基于OpenGL的飞机刹车视景仿真系统研究

收稿日期:2006-08-10

基金项目:航空基金资助项目(05E53025)

作者简介:钱莉莉(1982—)女,新疆霍城人,硕士研究生,研究方向为计算机测控及仿真;谢利理(1963—)男,陕西凤翔人,教授,博士,研究方向为电气自动化理论与应用、计算机测控技术、故障检测与诊断技术等。

基于OpenG L 的飞机刹车视景仿真系统研究

钱莉莉,谢利理

(西北工业大学自动化学院,陕西西安　710072)

摘要:视景仿真作为飞机刹车半实物仿真的一部分,实现了飞机刹车仿真的可视化。在设计过程中将OpenG L 、3DS Max 和

串行通信技术有效结合,解决了飞机刹车过程的三维视景系统模拟仿真问题。仿真软件以V isual C ++为平台,采用开放型图形库(OpenG L )实现了飞机刹车过程可视化的场景绘制、纹理映射、视点变换及动画仿真,利用3DS Max 建立了飞机实体模型,飞机刹车过程的动态演示随RS 2485实时通信数据不断刷新,以实现飞机刹车过程的可视化处理、数据记录和视景回放。

关键词:视景仿真;飞机刹车;OpenG L;串行通信;3DSMax 中图分类号:TP391.9 文献标识码:A 文章编号:1000-8829(2007)08-0078-03

Study on A i rcraft Break i n g V isua l S i m ul a ti on Syste m Ba sed on O penGL

Q I A N L i 2li,X I E L i 2li

(College of Aut omati on,Northwestern Polytechnical University,Xi ’an 710072,China )

Abstract:V isual si m ulati on syste m makes aircraft breaking si m ulati on visual .OpenG L,3DSM ax and serial communicati on technol o 2gy are used effectively in devel op of the system.U sing these technol ogies,the p r oblem of three 2di m ensi onal visual si m ulati on of the aircraft breaking is s olved commendably .The visual si m ulati on syste m based on VC ++achieves the dra wing of the breaking scene,texture mapp ing,the manage ment of the visual angles and the visual si m ulati on using OpenG L.W ith setting up the aircraft model u 2sing 3DS Max and receiving the seriate data fr om RS 2485,the functi on of si m ulating,recording and rep laying the p r ocess of the air 2craft breaking can be achieved factually .

Key words:visual si m ulati on;aircraft breaking;OpenG L;serial communicati on;3DS Max

视景仿真技术是以计算机实时三维图形生成技术为实现途径,结合文字、动画、声音等处理技术,对真实环境进行视觉和听觉上的模拟,建立逼真的虚拟环境,以便利用此虚拟环境完成仿真试验研究的一门综合技术。目前视景仿真不仅广泛应用于工程设计、游戏、艺术造型、大众传媒等领域,而且正以其直观、形象、符合人们思维方式的优势进入军事训练、航海、航天飞行、武器对抗、战术战法研究等科研领域。但是对于飞机刹车半实物仿真,视景仿真还是一个崭新的领域。本研究以OpenG L 作为显示环境,引入飞机刹车半实物仿真系统的视景演播,直观动态地模拟了飞机着陆刹车过程的飞机机体与机轮的运动和状态变化情况,为飞机在不同环境下的刹车特性研究提供了实验分析环境。

1　视景仿真系统的组成

视景系统是飞机刹车半实物仿真系统的重要组成部分,它

通过RS 2485高速串口与半实物仿真系统获取实时通信数据,实现飞机刹车过程的可视化处理,系统的组成框图如图1所示。

该系统主要实现的功能包括动态演示功能,

数据记录功能

图1　视景系统组成框图

和视景回放功能。实时演示模块主要是建模、绘制场景和管理

视点,并根据串口实时获取的数据模拟整个飞机着陆刹车过程。数据记录模块主要是记录仿真事件和仿真对象即飞机的刹车特性、状态。视景回放模块是将记录的数据信息重新赋予仿真对象,实现飞机刹车过程的在线回放。

视景系统的硬件平台采用具有RS 2485总线的通用PC 机系统,主要配置:I ntel P4,2.4GHz CP U,512MB 内存,80G B 硬盘,以及支持OpenG L 和D irect 3D 硬件加速的图形适配卡;软件开发工具采用V isual C ++、OpenG L 1.4和3DS Max 。

2　视景仿真系统软件实现

视景系统的功能主要依靠软件实现,主要实现的功能包括飞机着陆刹车过程的动态演示、数据记录和视景回放。

2.1　动态演示模块

动态演示模块的工作简单分为建模阶段和控制阶段。建模

阶段的工作由3DSM ax 完成,在3DSMax 中建立好实体模型后,利用V ie w3ds 转换软件将建立好的模型转换成OpenG L 支持的格式;控制阶段的工作以V isual C ++6.0为开发工具进行Open 2

