相应算法处理的功能；然后再将处理过的数据以另一种自定义通信协议2，以115200bps的波特率发送给PC机上运行的Simulink软件；在PC机上同时运行着Matlab/Simulink软件和FlightGear软件（开源软件），通过构建Simulink工程，在其中使用串口模块，自定义通信协议2解析模块，UDP网络传输模块等，完成从电脑串口以115200bps波特率接收FPGA处理过的数据，将数据在自定义通信协议2解析模块中完成数据的解析和运算，最后将相应姿态数据经由UDP网络传输模块发送给FlightGear软件予以3D姿态实时显示。其中在自定义通信协议2解析模块中用到了S-FunctionBuilder，进行了协议解析和数据二次处理代码的编写。
 
通信协议的实现方法
FPGA中自定义通信协议1和2的实现方法：
======================================================================
自定义通信协议1：                                                          传输速率：115200bps
A5 5A 12 A1 YAW_H YAW_L PITCH_H PITCH_L ROLL_H ROLL_L XX XX XX XX XX XX AA AA
       自定义通信协议1针对飞行器仿真三维可视化视景驱动所需变量而设计，具有数据容量大，传送信息精度高，传输速率快，稳定可靠等优点。此通信格式一帧共有18位，数据均用十六进制表示。
       其中前四位为帧头识别码：A55A为引导码；12是十六进制表示，即十进制数18，代表自定义通信协议一帧的数据位数为18位；A1用来区分不同的数据帧。
       接下来是视景驱动数据部分：YAW_H代表偏航角的高8位，YAW_L代表偏航角低8位；PITCH_H代表俯仰角高8位；PITCH_L代表俯仰角低8位；ROLL_H代表滚转角高8位；ROLL_L代表滚转角低8位；后面的XX用作预留位，可用作GPS定位信号，温度，高度，压强等信息使用。
       最后为结束位，两个AA AA。
 
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
自定义通信协议2：                                                      传输速率：115200bps
A5 5A YAW PITCH ROLL XX XX XX AA AA
       自定义通协议2为此硬件接口系统内部FPGA硬件同Simulink软件间的通信协议。由于Simulink软件自带串行接口模块处理能力不足，在数据量大的情况下会造成数据阻塞、仿真结果、三维视景延迟的后果，故根据本系统通信设计需要，针对Simulink软件的缺陷，自定义了通信协议2 。此通信协议更加精简，并且包含飞行器视景驱动的必要数据，经试验表明，通信协议2能够稳定高效的运行在115200bps的通信速率下。
 
       其中前两位A5 5A为帧头识别引导码。
       接下来是实际驱动飞行器三维视景显示的数据，这些数据均由FPGA运算处理过得到。YAW代表真实的偏航角数据；PITCH代表真实的俯仰角数据；ROLL代表真实的滚转角数据；后三位XX为预留位，可用作GPS定位信号，温度，高度，压强等信息使用。
       最后为结束位，两个AA AA。
 
======================================================================
FPGA内部工作：
       首先采集外部物理设备或者仿真产生的以自定义通信协议1发送的数据，在FPGA内部通过VerilogHDL语言编写硬件代码对通信协议1进行解析，得到原始姿态数据，接下来借助FPGA强大的运算能力，通过算法设计，将原始数据进行数据位拼接，算法变换等处理得到真实的姿态数据；然后依据自定义通信协议2对真实姿态数据进行编码打包发送给电脑端运行的Simulink工程。
 
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Simulink内部工作：
       建立Simulink工程，通过串行接口依据自定义通信协议2接收FPGA发送的数据，在Simulink工程内使用S-Function模块，通过C语言编程，完成对自定义通信协议2的解析，得到真实的飞行器姿态数据。接下来再通过滤波除噪，比例转换等模块处理，将真实姿态数据映射到对应驱动FlightGear软件需要的幅值范围中，最终通过Simulink同FlightGear软件的UDP网络接口模块实现对于飞行器姿态数据的三维视景驱动。
形象的说就是通过软硬件编程，创造了一个数据处理的“盒子”（FPGA实现），同过配合Simulink工程，达到将飞行器试飞或仿真数据进行3D可视化实时显示的效果。

Claims (1)

1. 一种基于FPGA的FlightGear通用三维视景数据显示方法，其特征方法为：采用FPGA芯片，通过对其进行VerilogHDL语言的代码编写，自定义数据传输协议1，使其完成接收特定帧格式的115200bps波特率串口数据，在FPGA内部完成自定义通信协议1数据的解析，并对数据进行相应算法处理的功能；然后再将处理过的数据以另一种自定义通信协议2，以115200bps的波特率发送给PC机上运行的Simulink软件；在PC机上同时运行着Matlab/Simulink软件和FlightGear软件（开源软件），通过构建Simulink工程，在其中使用串口模块，自定义通信协议2解析模块，UDP网络传输模块等，完成从电脑串口以115200bps波特率接收FPGA处理过的数据，将数据在自定义通信协议2解析模块中完成数据的解析和运算，最后将相应姿态数据经由UDP网络传输模块发送给FlightGear软件予以3D姿态实时显示。
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