航模驱鸟系统中航模仿真模型的设计及运用

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Vol. 16 No. 8 系统仿真学报 Aug. 2004 JOURNAL OF SYSTEM SIMULATION ·1861· 航模驱鸟系统中航模仿真模型的设计及运用 钟诗胜1，王瑞1，张恩惠1，王忠2 (1 黑龙江哈尔滨工业大学机电工程学院, 哈尔滨 150001；2 江西南昌航空工业学院, 南昌 330034) 摘要：航模驱鸟系统是一种新型的机场驱鸟系统，当航模进行远距驱鸟作业时需要地面仿真系统。 本文介绍了一种航模仿真模型的实现方法，详细讨论了航模的三维平移变换和三维旋转变换算法， 实现了航模的三维造型和飞行仿真，完成了机上设备控制及场景环境造型。最后介绍了该模型在机 场驱鸟系统中的应用。 关键词：航模驱鸟；仿真；三维造型；机场驱鸟 文章编号：1004-731X (2004) 08-1861-03 中图分类号：TP 391.9 文献标识码：A Design and Application of the Aeromodelling Simulation Model in Aeromodelling Anti-bird System ZHONG Shi-sheng1, WANG Rui1, ZHANG En-hui1, WANG Zhong2 (1Harbin Institute of Technology, School of Mechanical and Electrical Engineering, Harbin 150001, China; 2 Nan Chang Institute of Aeronautical Technology, Nanchang 330034, China) Abstract: The aeromodelling anti-bird system is a new kind of airport anti-bird system, and its effect is better than that of the traditional ground system. The remote anti-bird operation needs a ground simulation system. In this paper an aeromodelling simulation model is discussed, and the aeromodelling three-dimensional transferring and the three-dimensional rotating transform are introduced in detail. It is also implemented in the paper the designs of aeromodelling model and surrounding model. At last the application of the simulation model is shown. Keywords: aeromodelling anti-bird; simulation; three-dimensional model; airport anti-bird 引言1 由于现代飞机较高的飞行速度，“鸟击”事件频频发生， 全世界每年约有7500 架次飞机受到不同程度的鸟击，严重 威胁着军用民用机场飞机的正常起降，给空勤人员和乘客带 来生命危险，同时造成巨大的经济损失。而传统的地面驱鸟 系统存在不少问题，近年来出现了一种新型驱鸟方式—航模 驱鸟，其驱鸟效果要优于地面驱鸟系统。航模驱鸟远距作业 时需要地面仿真系统，该系统需要模拟航模的姿态、位置信 息，使地面控制人员能实时控制航模的飞行，保障驱鸟作业 的顺利进行。在三维仿真软件中，OpenGL 适用于各种环境 下的三维应用程序接口(3DAPI)，已成为国际上通用的开放 式三维图形标准。 本文介绍一种航模仿真模型的实现方法，详细介绍了航 模的三维平移旋转算法以及驱鸟设备控制方法。依据该算法 借助OpenGL 实现了航模的姿态信息仿真和位置信息的仿 真，其角速度及加速度等仿真信息略。 