基于MATLAB與VC的魚雷彈道三維可視化的實(shí)現(xiàn)＊

陳 龍 苑秉成 謝 勇 張宗波 李瑞亮

（1.海軍工程大學(xué)兵器工程系 武漢 430033）（2.92840部隊(duì) 青島 266405）

1 引言

魚雷實(shí)航試驗(yàn)的水下彈道一般通過外場測量獲取，但是需要特定的水域，并在水下布放水聲彈道測量系統(tǒng)。本文以魚雷實(shí)航內(nèi)測記錄器采集記錄的相關(guān)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，綜合應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)彈道可視化軟件。通過對魚雷航行時(shí)記錄在存儲器上的相關(guān)參數(shù)回放到計(jì)算機(jī)上，經(jīng)分析處理實(shí)現(xiàn)魚雷水下運(yùn)動彈道的可視化，解決了無外場測量系統(tǒng)條件下水下運(yùn)動彈道的難題。有效提高了魚雷實(shí)航彈道的分析效率，克服了特定水域及設(shè)備的制約［1］。利用VC和MATLAB混合編程開發(fā)，而MATLAB的圖形只能輸出在自己的Figure窗口上，無法嵌入到VC的程序界面中，給混合編程應(yīng)用造成了很大的障礙。利用COM組件技術(shù)的窗口嵌入方法，實(shí)現(xiàn)脫離MATLAB環(huán)境的應(yīng)用程序開發(fā)。

2 魚雷內(nèi)測系統(tǒng)記錄的彈道相關(guān)參數(shù)

魚雷內(nèi)測系統(tǒng)記錄的參數(shù)主要包括：魚雷總體參數(shù)、動力系統(tǒng)參數(shù)、控制系統(tǒng)參數(shù)、自導(dǎo)引信參數(shù)，其中與魚雷水下運(yùn)動彈道相關(guān)的參數(shù)有：

1）陀螺組件中的角度變換器的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動信號（MPP）

此信號代表了魚雷的轉(zhuǎn)向指令轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的三相脈沖序列，由魚雷控制系輸出到步進(jìn)電機(jī)上，形成如圖1（a）所示的階梯型的信號，階梯的傾斜方向表示魚雷的旋回方向，階梯的寬度表示旋回運(yùn)動的回轉(zhuǎn)速率的大小，脈沖發(fā)生一次變化，就表示魚雷回轉(zhuǎn)a°。無疊加高頻信號的脈沖表示，魚雷無捕獲目標(biāo)時(shí)執(zhí)行的初始轉(zhuǎn)向或搜索指令如圖1（a）所示。當(dāng)魚雷處于追蹤目標(biāo)階段時(shí)，脈沖信號有高頻信號疊加，如圖1（b）所示。

圖1 步進(jìn)電機(jī)信號

記錄的MPP信號中，沒有出現(xiàn)階梯型脈沖，則可認(rèn)為魚雷運(yùn)動在水平面的投影是直航的；當(dāng)存在階梯脈沖時(shí)，則魚雷發(fā)生了旋回運(yùn)動，旋回的速率與階梯脈沖的寬度有關(guān)，旋回運(yùn)動的方向與階梯信號的傾斜方向有關(guān)。直航運(yùn)動就是旋回速率為零的運(yùn)動。

2）推進(jìn)器轉(zhuǎn)數(shù)信號（GIE）

推進(jìn)器轉(zhuǎn)數(shù)信號是由轉(zhuǎn)數(shù)傳感器每n轉(zhuǎn)就輸出一個(gè)電壓脈沖，而魚雷的速度與脈沖的頻率成線性關(guān)系。如圖2所示。