G L 编程设计,包括建立显示列表,加入色彩、材质、纹理、光照、

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背景等,确定合适的投影、视口的变换,通过串口接收飞机刹车数据参数,引入到定义的运动方式方程计算出飞机的新坐标,根据坐标数据重新绘制实体,以此实现飞机刹车过程的实时仿真。动态演示模块的工作流程如图2所示

。

图2　动态演示模块工作流程图

2.1.1　系统主框架的建立

OpenG L 与VC ++6.0的绘图环境不同,绘制前先要进行

环境设置。首先为应用程序连接OpenG L 图形库:opengl32.lib 、

glu32.lib 、glaux .lib,然后打开MFC 对话框,为应用程序的视图

对象添加消息处理函数[1],为了能够实时控制整个仿真过程,故将整个窗口分为C A ir p lane Model V ie w 和CContr ol W nd 两部分。

CA ir p lane Model V iew 部分用于显示仿真过程;CContr ol W nd 部分

用于控制仿真过程和实时显示仿真数据。窗口的分割可以使用下列语句完成:

if (s p.CreateStatic (this,1,2)==NULL )return F ALSE;

　if (!s p.Create V ie w (0,0,RUNTI M E_C LASS (CA ir p lane Model 2V ie w ),CSize (100,100),pContext )||!s p.Create V ie w (0,1,RUNTI M E_C LASS (CContr ol W nd ),CSize (100,100),pContext ))//分屏 {

s p.Destr oy W indow (); return F ALSE; }

s p.Set Colu mn I nfo (0,cx 33/4,100);这样就完成了应用程序框架的构建。

2.1.2　像素格式的设置

像素格式定义了OpenG L 绘图的属性,这些属性包括绘图界面的颜色表示模式、颜色位数、累积缓存区、深度缓存区和模板缓存区的位数等信息[2]。像素格式的设置过程中首先要定义像素格式,每个OpenG L 显示设备都支持一种指定的像素格

式,用一个名为P I XE LF OR MAT DESCR I PT OR 的结构体来表示这一特殊的像素格式。建立了图形操作描述表并初始化P I X 2E LF0R MAT DESCR I PT0R 结构后,应以此结构为变量,利用ChoosePixelFor mat ()函数为设备描述表选择像素格式,最后调用SetPixelFor mat ()将其设置为当前像素格式。

I nt

p ixelfor mat =ChoosePixelFor mat (m ->pDC ->GetSafeHdc (),&pfd ); Bool

Result =SetPixelFor mat (m _pDC ->GetSafeHdc (),p ixelf or 2mat,&pfd );

2.1.3　三维模型的绘制及读入

OpenG L 在对三维场景和模型的实时控制及可视化系统的

二次开发等方面与3DS Max 相比存在着很大优势。但是Open 2G L 没有提供三维绘图的高级命令,它只能通过简单的图元:点、线和多边形来建立三维模型,而利用3DS Max 建模工作量则要小得多,具体的步骤如下:

(1)三维模型绘制。

首先利用3DS Max 建立飞机模型,输出文件名为p lane .3ds 。要把p lane .3ds 作为OpenG L 的物理实体模型,还需要利用名为V ie w3ds 的软件将p lane .3ds 文件转换成C 语言支持的文件格式。具体的实现方法是:在命令行中输入命令V iew3ds

,会弹出一个显示需要转换的3ds 飞机模型的窗口。在窗口中单击左键,点击弹出菜单的Export OpenG L C Code 项,则生成与模型名同名的两个文件:p lane .h 和p lane .gl 。

(2)三维模型的读入。

把上一步生成的文件p lane .h 和p lane .gl 添加到当前工程文件夹中,在文件p lane .h 中会自动生成一个名为G L3DS_ini 2tialize_p lane ()的函数,在绘图函数初始化部分加入如下代码:int model =G L3DS_initialize_p lane ()。当要绘制模型时,用显示列表的方式即gl Call L ist (model )即可。

采用OpenG L 库中的显示列表功能,将三维场景中的实体分别定义为单独的显示列表,预先生成三维实体。在图形显示时,只需调用所需的显示列表即可显示相应的三维实体,而不需要重新计算实体在场景中的坐标,这样可以极大地提高动画的显示速度。2.1.4　场景的绘制

视景系统的场景主要包括地面、天空、地面物体和机场跑道。场景的绘制渲染采用纹理贴图的方法,纹理的使用可以使场景效果更生动逼真。在3D 图形中,纹理映射被广泛应用,绘制纹理的步骤包括4部分:定义纹理、控制滤波、说明映射方式、绘制场景给出顶点的纹理坐标和几何坐标。但是纹理映射只能在RG B 模式下使用,不适用于颜色索引模式。

首先把需要的图像文件添加到当前工程文件夹的data 文件夹中,利用函数aux D I B I m age Load (Filena me )装载位图,然后创建纹理,如:if (Texture I m age[0]=Load B MP ("Data /filena me .b mp"))　{　

Status =T RUE;

glGenTextures (1,&texture[1]);

gl B indTexture (G L_TEXT URE_2D,texture[1]);

glTexPara meteri (G L _TEXT URE _2D,G L _TEXT URE _MAG_

?

