圖1 仿真軟件框架示意圖

　　該仿真軟件主要設(shè)計有導(dǎo)入模塊、重演模塊、控制模塊三大功能模塊，以及提供用戶界面的界面模塊。其中界面模塊用vc++[4]開發(fā)，為用戶提供可實現(xiàn)各項功能的操作界面。導(dǎo)入模塊可將復(fù)雜數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到指定存儲器中；重演模塊將數(shù)據(jù)生成軌跡跟蹤過程的三維動畫；控制模塊實現(xiàn)用戶交互功能，可以在仿真過程中通過它調(diào)整仿真速度和視點位置。

3 智能跟蹤控制系統(tǒng)建模

　　根據(jù)軌跡跟蹤基本原理建立智能軌跡跟蹤控制系統(tǒng)模型。

　　設(shè)定目標(biāo)軌跡為：

　　s0(t)=[s0(t),s0(t),s0(t)]t，

　　智能跟蹤控制系統(tǒng)為：

　　(1)其中t為時間參數(shù)，x(t)=[x1(t),x2(t),x3(t)]t為系統(tǒng)的狀態(tài)向量，u(t)=[u1(t),u2(t),u3(t)]t為系統(tǒng)的輸入向量，f(t)=[f1(t),f2(t),f3(t)]t為系統(tǒng)的控制信號輸入向量，ai,i=1,2,3為系統(tǒng)狀態(tài)的常數(shù)系數(shù)矩陣，bi,i=1,2,3為系統(tǒng)輸入的常數(shù)系數(shù)矩陣。

　　設(shè)計控制信號輸入f(t)使系統(tǒng)(1)有一個特解為s0(t)這時：

　　(2)由于系統(tǒng)(1)漸近穩(wěn)定，因而系統(tǒng)(1)的任意解都趨向于s0(t)。

　　利用matlab\simulink工具箱[5]可將數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換為計算機仿真模型。圖2為系統(tǒng)(1)第一個變量的仿真模型。input controller為系統(tǒng)的控制器模塊，其功能是將采集的目標(biāo)狀態(tài)s0通過函數(shù)計算得到系統(tǒng)的控制信號f1輸出。

圖2 系統(tǒng)(1)第一個變量的仿真模型

4 三維動畫仿真軟件設(shè)計

　　4.1 導(dǎo)入功能設(shè)計

　　研究軌跡跟蹤系統(tǒng)需要采集和處理大量的系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)的來源方式具有多樣性，可以是系統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)，也可以是若干智能體設(shè)備的運行數(shù)據(jù)。導(dǎo)入模塊的功能是將這些外部數(shù)據(jù)以規(guī)則的方式存貯在仿真軟件指定的存儲器中。圖3為該仿真軟件的數(shù)據(jù)流圖。

　　當(dāng)仿真對象發(fā)生變化時，只要在存儲器中導(dǎo)入新的跟蹤系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，無需改變?nèi)魏纬绦虼a,就可以進行新系統(tǒng)的仿真。導(dǎo)入功能將數(shù)據(jù)的供給與動畫實現(xiàn)程序獨立開來，使整個仿真軟件不受數(shù)據(jù)來源情況復(fù)雜的限制。

圖3 仿真軟件數(shù)據(jù)流圖

　　4.2 opengl動畫開發(fā)設(shè)計

　　opengl圖形系統(tǒng)是行業(yè)領(lǐng)域中最為廣泛接納的2d/3d圖形api[6]，其跨平臺性和優(yōu)越的三維動畫特性可以滿足仿真軟件的需求。基于第2節(jié)對程序各個功能模塊進行的需求和能力分析，設(shè)計開發(fā)了軌跡跟蹤動畫實現(xiàn)代碼。該模塊只向指定存儲器讀取軌跡跟蹤行為的數(shù)據(jù)，并且留有控制指令接口，實現(xiàn)了動畫核心程序的重用和可擴展。程序流程如圖4所示。