圖2 推進(jìn)器轉(zhuǎn)數(shù)信號

3）壓力信號（PRESS）

由壓力傳感器測得的數(shù)據(jù)，可轉(zhuǎn)換成魚雷航行深度數(shù)據(jù)。

3 魚雷三維彈道的可視化數(shù)學(xué)模型與方法

魚雷彈道是魚雷航行的軌跡，物理學(xué)上軌跡的計(jì)算就是取速度對時(shí)間的積分。但是在記錄的數(shù)據(jù)中，無法直接獲得速度矢量。魚雷速度的大小，可根據(jù)GIE數(shù)據(jù)，根據(jù)式（1），可以得到魚雷航行速度的大小S，根據(jù)壓力數(shù)據(jù)可得到深度隨時(shí)間的變化，在時(shí)間的微分可得到速度在垂直方向的分量ST，這樣根據(jù)勾股定理可計(jì)算出魚雷的速度水平方向的分量So，根據(jù)式（2）可根據(jù)ST，S求出夾角θ，然后求出So。速度解算示意圖如圖3所示。速度公式如下：

其中N為一定時(shí)間內(nèi)的信號脈沖數(shù)，n為出現(xiàn)一個(gè)脈沖代表推進(jìn)器轉(zhuǎn)n轉(zhuǎn)，Δt為時(shí)間間隔，單位s，K為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，S的單位為kn。

圖3 速度分解示意圖

由MPP信號得出魚雷水平的瞬時(shí)回轉(zhuǎn)速率βi，分為直航和旋向運(yùn)動，直航式（4），旋向運(yùn)動式（5），水平航向角的計(jì)算公式如（3）

其中αi為某時(shí)刻的航向角，α0為初始航向角，單位：弧度；βn為回轉(zhuǎn)速率，單位：1／s。

其中Xi，Yi分別為某時(shí)刻的水平坐標(biāo)，Xi＋1，Yi＋1分別為下一個(gè)時(shí)刻的水平坐標(biāo)，Δt為時(shí)間間隔

其中Rm為瞬時(shí)曲率半徑。

利用VC編程實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)信號和推進(jìn)器轉(zhuǎn)數(shù)信號的轉(zhuǎn)換計(jì)算。由于魚雷記錄的是采樣后的離散數(shù)據(jù)，且都不是連續(xù)變化的，在編程中對數(shù)據(jù)變化上升沿與下降沿的計(jì)數(shù)，以及各沿之間的間隔，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)信號轉(zhuǎn)換成魚雷的回轉(zhuǎn)速率，和推進(jìn)器轉(zhuǎn)數(shù)信號轉(zhuǎn)換成魚雷速度。

通過以上計(jì)算，依據(jù)彈道可視化模型，得到離散化的彈道坐標(biāo)點(diǎn) （Xi，Yi，Zi），生成數(shù)據(jù)文件。

4 混合編程

4.1 COM組件

組件對象模型（COM，Component Object Model）是微軟提出的以組件為發(fā)布單元的軟件開發(fā)技術(shù)。COM對象用C／S的方式，提供一類應(yīng)用程序接口，允許任何符合標(biāo)準(zhǔn)的程序訪問。COM對象是建立在二進(jìn)制可執(zhí)行代碼的基礎(chǔ)上，因此COM組件對象是語言無關(guān)的，這一特性使得用不同編程語言開發(fā)的組件對象進(jìn)行交互成為可能。MATLAB可以通過MATLAB編譯器和MATLAB COM Builder將MATLAB程序轉(zhuǎn)換為動態(tài)鏈接庫形式的COM組件，這些COM組件可以在其他程序中調(diào)用，這是VC和MATLAB混合編程的主要方式［2］。

4.2 混合編程的實(shí)現(xiàn)

4.2.1 實(shí)現(xiàn)混合編程的環(huán)境配置

要成功地實(shí)現(xiàn)混合編程，達(dá)到混合編程的要求并最終作為獨(dú)立的應(yīng)用程序發(fā)布，首先要對MATLAB及VC進(jìn)行環(huán)境的配置。