1 总体方案 航模仿真模型的建立需要航模的姿态信息和位置信息。 收稿日期：2003-07-01 修回日期：2004-05-22 基金项目: 哈尔滨市重点攻关项目(0111211001) 作者简介: 钟诗胜(1964-), 男, 江西人, 教授, 博导, 研究方向为先进制 造技术、人工智能、机电一体化；王瑞(1978-), 男, 河南人, 博士生, 研 究方向为新型机场驱鸟工具, 数控机床。 故需要设计相应的采集卡采集姿态信息(方向角、俯仰角、 侧滚角)和位置信息(经度、纬度、海拔高度)（设计过程略）， 采集的信息流经过分解、转换、整理成OpenGL 所需要的格 式。例如采集的信息流( 格式为ASCII 码) “ $334.6,26.4,-2.6,4547.9140,12643.7181,252.6,4.7,7.9,3.1,11, #”经过分解、转换、整理成十进制信息：方向角334.6 度， 俯仰角26.4 度，侧滚角为-2.6 度，纬度为45 度4791 秒，经 度为126 度4371 秒，海拔高度252.6 米，速度东向4.7 米/ 秒，北向7.9 米/秒，天向3.1 米/秒。 图1 位姿信息仿真的整体流程图 信息整理完毕后，即可进入姿态位置三维仿真算法，根 据第一、第二、第三个数据信息进行航模的姿态仿真，然后 构建模拟场景地图(或加载电子地图)，根据第四、第五、第 六个数据信息进行航模的位置仿真。信息的整体流程图如图1。 2 航模的三维变换算法及模型实现 2.1 航模的三维平移变换 当航模从P(X，Y，Z)点(坐标相对于环境某一定点。单 位：米)移动T(Tx，Ty，Tz)后到达P¢ ，其航模的平移变换方 程用齐次坐标矩阵表示为 接收位置姿态信息利用域分割符“,”进行信息分解 信息的转换 ASCII DECIMAL 航模的位置仿真 航模的姿态仿真 三维 变换 算法 Vol. 16 No. 8 系统仿真学报 Aug. 2004 ·1862· = T T = ú ú ú ú ú û ù ê ê ê ê ê ë é 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 Tx Ty Tz 即 P¢ = P T 式中 T 为三维平移变换矩阵。若航模从点P 先移动T1，再 移动T2，依次T3、T4 … …Tn；得到P¢ 。则P¢ = P T1 T2 T3 …Tn 2.2 航模三维旋转变换 三维旋转要比二维旋转复杂一些，必须首先确定一根旋 转轴。旋转轴通过原点并与一个坐标轴重合时，变换较为简单。 当旋转轴与坐标轴不一致时，则需要通过组合变换来实现。 在航模的三维旋转中，旋转角q 是这样规定的：从坐标 轴正向朝坐标原点看去，逆时针旋转时q 为正值，顺时针旋 转时q 为负值。地理南北方向为X 轴，正向为南向；地理东 西方向为Y 轴，正向为东向；垂直于地面的方向为Z 轴，正 向向上。 (1) 绕垂地线Z 轴旋转变换 航模绕垂地线旋转q 时，所有的点的海拔高度Z 坐标 （单位：米）不变，只是水平坐标X，Y 坐标(单位：米)发 生变化。(X’，Y’，Z’)为旋转后坐标。用齐次坐标矩阵表示： = Rz( q ) Rz(q )= ú ú ú ú ú û ù ê ê ê ê ê ë é - 0 0 0 1 0 0 1 0 sin cos 0 0 cos sin 0 0 q q q q 为绕垂地线轴Z 轴的旋转矩阵。 (2) 绕东西地理方西Y 轴的旋转变换 航模绕Y轴旋转q 时，所有的点的水平东西Y坐标不变， 只是水平南北坐标X，海拔高度Z 坐标发生变化。 Ry(q )= ú ú ú ú ú û ù ê ê ê ê ê ë é - 0 0 0 1 sin 0 cos 0 0 1 0 0 cos 0 sin 0 q q q q 为绕东西地理方Y 轴的旋转矩阵。 (3) 绕南北地理方向X 轴的旋转变换 航模绕X 轴旋转q 时，所有的点的水平南北X 坐标不 变，只是水平东西坐标Y, 海高度Z 坐标发生变化。 Rx(q )= ú ú ú ú ú û ù ê ê ê ê ê ë é - 0 0 0 1 0 sin cos 0 0 cos sin 0 1 0 0 0 q q q q 为绕南北地理方向X 轴的旋转矩阵。 (4) 航模绕空间任意轴的旋转变换 航模绕空间任意轴旋转q 角的变换，可以通过组合变换 来实现。