圖4 opengl三維動畫程序流程圖

　　將第3節(jié)建立的智能跟蹤控制系統(tǒng)模型分別運用matlab和三維動畫仿真軟件進行仿真，仿真結(jié)果分別如圖5，圖6所示。

圖5 matlab仿真結(jié)果

圖6 三維動畫仿真結(jié)果

　　圖5是matlab仿真結(jié)果，我們只能觀察到跟蹤過程完成后的情況，其中sys1、sys2、sys3的點線分別表示智能跟蹤系統(tǒng)一、系統(tǒng)二、系統(tǒng)三的軌跡。圖6是三維動畫仿真結(jié)果，如圖6所示，目標(biāo)為紅色，其運動軌跡為紅色橢圓，顏色分別為橙色、綠色、藍色的智能體從不同空間位置出發(fā)，以各自的路徑和速度進入目標(biāo)軌跡，然后沿著目標(biāo)軌跡跟蹤目標(biāo)。從圖6(b)中可以看到綠色智能體跟蹤速度最快，進入目標(biāo)軌跡后幾乎與目標(biāo)重合。對比兩種軟件的仿真效果，三維動畫仿真能更加直觀地表現(xiàn)出智能體跟蹤運動過程。

4.3 仿真過程控制

　　在對跟蹤控制問題的研究過程中，為了改進智能體模型或者控制器性能，需要詳細觀察智能體某個階段的運動軌跡形態(tài)。為了達到此要求，設(shè)計開發(fā)過程控制模塊，實現(xiàn)對仿真過程的實時控制。該模塊主要設(shè)計了兩種鍵盤控制功能，即速度調(diào)整和視點調(diào)整。

　　速度調(diào)整是在創(chuàng)建系統(tǒng)形體的間隙設(shè)置額外的延遲時間來調(diào)控仿真速度。設(shè)計在f1~f6按鍵響應(yīng)程序中分別設(shè)置六個檔次的速度。

　　視點調(diào)整是設(shè)計用幾何變換法來改變視點的位置。該方法的設(shè)計原理如圖7所示。

圖7 幾何變換設(shè)計原理圖

　　圖7中，o為軌跡中心；ρ為由o指向視點的矢量；視點坐標(biāo)(x,y)為矢量ρ分別在x軸和y軸上的投影值；圓環(huán)面l為xoy平面上的視點調(diào)整區(qū)域，由ρ的模最大值和最小值來界定；上、下方向鍵分別用于調(diào)整ρ變大、變小；左、右方向鍵用于調(diào)整視點在l內(nèi)以o為圓心ρ為半徑的圓環(huán)上分別向左、向右移動。基于該幾何變換法的設(shè)計，在仿真運行過程中，通過控制模塊向軟件發(fā)出指令，就能夠?qū)崿F(xiàn)視點360°全方位移動和觀察距離的調(diào)整。圖8為經(jīng)過視點調(diào)整后看到的仿真圖像。

圖8 軌跡交接放大圖

　　從圖8中能夠觀察到各條跟蹤軌跡接近目標(biāo)軌跡前的形態(tài)以及接近的位置，進而判斷各系統(tǒng)模型或跟蹤控制器的優(yōu)劣，為改進它們的參數(shù)提供了實驗依據(jù)。

5 結(jié)束語

　　本文根據(jù)智能跟蹤控制系統(tǒng)研究的需要，開發(fā)出三維動畫仿真軟件。該軟件具有以下突出優(yōu)點：采用數(shù)據(jù)導(dǎo)入的思想，使軟件擺脫數(shù)據(jù)來源復(fù)雜的限制，拓寬了該仿真軟件的使用范圍；設(shè)計視點幾何變換法等，實現(xiàn)仿真過程的實時可操作特性，從而提高了其作為仿真研究的價值；采用模塊化設(shè)計，結(jié)構(gòu)緊湊合理，可重用性和擴展性較強。實驗表明該軟件視覺表現(xiàn)力強，性能穩(wěn)定，為智能跟蹤控制系統(tǒng)的研究提供了一個良好的仿真工具，其設(shè)計思想和方法對其他仿真軟件的設(shè)計也有參考價值。