三维动画仿真在惯性导航系统中的应用
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摘要
本论文所研究的问题是将惯性导航系统中十分抽象、难以理解的概念、公式，用三维动画的形式形象鲜明而又准确地展现出来，有利于加强学生对基本概念的深刻理解。
本论文重点介绍了惯性导航系统中的坐标系变换和陀螺仪基本工作原理，将计算机图形学、三维动画的相关知识有机地应用于本研究之中，获得了很好的效果。
由于惯性导航系统中对诸如坐标系之间的变换、单自由度陀螺仪运动原理、两自由度陀螺仪运动原理、陀螺仪视运动、陀螺平台运动原理等的描述，都有严格的数学方程或动力学方程，因此不能简单的用动画的形式来表现这些原理。本论文采用Visual C++和OpenGL编程语言，严格按照对象的数学方程或动力学方程进行仿真，用三维的形式展示了惯性导航系统中的概念。由于惯性导航系统中诸如飞机、导弹、地球模型以及它们之间的运动关系比较复杂，因此本论文采用的是3D Studio MAX与OpenGL相结合的办法，即用前者建模用后者进行动力学控制。
本论文最终完成了一套惯性导航系统的三维可视化软件——INSSystem 1.0，可以进行惯性导航系统的三维可视化仿真，实时仿真数据的存储、绘制以及画面和仿真动画的保存。该软件是新世纪本科教育教学改革计划——“惯导系统多媒体辅助教学系统”的重要组成部分。
This dissertation studies the 3D visualization research in Inertial navigation system(INS). There are a lot of conceptions and theories in INS, which are indigestible and abstract to students. But 3D visualization can express the abstract theories by 3D scenes, which can help teachers and students to understand.
The dissertation pays more attention to the coordinate transformation, principles of gyroscope, computer graphics and 3D animation.
Because the coordination transformation, the principles of single-degree-of-freedom-gyroscope and double-degree-of-freedom-gyroscope, the principles of gyroscope stationary platform in INS are precised prescribed by mathematics or dynamics equations, so we can't use the simple animation to express the principles in INS. This dissertation uses the 3D visualization models to express the INS with Visual C++
and OpenGL by mathematics or dynamics equations. Because the models of airplane, missile, earth or others in INS and the relationship between them are so complex and difficult to building that we use the software of 3D Studio MAX which has the powerful ability to modeling. After building the models, we use the OpenGL to control them, because OpenGL has the strong ability to control the objects by their equations.
As a result, the dissertation completes a software of 3D visualization of Inertial Navigation System named INSSystem 1.0, which can simulate the INS by 3D scenes, store the data of simulation, draw curves of simulation, store the pictures and animations with BMP, PCX, JPG and AVI file format respectively. The INSSystem 1.0 is an important part of The Innovation Plan of New Century Undergraduate Course Education, which is called Multimedia assistant education system of INS.
本论文重点介绍了惯性导航系统中的坐标系变换和陀螺仪基本工作原理，将计算机图形学、三维动画的相关知识有机地应用于本研究之中，获得了很好的效果。
由于惯性导航系统中对诸如坐标系之间的变换、单自由度陀螺仪运动原理、两自由度陀螺仪运动原理、陀螺仪视运动、陀螺平台运动原理等的描述，都有严格的数学方程或动力学方程，因此不能简单的用动画的形式来表现这些原理。本论文采用Visual C++和OpenGL编程语言，严格按照对象的数学方程或动力学方程进行仿真，用三维的形式展示了惯性导航系统中的概念。由于惯性导航系统中诸如飞机、导弹、地球模型以及它们之间的运动关系比较复杂，因此本论文采用的是3D Studio MAX与OpenGL相结合的办法，即用前者建模用后者进行动力学控制。
本论文最终完成了一套惯性导航系统的三维可视化软件——INSSystem 1.0，可以进行惯性导航系统的三维可视化仿真，实时仿真数据的存储、绘制以及画面和仿真动画的保存。该软件是新世纪本科教育教学改革计划——“惯导系统多媒体辅助教学系统”的重要组成部分。
This dissertation studies the 3D visualization research in Inertial navigation system(INS). There are a lot of conceptions and theories in INS, which are indigestible and abstract to students. But 3D visualization can express the abstract theories by 3D scenes, which can help teachers and students to understand.
