基于Matlab的目標三維模型顯示方法

劉華寧

摘 要：實現三維可視化的引戰配合是引戰配合仿真發展的重要方向，為快速、直觀地評估引戰配合效果奠定了堅實基礎。為了解決基于Matlab目標三維模型與破片動態飛散場的可視化引戰配合仿真難題，本文提出了目標“點集化”的思想，采用通用化建模軟件Creo完成目標三維建模及目標坐標系定義并形成STP或IGS結果文件，再利用UG完成模型格式轉換形成STL文本文件，進而利用Matlab進行目標三維模型“點集”提取，導入引戰配合模型計算后形成戰斗部起爆時刻目標在彈體坐標系下的“點集”及破片空間坐標“點集”，最后利用Matlab進行目標和破片場的復現可得到三維可視化的引戰配合效果。研究結果表明：采用該方法可將大尺寸典型目標簡化成用多邊形來定義多面體，形成可被Matlab快速處理的目標模型，可用于引戰配合仿真計算，為在Matlab下實現引戰配合三維可視化提供了新的技術途徑。

關鍵詞：Maltab;三維顯示;引戰配合;可視化仿真

0? 引言

防空導彈武器系統的引戰配合是一項十分復雜的過程，它涉及多個專業技術領域，其技術分析和結果確認的常用辦法是通過實物試驗。但實物試驗不僅周期長，費用高，且具有統計特性的總體性能指標是實物試驗難以實現的，少數試驗給出的結果置信水平較低，仿真技術是解決這一難題的有效技術手段。引戰配合可視化仿真技術可以重復地實現整個引戰配合過程，代替或部分代替實彈打靶試驗，可以縮短研制周期，提高經濟效益。根據國外對三種不同地空導彈愛國者、羅蘭特、尾刺的研制過程中的統計，采用仿真技術后靶試試驗減少了30%～60%，研制費用節省了10%～40%，研制周期縮短30%～40%[1-3]。

引戰配合三維計算機仿真通過建立數學模型，包括目標模型、引信模型、戰斗部破片飛散模型、破片命中目標模型等，在計算機上模擬引戰配合全過程。三維計算機仿真和物理仿真相比較，優點在于它的代價低，并可以模擬物理仿真中難以模擬的情況，Matlab軟件強大的數值算法技術和圖形圖像處理技術為引戰配合的三維計算機仿真創造了良好的條件，國內外正在開發大量引戰配合仿真軟件，引戰配合目標模型是當前研究的重要方向，目標建模方法的不斷完善，使基于Matlab的引戰配合三維仿真成為研究引戰配合的重要手段。

本文所做的工作就是基于通用三維建模軟件完成引戰配合用的目標三維建模、前處理及后處理顯示，它是建立在引戰配合理論及計算模型基礎之上，使用Matlab的處理手段和方法處理引戰配合形成的目標空間位置及破片場空間位置，并用三維仿真手段展現引戰配合效果，指導引戰系統完善設計。

1? 坐標系及格式定義

引戰配合常用坐標系包括彈體坐標系（OX1Y1Z1）和目標坐標系（OXmYmZm），詳細定義如下：

彈體坐標系：通常以導彈戰斗部中心為坐標系原點，X1軸沿著彈軸方向，向前為正;Y1軸位于導彈縱向對稱面內，過原點垂直于X1軸，向上為正;Z1軸符合右手系。

目標坐標系：通常以目標重心為坐標系原點，Xm軸沿著目標軸線方向，向前為正;Ym軸位于目標縱向對稱面內，過原點垂直于Xm軸，向上為正;Zm軸符合右手系。

STL文件格式：STL是由3D Systems軟件公司創立、原本用于立體光刻計算機輔助設計軟件的文件格式，僅描述三維物體的表面幾何形狀，由三角面片的三個頂點坐標及法向量構成，有文字和二進碼兩種型式。