1) 平移使旋转轴平移到通过坐标原点；2)绕X 轴 旋转使旋转轴落在XOZ 平面上；3)绕Y 轴旋转使旋转轴与Z 轴重合；4)绕Z 轴旋转，也就是绕原旋转轴旋转；5) 绕Y 轴反转，也就是上述绕Y 轴旋转的逆变换；6) 绕X 轴反转， 也就是上述绕X 轴旋转的逆变换；7)上述平移变换的逆变换。 C X Z A Y B P’ P A Z’ v c b (a,b,c) A a v O α β θ a (a) (b) (c) X’ O’ Y’ A’ X’ O’ Y’ Z’ 图2 绕空间任意轴的旋转变换 如图2 所示，航模的旋转轴AB 由空间任意一点 A(Xa,Ya,Za)及其方向数（a,b,c）确定。航模绕AB 轴从P 点 旋转q 角到P' 点。即 = Rab Rab(q )为变换矩阵。 按上述过程： 1) 使坐标原点平移到A 点，航模原来的旋转轴在新坐 标系中为O'A ，其方向数仍为(a,b,c)。 TA= ú ú ú ú ú û ù ê ê ê ê ê ë é - - - 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 Xa Ya Za 2) 让平面AO' A' 绕X 轴旋转a 角， v= c2 + b2 ，cosa =c/b, sina =b/v。 RX(a )= ú ú ú ú ú û ù ê ê ê ê ê ë é - 0 0 0 1 0 / / 0 0 / / 0 1 0 0 0 b v c v c v b v 经旋转a 角后，OA 就在XOZ 平面上了。 3) 让O'A 绕Y 轴旋转b 角与Z' 轴重合，此时从Y' 轴 往原点看， b 角是顺时针方向，故b 角取负值，因有 u =|OA|= a2 +b2 + c2 =1， 故 cos b = v/u = v，sin b =－ a /u = - a 。 RY( b )= ú ú ú ú ú û ù ê ê ê ê ê ë é - 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 a v v a 4) 经过上三步变换后，P 绕AB 旋转轴变为在新坐标系 中P 绕Z 轴旋转q 角。 RZ(q )= ú ú ú ú ú û ù ê ê ê ê ê ë é - 0 0 0 1 0 0 1 0 sin cos 0 0 cos sin 0 0 q q q q 5) 求RX，RY，TA 的逆变换Rx-1(-a ),RY -1(- b ),TA -1。 将上述各个变换矩阵相乘就可以得到航模绕空间任意 轴旋转的旋转变换矩阵 Vol. 16 No. 8 Aug. 2004 钟诗胜, 等：航模驱鸟系统中航模仿真模型的设计及运用 ·1863· Rab(q )=TARX(a )RY( b )RZ(q )Rx -1(-a )RY -1(- b )TA -1 2.3 航模模型的实现 在姿态仿真过程 中，几个姿态角的信息 见图3。图3 中，三个 坐标轴分别代表地理 的东、北、天方向。等 腰三角形ABC 代表航 模，正向为n 向，其中 OA ^ BC，EF//水平面 MON，EF ÇBC =E ，EF ^ OA。角ÐMOL 为飞行状态 中的航模方向角(0～360)；ÐLOA 为航模的正俯仰角(－90～ +90)；ÐCEF 为正侧滚角(－90～+90)。 由于OpenGL 坐标系和数字罗盘采集信号的坐标系有 所差别，OpenGL 仿真时，需要进行一些转换。转换如下： a =360－ÐMOL ，a 为OpenGL 中航模的航向角； b = －ÐCEF ； b 为OpenGL 中航模的侧滚角。 g =ÐLOA ； g 为OpenGL 中航模的俯仰角； 姿态仿真时，存储OpenGL 当前单位矩阵E，先后右乘 三个变换矩阵Rz(a )，Rx( b )，Ry( g )。这样就进入了航模 的姿态仿真坐标系中。其变换矩阵M=E Rz(a )Rx( b )Ry( g )。 