對MATLAB編譯環(huán)境進(jìn)行設(shè)置：在MATLAB環(huán)境中運(yùn)行mex setup命令，按屏幕提示選擇有關(guān)選項(xiàng)，此處選編譯器為 Microsoft VisualC／C＋＋Version6.0in C：＼Program Files＼Microsoft Visual Studio，路徑按實(shí)際路徑選擇。然后在MATLAB環(huán)境中運(yùn)行mbuild setup命令，設(shè)置方法同上［3～4］。

4.2.2 MATLAB中的實(shí)現(xiàn)

首先建立實(shí)現(xiàn)魚雷三維彈道可視化的M文件其中代碼如下：

在MATLAB下創(chuàng)建COM組件：

1）在matlab command window輸入如下命令：?deploytool；

2）建立deployment project：trshow.prj，確定安裝位置E：＼matlab＼trshow，選擇目標(biāo)：Generic COM Component；

3）在deployment tool的Build下添加類，將trshow.m文件添加進(jìn)去；

4）點(diǎn)擊Build生成COM組件，至此COM組件已經(jīng)由MATLAB完成。

4.2.3 VC下調(diào)用COM組件

1）將 E：＼matlab＼trshow＼src下的trshow＿idl.h、trshow＿idl＿i.c和mwcomtypes.h文件拷貝到VC建立的工程目錄下。

2）選擇菜單Project－Settings－屬性頁Link－下拉列表中選擇Input，在“Object／Library modules”編輯框中輸入連接庫文件名：mclmcrrt.lib trshow.lib。

3）為程序添加頭文件trshow＿idl.h、trshow＿idl＿i.c，mwcomtypes.h頭文件已經(jīng)在trshow＿idl.h中有添加。

4）在按鈕響應(yīng)函數(shù)中添加COM組件的調(diào)用，主要代碼如下：

MATLAB圖像窗口在VC界面中顯示用函數(shù)Find－Window、SetWindowPos和SetParent，就可實(shí)現(xiàn)，其中Find－Window尋找到Windows系統(tǒng)中指定名稱的窗口；SetWindowPos把窗口移動到指定的位置；而SetParent函數(shù)改變窗口的父窗口。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4 三維彈道顯示界面

通過對魚雷記錄的彈道相關(guān)參數(shù)的研究，建立了魚雷水下運(yùn)動彈道可視化模型，并通過VC生成彈道坐標(biāo)文件，運(yùn)用COM組件技術(shù)，實(shí)現(xiàn)MATLAB的三維彈道顯示窗口在VC界面中顯示，結(jié)果如圖4所示，此顯示程序保留了MATLAB圖形工具，可實(shí)現(xiàn)彈道的平面投影，如圖5～圖6所示。

圖5 彈道水平面投影（XOY平面）

圖6 彈道垂直面的投影（YOZ平面）

6 結(jié)語

利用COM組件技術(shù)，VC編譯器調(diào)用MATLAB動態(tài)鏈接庫，實(shí)現(xiàn)脫離MATLAB環(huán)境的應(yīng)用程序開發(fā)，在很大程度上降低了軟件開發(fā)的難度和編碼工作量。VC的文件處理功能強(qiáng)大，支持大量數(shù)據(jù)的分析處理，由MATLAB繪制的3D彈道效果好，將MATLAB圖形窗口嵌入到VC界面中，為彈道的繪制提供了方便，MATLAB的圖形工具為魚雷的彈道提供了便利，提高了編程效率及軟件的可靠性，此繪制方法可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析處理及數(shù)據(jù)可視化的效果，提高了效率。

［1］Yuan BingCheng.MODERN HOMINNG TORPEDO TECHNOLOGY.WuHan： NANAL UNIVERSITY OF ENGINEERING，2005.

［2］牟彧清，王汝霖，李國新.MATLAB與VC接口技術(shù)的研究［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2006，7（3）：275－277.

［3］劉維.精通 Matlab與C／C＋＋混合程序設(shè)計(jì)［M］.2版.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

［4］董維國.深入淺出MATLAB 7.X混合編程［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.