基于OpenGL的捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)三維路徑重建技術(shù)研究

摘 要:簡述了使用OpenGL技術(shù)設(shè)計實現(xiàn)捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)三維路徑重建的過程。對捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行軌跡數(shù)據(jù)的加工整理、路徑曲線的三維觀察及重建、三維路徑的工程圖表示和路徑曲線分段的半徑標(biāo)識。利用CAD軟件進(jìn)行繪圖設(shè)計和造型分析的結(jié)果表明，采用自主式的捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行路徑重建在檢測運(yùn)動參數(shù)方面的重要性。

關(guān)鍵詞:OpenGL技術(shù)路徑重建CAD繪圖

中圖分類號:TN967文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1674-098X(2011)06(b)-0003-02

1 引言

捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是把陀螺儀和加速度計等慣性元件直接固定在運(yùn)載體上，分別測量各個運(yùn)載體相對慣性空間的三個轉(zhuǎn)動角速度和三個線加速度沿運(yùn)載體坐標(biāo)系的分量，經(jīng)過坐標(biāo)變換，把加速度信息轉(zhuǎn)化為沿導(dǎo)航坐標(biāo)系的加速度。經(jīng)過計算，得到運(yùn)載體的位置、速度、航向和水平姿態(tài)等各種導(dǎo)航信息。

2 捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)基本原理

捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)沒有實體平臺，陀螺儀和加速度計直接安裝在載體上，慣性元件的敏感軸安裝在所謂的載體坐標(biāo)系三軸方向上。運(yùn)動過程中，陀螺儀測定載體相對于慣性參照系的運(yùn)動角速度，并由此計算載體坐標(biāo)系至導(dǎo)航坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換矩陣。通過此矩陣，把加速度計測得的加速度信息變換至導(dǎo)航坐標(biāo)系進(jìn)行導(dǎo)航計算，得到所需要的導(dǎo)航參數(shù)，圖1。

3 三維路徑重建方案的設(shè)計

3.1 導(dǎo)航路徑的數(shù)據(jù)整理

對捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)產(chǎn)生的軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對于其中一些誤差嚴(yán)重的坐標(biāo)點，在路徑重建過程中，會使導(dǎo)航路徑軌跡顯示出明顯的變化，路徑軌跡三維圖會出現(xiàn)畸變的拐點，因此需要對產(chǎn)生的數(shù)據(jù)整理，對其中嚴(yán)重的誤差點進(jìn)行修正或刪除，以達(dá)到軌跡路徑曲線的圓滑。捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中陀螺儀和加速度計分別測量運(yùn)載體相對慣性空間的三個轉(zhuǎn)動角速度和三個線加速度沿運(yùn)載體坐標(biāo)系的分量，經(jīng)過坐標(biāo)變換，把加速度信息轉(zhuǎn)化為沿導(dǎo)航坐標(biāo)系的加速度。經(jīng)過計算，得到運(yùn)載體的位置、速度、航向和水平姿態(tài)等各種導(dǎo)航信息。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到一系列捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)路徑的坐標(biāo)點，在軌跡路徑繪制過程中顯現(xiàn)三維曲線，描繪出捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的運(yùn)動軌跡。

3.2 OpenGL系統(tǒng)平臺結(jié)構(gòu)及工作流程

OpenGL是一套圖形標(biāo)準(zhǔn)，它嚴(yán)格按照計算機(jī)圖形學(xué)原理設(shè)計而成，適合可視化仿真系統(tǒng)。在OpenGL中允許視景對象用圖形方式表達(dá)，如由物體表面頂點坐標(biāo)集合構(gòu)成的幾何模型，圖形數(shù)據(jù)含有豐富的幾何信息，得到的仿真圖像能充分表達(dá)出其形體特征，在OpenGL中有針對三維坐標(biāo)表示的頂點的幾何變換，通過該變換可使頂點在三維空間內(nèi)進(jìn)行平移和旋轉(zhuǎn)，對于由頂點的集合表達(dá)的物體則可以實現(xiàn)其在空間的各種運(yùn)動。

整個工作流程分為兩條:第一是對幾何圖形的處理用頂點來描述，經(jīng)過運(yùn)算器和頂點操作，進(jìn)行光柵處理形成圖元，放入幀緩沖區(qū)。第二是對像素數(shù)據(jù)的處理，經(jīng)過像素操作后結(jié)果存儲在內(nèi)存中，進(jìn)行光柵化處理形成圖元，送入幀緩沖區(qū)中，等待實現(xiàn)圖形顯示，圖2。

3.3 OpenGL初始化及三維路徑重建

無論進(jìn)入OpenGL的何種數(shù)據(jù)，都將把像素寫到幀緩存上。每一個OpenGL顯示設(shè)備都支持特定數(shù)目的像素格式。一個指定的像素格式必須通過PIXELFORMATDESCRIPTOR結(jié)構(gòu)得到描述。根據(jù)捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)路徑的三維坐標(biāo)點，進(jìn)行路徑的三維重建，繪制出路徑的三維曲線，利用OpenGL中的繪制折線功能將glBegin()函數(shù)的參數(shù)設(shè)為GL_LINE_STRIP，此函數(shù)繪制規(guī)律為第一對頂點描述了折線的第一條線段，以后每增加一個頂點就增加一條線段。在glBegin()/glEnd()函數(shù)對中加入捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)路徑的三維坐標(biāo)點。glvertex2f()函數(shù)要改為glvertex3f()用來表示三維坐標(biāo)點。那么這些坐標(biāo)點會在三維空間中連成一條三維曲線，即實現(xiàn)了捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)路徑的三維重建。

3.4 導(dǎo)航路徑重建的實現(xiàn)

經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到一系列捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)路徑的坐標(biāo)點。然后利用這些坐標(biāo)點通過計算機(jī)輔助設(shè)計實現(xiàn)捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)軌跡系統(tǒng)路徑的三維重建。重建之后得到可以對導(dǎo)航路徑的軌道進(jìn)行三維觀察，并更加直觀的對捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)路徑軌跡進(jìn)行分析。圖3為三維路徑重建結(jié)果，圖中顯示的為三維坐標(biāo)軸和捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)路徑的三維圖。其中用紅色表示X軸，綠色為Y軸，藍(lán)色為Z軸。三維坐標(biāo)軸圍成一個三維空間，灰色路徑軌跡在其三維空間中顯示，根據(jù)導(dǎo)航系統(tǒng)路徑的分析得到的坐標(biāo)點，繪制出軌跡曲線，非常直觀的顯示出導(dǎo)航系統(tǒng)的運(yùn)動軌跡，能夠利用鼠標(biāo)進(jìn)行拖動，可以從各個方位進(jìn)行觀察，以便于更直觀的對導(dǎo)航系統(tǒng)路徑的研究和分析。

4 結(jié)語

本文對慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的重要性和基本原理進(jìn)行了介紹。針對捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，根據(jù)該系統(tǒng)的軌跡數(shù)據(jù)，用OpenGL實現(xiàn)系統(tǒng)路徑的三維重建。調(diào)用OpenGL庫函數(shù)，實現(xiàn)三維圖的自由旋轉(zhuǎn)和對路徑曲線的三維觀察。通過對系統(tǒng)路徑的三維重建，運(yùn)用OpenGL得到路徑的工程圖，對路徑曲線進(jìn)行了分段半徑標(biāo)識。研究結(jié)果表明慣性導(dǎo)航系統(tǒng)不僅可以全面地檢測到幾乎所有的運(yùn)動參數(shù)，是完全自主式的導(dǎo)航測量方法，且其工作完全不受自然的和人為的干擾影響，具有重要的軍事意義。

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