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基于OpenGL的捷联式惯性导航系统三维路径重建技术研究
作者：齐鼎利
来源：《科技创新导报》2011年第17期
摘 要:简述了使用OpenGL技术设计实现捷联式惯性导航系统三维路径重建的过程。对捷联式惯性导航系统进行轨迹数据的加工整理、路径曲线的三维观察及重建、三维路径的工程图表示和路径曲线分段的半径标识。利用CAD软件进行绘图设计和造型分析的结果表明,采用自主式的捷联式惯性导航系统进行路径重建在检测运动参数方面的重要性。 关键词:OpenGL技术路径重建CAD绘图
中图分类号:TN967 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)06(b)-0003-02 1 引言
捷联式惯性导航系统是把陀螺仪和加速度计等惯性元件直接固定在运载体上,分别测量各个运载体相对惯性空间的三个转动角速度和三个线加速度沿运载体坐标系的分量,经过坐标变换,把加速度信息转化为沿导航坐标系的加速度。经过计算,得到运载体的位置、速度、航向和水平姿态等各种导航信息。 2 捷联式惯性导航系统基本原理
捷联式惯导系统没有实体平台,陀螺仪和加速度计直接安装在载体上,惯性元件的敏感轴安装在所谓的载体坐标系三轴方向上。运动过程中,陀螺仪测定载体相对于惯性参照系的运动角速度,并由此计算载体坐标系至导航坐标系的坐标变换矩阵。通过此矩阵,把加速度计测得的加速度信息变换至导航坐标系进行导航计算,得到所需要的导航参数，图1。
3 三维路径重建方案的设计 3.1 导航路径的数据整理
对捷联式惯性导航系统产生的轨迹数据进行分析,对于其中一些误差严重的坐标点,在路径重建过程中,会使导航路径轨迹显示出明显的变化,路径轨迹三维图会出现畸变的拐点,因此需要对产生的数据整理,对其中严重的误差点进行修正或删除,以达到轨迹路径曲线的圆滑。捷联式
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惯性导航系统中陀螺仪和加速度计分别测量运载体相对惯性空间的三个转动角速度和三个线加速度沿运载体坐标系的分量,经过坐标变换,把加速度信息转化为沿导航坐标系的加速度。经过计算,得到运载体的位置、速度、航向和水平姿态等各种导航信息。经过数据处理得到一系列捷联式惯性导航系统路径的坐标点,在轨迹路径绘制过程中显现三维曲线,描绘出捷联式惯性导航系统的运动轨迹。
3.2 OpenGL系统平台结构及工作流程
OpenGL是一套图形标准,它严格按照计算机图形学原理设计而成,适合可视化仿真系统。在OpenGL中允许视景对象用图形方式表达,如由物体表面顶点坐标集合构成的几何模型,图形数据含有丰富的几何信息,得到的仿真图像能充分表达出其形体特征,在OpenGL中有针对三维坐标表示的顶点的几何变换,通过该变换可使顶点在三维空间内进行平移和旋转,对于由顶点的集合表达的物体则可以实现其在空间的各种运动。
整个工作流程分为两条:第一是对几何图形的处理用顶点来描述,经过运算器和顶点操作,进行光栅处理形成图元,放入帧缓冲区。第二是对像素数据的处理,经过像素操作后结果存储在内存中,进行光栅化处理形成图元,送入帧缓冲区中,等待实现图形显示,图2。 3.3 OpenGL初始化及三维路径重建
无论进入OpenGL的何种数据,都将把像素写到帧缓存上。每一个OpenGL显示设备都支持特定数目的像素格式。一个指定的像素格式必须通过PIXELFORMATDESCRIPTOR结构得到描述。根据捷联式惯性导航系统路径的三维坐标点,进行路径的三维重建,绘制出路径的三维曲线,利用OpenGL中的绘制折线功能将glBegin()函数的参数设为GL_LINE_STRIP,此函数绘制规律为第一对顶点描述了折线的第一条线段,以后每增加一个顶点就增加一条线段。在glBegin()/glEnd()函数对中加入捷联式惯性导航系统路径的三维坐标点。glvertex2f()函数要改为glvertex3f()用来表示三维坐标点。那么这些坐标点会在三维空间中连成一条三维曲线,即实现了捷联式惯性导航系统路径的三维重建。 3.4 导航路径重建的实现
经过数据处理得到一系列捷联式惯性导航系统路径的坐标点。然后利用这些坐标点通过计算机辅助设计实现捷联式惯导系统轨迹系统路径的三维重建。重建之后得到可以对导航路径的轨道进行三维观察,并更加直观的对捷联式惯性导航系统路径轨迹进行分析。图3为三维路径重建结果,图中显示的为三维坐标轴和捷联式惯性导航系统路径的三维图。其中用红色表示X轴,绿色为Y轴,蓝色为Z轴。三维坐标轴围成一个三维空间,灰色路径轨迹在其三维空间中显示,根据导航系统路径的分析得到的坐标点,绘制出轨迹曲线,非常直观的显示出导航系统的运动轨迹,能够利用鼠标进行拖动,可以从各个方位进行观察,以便于更直观的对导航系统路径的研究和分析。
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4 结语
本文对惯性导航系统的重要性和基本原理进行了介绍。针对捷联式惯性导航系统,根据该系统的轨迹数据,用OpenGL实现系统路径的三维重建。调用OpenGL库函数,实现三维图的自由旋转和对路径曲线的三维观察。通过对系统路径的三维重建,运用OpenGL得到路径的工程图,对路径曲线进行了分段半径标识。研究结果表明惯性导航系统不仅可以全面地检测到几乎所有的运动参数,是完全自主式的导航测量方法,且其工作完全不受自然的和人为的干扰影响,具有重要的军事意义。 参考文献
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