ú ú ú ú ú û ù ê ê ê ê ê ë é = 41 42 43 44 31 32 33 34 21 22 23 24 11 12 13 14 a a a a a a a a a a a a a a a a M ， 其中a11 = cosa cosg + sina sin b sin g ； a12 = sin a cos b ； a13 = -cosa sin g + sina sin b cosg ； a21 = -sina cosg + cosa sin b sin g ； a22 = cosa cos b ； a23 = sina sin g + cosa sin b cosg ； a31 = cos b sin g ； a32 = -sin b ； a33 = cos b cos g ； a14 = 0 ； a24 = 0 ； a34 = 0 ； a41 = 0 ； a42 = 0 ； a43 = 0 ； a44 =1 ； 按照图4 的流程图即可进行航模的三维姿态仿真造型。 glPushMatrix()存储当前矩阵 进行旋转矩阵变换 利用auxSolidCylinder(x,x,x)构造机身 旋转平移矩阵变换auxSolidBox(x,x,x)构造机翼 auxSolidBox(x,x,x)构造尾翼旋转平移矩阵变换 glPopMatrix()释放当前矩阵 图4 航模姿态仿真流程图 航模的位置信息仿真时，位置仿真可以根据相对运动的 原理：S 定点表示场景中定点GPS 坐标； S 机表示航模的实时GPS 坐标；S 定点-机表示定点相对航模 的坐标； S 定点-机 =S 定点-S 机即 ú ú ú ú ú û ù ê ê ê ê ê ë é - 1 - - 定点机 定点机 定点机 Z Y X = ú ú ú ú ú û ù ê ê ê ê ê ë é 1 定点 定点 定点 Z Y X - ú ú ú ú ú û ù ê ê ê ê ê ë é 1 机 机 机 Z Y X 式中X定点-机是经度差；Y定点-机是纬度差；Z定点-机是海拔 高度差。 这样航模模型（中心固定，姿态角随接收数据变化）， 沿航模运动的反方向移动坐标系并创建场景环境。这样可以 使模型始终处于屏幕的中心部位，但从视觉上看模型是处于 飞行状态中。 利用OpenGL 中的矩阵堆栈技术，使OpenGL 的当前 矩阵恢复到航模姿态仿真前的状态参数。存储当前单位矩 阵，右乘平移矩阵Tt Tt= ú ú ú ú ú û ù ê ê ê ê ê ë é ' ' 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 X定点-机Y定点-机Z定点-机 进入场景模型空间。在上述平移矩阵中 X定点-机' = X定点-机* C1； Y定点-机' =Y定点-机* C2； C1—场景定点所在纬度圈径度变化1' 的地理长度； C2—场景定点所在经度圈纬度变化1' 的地理长度； 例如在北纬45 度上C1 »1310 米；经度圈上C2»1850 米。根据仿真要求可以提高常数精度。 图5 机场场景模型简图 在构建的场景模型中，利用OpenGL 创建场景。例如在 机场驱鸟的航模计算机仿真模型中，根据机场各项参数进行 场景构建。如图5 所示 D1= X定点-机' ；D 2=Y定点-机' ；D3= Z定点-机。 运用上述算法借助OpenGL 实现了航模的仿真模型建 立。该算法能够较容易地实现类似的仿真模型，尤其对于运 动物体的模型设计。具有较好的运用价值。 3 机上驱鸟设备控制实现 航模飞出操作人员视野后，航模的位置姿态信息由罗 盘、GPS 全球定位装置采集后，通过数字电台传回地面实现 航模的三维仿真。机上驱鸟设备需要地面发送指令控制，同 天 N M 北 东 A B C E F L O n 图3 罗盘坐标系 O △3 △1 △2 北 OpenGL X OpenGL Y OpenGL Z （下转第1866 页） Vol. 16 No. 8 系统仿真学报 Aug. 2004 ·1866· 原始图像缺陷图像 图4 线宽缺陷检测结果图 比较原始图像和缺陷图像，对应于简单的线宽缺陷模 型，文章所用算法准确有效的检测并定位特定线宽过窄缺 陷；同时简化Haar 小波压缩算法的应用使处理时间减少为 原来的18%。实验结果表明小波变换在PCB 缺陷视觉检测 系统中的应用是成功的。 4 结论 针对现有PCB 缺陷检测中存在的实际问题，本文运用 简化Haar 小波压缩算法对待测PCB 图像进行小波变换压 缩，在一定程度上提高了系统实时性；同时应用小波多尺度 边缘检测方法对特定缺陷进行边缘检测，能够有效去除伪边 缘，精确定位图像边缘，在简单的线宽缺陷模型上成功提取、 识别并定位特定缺陷。 