2? 破片飛散場表征

地空導彈戰斗部類型多采用破片式殺傷戰斗部，主要靠高速破片殺傷空氣動力目標，因此在進行毀傷模擬時主要考慮破片毀傷。

破片動態飛散場模擬：影響破片動態飛散場效果的主要因素包括破片初速度、破片衰減系數、破片飛散角、導彈和目標速度三分量（利用遭遇時刻的導彈速度、目標速度及彈道參數求解得到）等，因此，對破片動態飛散場的模擬主要考慮上述幾個因素，可以采用粒子系統思想模擬破片飛散過程，并采用射線法實現可視化仿真，不考慮破片質量[4-5]。根據起爆時導彈的速度參量、目標速度參量、戰斗部破片的初速度參量計算出戰斗部全方位破片飛散方向角（破片飛散方向與彈軸正向的夾角），以破片飛散方向角、破片最大飛散距離計算得到任意射線在飛散距離端三坐標，在戰斗部360°范圍內繪制出破片的飛散射線，形成空心錐形空間區域，即戰斗部破片的動態殺傷區域如圖1 所示。

2? 三維建模與坐標轉換

為了實現在Matlab中三維顯示破片場及爆炸時刻目標與導彈的空間位置關系，在目標坐標系下建立目標三維模型，并形成STL格式的目標三維模型“點集”，具體過程如下：

首先，通過收集典型目標的相關幾何參數，再利用Creo軟件建立三維模型，詳細建模過程參見UG建模標準進行。

然后，利用Creo軟件進行坐標系重新定義，使目標三維模型滿足目標坐標系要求，操作過程如下：

①點擊“坐標系”彈出坐標系設置窗口;

②選定已有坐標系為參考，并通過X、Y、Y偏移值將新建坐標系設置在目標重心;

③設置坐標系“方向”，使X、Y、Y軸滿足目標坐標系規定方向;

④通過另存設置選定新建坐標系為模型坐標系，形成目標坐標系下模型，如圖2所示。

最后，利用UG三維模型軟件重新打開目標三維模型，通過“導出”方式選定“STL”輸出后選擇“文本”格式，通過設置“三角公差”和“相鄰公差”，一般取10，將模型另存為目標“點集”格式。

利用Matlab編制前處理程序完成目標點坐標提取和目標三維可視化呈現，主要思路為根據STL文件中數據輸出規則，進行數據位置定位并分別提取，而后利用“fill3”以每三個點坐標為一組進行目標三維重構，由Matlab重構的RQ-4b模型如圖3所示。

通過上述方法，完成了目標等比例模型在Matlab中的可視化，利用Fortran程序中的目標坐標定義，可以將Matalb提取的目標三維“點集”導入其中計算，進而通過坐標轉換輸出戰斗部起爆時刻目標在彈體坐標系中的相對位置關系，進而表征出破片場和目標的位置關系，即完成引戰配合效果的三維可視化，如圖4所示。

3? 結論

本文從引戰配合三維可視化實現的需求出發，利用常用的三維建模軟件實現了目標在Matlab中的重構，并與引戰配合計算模型結合，利用提取的目標“點集”進行仿真計算，進而得到了戰斗部起爆時刻彈體系下目標空間三坐標集合，再利用Matlab圖像處理功能復現了破片場命中目標情況。

通過該方法使引戰配合仿真從傳統的二維角度配合表征向三維實體配合表征轉變，實現了引戰配合三維可視化，為更直觀地反應引戰配合效果奠定了堅實基礎。

參考文獻 ：

[1]馮燕. 引戰配合系統三維可視化仿真研究[D].西安電子科技大學，2007.

[2]陳峰. 彈目交會三維可視化仿真技術研究[D].沈陽理工大學，2015.

[3]蔡亞菲. 引戰配合可視化仿真關鍵技術研究[D].南京理工大學，2015.

[4]王宏，萬夕干.地空導彈攔截空中目標可視化研究[J].彈箭與制導學報， 2016（3）：22-24.

[5]周 宗 海.引戰配合可視化及其實現[J].探測與控制學報，2001（4）：52-57.