智能跟蹤控制系統(tǒng)的動(dòng)畫(huà)仿真設(shè)計(jì)

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　　本文針對(duì)傳統(tǒng)仿真方法的不足，采用opengl圖形系統(tǒng)結(jié)合vc++軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)出智能跟蹤控制系統(tǒng)三維動(dòng)畫(huà)仿真軟件。在該軟件的設(shè)計(jì)方案中，提出自動(dòng)導(dǎo)入的方法使其能直接導(dǎo)入來(lái)自各種現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)，克服數(shù)據(jù)來(lái)源復(fù)雜的難題;提出幾何變換法實(shí)現(xiàn)視點(diǎn)調(diào)整功能，使仿真過(guò)程具有多角度可視性;利用程序的延時(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)仿真速度的可控性，提高了軟件對(duì)仿真對(duì)象進(jìn)行觀察研究的能力。

　　2 仿真軟件總體框架

　　智能跟蹤控制系統(tǒng)三維動(dòng)畫(huà)仿真軟件的基本任務(wù)是提供仿真數(shù)據(jù)的導(dǎo)入功能，智能體軌跡跟蹤過(guò)程的精確重演，提供仿真過(guò)程的交互功能。通過(guò)數(shù)據(jù)導(dǎo)入功能，不論是來(lái)自于實(shí)物實(shí)驗(yàn)還是仿真實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)都能較容易地被該仿真軟件使用。仿真運(yùn)行時(shí)要能生成三維動(dòng)畫(huà)圖像，精確模仿智能體軌跡跟蹤過(guò)程。仿真過(guò)程中要能夠?qū)σ朁c(diǎn)和速度進(jìn)行調(diào)整，以便于從各個(gè)方向和不同的距離觀察，以及快放和慢放軌跡跟蹤過(guò)程，進(jìn)一步方便對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析和處理。

　　軌跡跟蹤控制系統(tǒng)可能只涉及到一個(gè)智能體，也可能涉及到若干個(gè)智能體，各個(gè)智能體在跟蹤過(guò)程中可能組成編隊(duì)并擔(dān)任著不同的職能，不同類型的智能體以及不同的跟蹤任務(wù)其跟蹤控制方法也不同[3]。但跟蹤原理基本一致，即智能體根據(jù)預(yù)設(shè)的或者捕捉到的目標(biāo)軌跡，經(jīng)過(guò)計(jì)算產(chǎn)生控制信號(hào)輸入，使其發(fā)出跟蹤行動(dòng)，產(chǎn)生跟蹤軌跡。

　　為了便于整體開(kāi)發(fā)和擴(kuò)展應(yīng)用，根據(jù)軌跡跟蹤過(guò)程的特點(diǎn)和研究需求，將軟件按照實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，并通過(guò)操作界面來(lái)控制其功能的實(shí)現(xiàn)。圖1所示為該仿真軟件的框架結(jié)構(gòu)。

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　　圖1 仿真軟件框架示意圖

　　該仿真軟件主要設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)，為用戶提供可實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)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(chǔ)器中;重演模塊將數(shù)據(jù)生成軌跡跟蹤過(guò)程的三維動(dòng)畫(huà);控制模塊實(shí)現(xiàn)用戶交互功能，可以在仿真過(guò)程中通過(guò)它調(diào)整仿真速度和視點(diǎn)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(shí)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(hào)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(jì)控制信號(hào)輸入f(t)使系統(tǒng)(1)有一個(gè)特解為s0(t)這時(shí)：

　　(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(jì)算機(jī)仿真模型。圖2為系統(tǒng)(1)第一個(gè)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(guò)函數(shù)計(jì)算得到系統(tǒng)的控制信號(hào)f1輸出。

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　　圖2 系統(tǒng)(1)第一個(gè)變量的仿真模型