97?基于OpenG L 的飞机刹车视景仿真系统研究

F I L TER,

G L_L I N E AR );

glTexPara meteri (G L _TEXT URE _2D,G L _TEXT URE _M I N _F I L TER,G L_L I N E AR_M I P MAP_N -E AREST );

glu Build2DM i pmap s (G L _TEXT URE_2D,3,Texture I m age [0]->sizeX,Texture I m age[0]->sizeY,G L _RG B,G L _UNSI G NE D _BYTE,Texture I m age[0]->data );}

其中函数glTexPara meteri ()的参数设置用于控制纹理的滤波方式和对纹理坐标的处理方式。接着利用glTexEnvi ()函数创建纹理环境,也就是选择纹理的映射方式,告诉OpenG L 使用哪一个纹理函数来计算被贴上纹理的多边形表面的颜色值。完成上述初始化后,就可在On D ra w ()函数中打开纹理glEnable (G L _TEXT URE_2D )绘制场景了。2.1.5　视点管理

建立一套控制视点位置和角度的观测方法可以使观察者从全局和局部观察整个仿真过程。视景仿真中使用3种不同的视点:固定视点、绑定视点和跟踪视点。固定视点是指视点固定在空间一点,去观察空间中一个固定的区域[3]。本系统的后视点、空中固定视点、地面固定视点都属于固定视点,用于观测全局。绑定视点是指视点和空间物体绑定在一起,以便物体和视点一起运动,本系统的侧视点和俯视点就是这样的一类绑定视点,如图3所示。飞机跟踪视点则属于跟踪视点,跟踪视点是指视点的位置是固定的,但被观察点的位置是变化的。

本系统视点的管理采用键盘交互的方式,通过移动和转动视点的位置和角度,来控制视点以便继续观察。实现的原理是通过消息循环机制,系统捕捉到键盘中某键被按下的事件信息,发送给适当的窗口函数,处理后视点做出相应的改变,任一视点在场景激活的同时,场景会自动关闭前一个视点

。

图3　俯视点

2.1.6　仿真动画实现

OpenG L 是通过支持双缓存技术来实现动画的。双缓存技

术就是在屏幕上实现绘制图形以前,OpenG L 先分配两个颜色缓

存区,在显示前台缓存中的图像同时,后台缓存绘制第2幅图像。当后台绘制完成后,后台缓存中的图像就显示出来,此时原来的前台缓存开始绘制第3幅图像,如此循环往复,以增加图像的输出速度。前后缓存区的交换可以通过一个函数实现,在W indows 编程环境下调用下面函数:S wapBuffers ();在C 语言编程环境下调用下面函数:glutS wapBuffers (),显然本系统则是在W indows 编程环境下完成的。具体实现过程中,首先在设置像素格式函数SetupPixelFor mat ()中将窗口显示属性设置为PF D_DOUBLE BUFFER 即双缓存模式,然后利用OpenG L 绘制命令绘图,绘图结束后切换缓存即

BOOL C A ir p lane Model V ie w ∷RenderScene ()

{　…

　∷S wapBuffers (m_pDC ->GetSafeHdc ());　//交互缓冲区　…}

最后使用计时器控制动画的刷新频率,达到动画效果。2.1.7　串行通信

M SComm 是M icr os oft 公司提供的简化W indows 下串行通信编程的ActiveX 控件,它为应用程序提供了通过串口收发数据的简便方法。但MSComm 不是工具箱控件,在VC 中使用该控件时首先要将该控件插入到当前Pr oject 中[4]。

串口通信中交换的数据大多数是字符串数据,而飞机刹车数据是浮点型,故先要进行数据转换,将其转换成字符串,然后进行发送,这样通信的双方才能根据一定的数据格式做出解释。视景仿真过程中共要传送3个数据,包括飞机速度、机轮速度和飞机俯仰角。每个数据按一定的格式以ASC II 码形式发送,数据的信息块长度是固定的,第1个字符是数据的标志信息,后7个字符是数据信息。接收程序收到数据信息块后以相同的格式转换为浮点数,再根据标志字符将其赋到相应的变量中。