参考文献: Ibrahim Z, Al-Attas S A R, Aspar Z. Analysis of the Wavelet-based Image Difference Algorithm for PCB Inspection . Proceedings of the 41st SICE Annual Conference, 2002, 4: 2108-2113. Ibrahim Z, Al-Attas S A R, Aspar Z, Mokji M M. Performance Evaluation of Wavelet-based PCB Defect Detection and Localization Algorithm . IEEE ICIT '02, 2002, 1: 226 –231. 章毓晋. 图像分割. 北京: 科学出版社, 2001. 陈武凡. 小波分析及其在图像处理中的应用. 北京: 科学出版 社, 2002. Moganti M, Ercal F. Automatic PCB inspection systems . Potentials, IEEE, 1995, 14(3): 6-10. Mallat S G. A theory for multiresolution signal decomposition: The wavelet representation . Pattern Analysis and Machine Intelligence, IEEE Transactions, 1989, 11(7): 674-693. Graps A. An introduction to wavelets . Computational Science and Engineering, IEEE, 1995, 2(2): 50-61. （上接第1863 页） 时航模将传回相应的信息（包括驱鸟设备的工作状态及图像 信息）。指令信息通过数字电台传送，航模上搭载多片单片 机系统，当其接收到地面驱鸟指令时将分别打开相应的驱鸟 设备（功放、频闪灯系统等）进行驱鸟作业，也可以通过航 模遥控器的空余遥控通道发射特定占空比的PWM 调频信 号，多单片机系统接收不同频率的PWM 信号（单片机采 用87C51FB 型号）处理后控制相应的驱鸟设备从而实现驱 鸟作业。空中驱鸟设备工作的同时，把驱鸟设备的工作状 态（设备的开关）通过数字电台传回地面计算机进行仿真。 图像信息由图像传输系统实现，航模上搭载CCD 摄像机系 统采集的图像发送到地面，经地面软件编程处理后显示在 屏幕上（见图6 右上角），给地面人员提供航模所处的环境 图像。 图6 航模驱鸟地面仿真系统界面 4 算法的运用实例 运用上述仿真模型算法设计的地面仿真系统应用于哈 尔滨某军用机场的驱鸟作业，仿真效果十分明显，地面试验 和空中飞行试验，姿态仿真的三姿态角度与实际角度相符 合，误差±1 度，位置仿真的误差在±30 米（包括GPS 信号 采集误差和算法误差）。达到预期效果，机场驱鸟时，航模 的遥控范围半径2500 米，驱鸟设备工作正常。其仿真界面 如图-6。界面的左侧就是哈尔滨双榆树军用机场航模驱鸟的 仿真效果图。多次试验表明该算法是有效可行的。 5 结论 本文利用矩阵变换的方法推导出航模计算机仿真模型 的算法，依靠该算法利用OpenGL 进行航模的姿态仿真和位 置仿真。机场驱鸟的运用实例表明依据该算法实现的仿真系 统进行改进还可以应用到其他军用民用方面，军用方面如进 行战术侦察，实施对海面、海上和空中目标作战，释放地磁 干扰，实现通讯中继等；民用方面主要有大地测量、矿藏探 测、森林防火、水灾监测等。因而具有较好的参考价值。 参考文献： 王知行, 李建生. 机械CAD与仿真技术. 哈尔滨: 哈尔滨工业 大学出版社, 2000. 孙家广. 计算机图形学(第三版). 北京: 清华大学出版社, 1998. 朱光亚, 白建军. OpenGL 编程实例. 北京: 人民邮电出版社, 1999.

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