另外本系统利用多线程技术,因为三维场景渲染和数据分析需要占用大量系统资源(CP U 和内存),故在主线程下产生一个工作线程来接收数据,这样做可以极大地改善程序运行效果。

系统的运行结果图如图4所示

。

图4　系统运行结果图

2.2　数据记录模块

飞机刹车的整个过程很短暂,而数据记录则为分析研究刹车过程飞机的一些参数变化提供依据。记录数据的方法有很多种,本系统采用C ++中文件流的方法,此方法简单灵活,可以很好地完成此项功能。在记录数据的过程中,为了区分不同的记录文件,程序自动将当前的时间日期作为记录文件的名称,文件存为3.dat 格式。程序调用f p rintf ()函数录入数据,一行录入一帧的数据,一帧包含3个数据:俯仰角、飞行速度和机轮速度。此外要特别注意写入的顺序,因为回放时要按同样的顺序读取。2.3　视景回放模块

视景回放主要是对仿真过程的再现,即飞机刹车特性和状态的再现,它与实时演示的不同仅在于数据来源不同。一旦选择了视景回放,视景系统则无需再从串口获取数据,仿真对象的运动参数将从记录文件中读取。与数据记录不同的是程序调用fscanf ()函数读取选中的记录文件,一次读出一帧的数据,并将此数据信息赋予仿真对象,此时场景中的仿真实体模型会重新

运动起来,完成视景回放。

(下转第83页)?

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法[11]

。

图3　被控制部分

通常可假定W eb 服务器在其运行点近旁的输出y 与输入u

之间的关系为下列线性的AR MA 方程

y (k )+a 1y (k -1)+…+a n y (k -n )=b 1u (k -1)+…+

b n u (k -n )

(3)

在W eb 的运行中,加上一个系统辨识的模块,通过对输入u 和输出y 的一段时间的测量,运用辨识方法(如最小二乘法、Kal m an 滤波法等),可确定出式(3)的阶数n 和参数(a 1,…,a n ,b 1,…,b n )。2.4　控制算法

设计W eb QoS 反馈控制系统的另一重要问题,是确定图2中控制器的控制算法,以使闭环动态系统达到所要求的稳态和动态性能要求,包括:稳态误差、稳定性、调节时间、超调量以及鲁棒性等方面的要求。控制算法常用的设计方法有:P I D 法、根

轨迹法、极点配置法、LQ 方法、模糊控制方法等[11,14]

。2.5　W eb QoS 控制系统举例

参考文献[11,15]给出了在Apache 服务器上,不同用户类相对延迟保证的反馈控制系统的实现,其中,文献[11]是在L inux 平台下Apache 服务器的控制系统,而文献[15]是在W in 2dows 平台下Apache 服务器的控制系统。以后者为例来说明。

如图3所示,该系统的被控制量y 是不同用户类平均的相对延迟之比,而控制作用u 是Apache 服务器的多处理模块(M P M )提供的工作线程之比,两者之间的关系可用下列二阶AR MA 方程来描述

y (k )+a 1y (k -1)+a 2y (k -2)=b 1u (k -1)+b 2u (k -2)(4) 在建立试验环境后,可用系统辨识方法确定参数(a 1,a 2,b 1,b 2)。然后,将图2控制器的控制算法取为比例-积分(P I )算法。参考文献[15]中给出了良好的试验结果。

3　发展方向

本文简述了W eb 服务器QoS 的测量技术和控制技术,这是测控技术领域中的一个新的研究方向,但目前仍处于初创阶段。今后在W eb QoS 的测量方面,要着重研究:

①如何产生具有自相似模型的突发性负载的请求序列;②如何配置W eb 上的文件,使文件集的尺寸分布、被访问的概率等符合W eb 在I nternet 网中的实际运行情况。

对于W eb QoS 的控制方面,要着重研究:

①W eb QoS 各种性能的反馈控制的建模方法;②有效的控制算法,特别是自适应控制、鲁棒控制和模糊控制算法等;

③建立试验床(test bed ),即按照W eb 的应用条件和外界环境,应用有关的W eb QoS 测量系统,搭建一个试验环境,以验证设计的正确性。参考文献:

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(上接第80页)

3　结束语

视景仿真系统在实时显示仿真数据的同时收到了良好的动画演示效果,逼真模拟了飞机刹车的全过程,同时数据记录和视景回放功能又为观察者提供了再一次分析和评估仿真过程的机会。在飞机刹车半实物仿真系统引入可视化技术,增强了系统的表现力,随着计算机技术的不断进步,视景仿真必将成为仿真系统不可或缺的重要组成部分。参考文献:

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