The dissertation pays more attention to the coordinate transformation, principles of gyroscope, computer graphics and 3D animation.
Because the coordination transformation, the principles of single-degree-of-freedom-gyroscope and double-degree-of-freedom-gyroscope, the principles of gyroscope stationary platform in INS are precised prescribed by mathematics or dynamics equations, so we can't use the simple animation to express the principles in INS. This dissertation uses the 3D visualization models to express the INS with Visual C++
and OpenGL by mathematics or dynamics equations. Because the models of airplane, missile, earth or others in INS and the relationship between them are so complex and difficult to building that we use the software of 3D Studio MAX which has the powerful ability to modeling. After building the models, we use the OpenGL to control them, because OpenGL has the strong ability to control the objects by their equations.
As a result, the dissertation completes a software of 3D visualization of Inertial Navigation System named INSSystem 1.0, which can simulate the INS by 3D scenes, store the data of simulation, draw curves of simulation, store the pictures and animations with BMP, PCX, JPG and AVI file format respectively. The INSSystem 1.0 is an important part of The Innovation Plan of New Century Undergraduate Course Education, which is called Multimedia assistant education system of INS.
引文
[1]吴重光主编．仿真技术[M]．北京．化学工业出版社．2000年5月：1-1
[2]Isaac Victor Kerlow．3D计算机动画与图像技术[M]．北京．中国水利出版社．1998年10月
[3]R. Bowen loftin. Aerospace applications of virtual environment technology[J]. Computer Graphics, 1996, 30(4): 33-35
[4]Lawrence Roseblum. Sharon Stansfield. Michael Zyda. Guest editors' introduction on apples, orange, and the interdisciplinary nature of VR[J]. IEEE Computer Graphics and Applications. 1996, 16(6):20-21
[5]付战下，邸亚洲，尚希良，邱智．基于OpenGL的飞行过程再现与仿真[J]．系统仿真学报．2002年9月，第14卷第9期：1197—1199
[6]杜平，徐大为．飞机飞行姿态仿真的研究[J]．红外与激光工程．2000年10月，第29卷第5期：1—4
[7]华锋，黄建国，李晓东．水下航行器导引仿真系统的三维动画显示[J]．计算机仿真．2000年3月，第17卷第2期：4—7
[8]José Encarnacā, Martin Gǒbel, Lawrence Rosenblum. European activities in virtual reality[J]. IEEE Computer Graphics and Applications, 1994, 14(1):66-74
[9]David Kahaner. Japanese activities in virtual reality[J]. IEEE Computer Graphics and Applications. 1994, 14(1):75-78
[10]秦斌杰，陈旭，庄天戈．医学图像三维可视化[J]．航天医学与医学工程．2001年12月，第14卷第6期：452—455
[11]Zhou Mingquan, Geng Guohua. 3D Visualization Research on Clinical Medical Science[J]. CT Theory and Applications. Sept. 2000, Vol.9 Suppement: 129-132
[12]钟世镇．数字化虚拟人体研究现状和展望[J]．解放军医学杂志，2003年5月，第28卷第5期：385-388
[13]钟世镇．数字化虚拟人体的科学意义及应用前景[J]．第一军医大学学报．2003年3月：193—195
[14]胡峰，孙国基．航天仿真技术的现状及展望[J]．系统仿真学报．1999年4月，第10卷第2期；83—88
[15]Bown R, Kennev P J. Training the Hubble Space Telescope Flight Team[J]. IEEE Computer Graphics and Application, 1995:31-37
[16]赖际舟，刘建业，陈武，林雪原，熊智．惯性／卫星组合导航开发平台的可视化仿真和实现[J]．航空电子技术．2003年3月，第34卷第1期：9—14
[17]侯鹏，何乃刚，申功勋．基于OpenGL的捷联惯导系统可视化仿真实现[J]．测控技术．2002年，第21卷第3期：45-47
[18]以光衢等编．惯性导航原理[M]．北京．航空工业出版社．1987年12月
[19]郭富强，毛玉增和编．惯性导航陀螺平台[M]．西北工业大学．北京．国防工业出版社．1980年12月
[20]于波，陈云相，郭秀中编著．惯性技术[M]．北京．北京航空航天大学出版社．1994年8月
[21]南京航空学院航空陀螺仪原理编写组．航空陀螺仪原理[M]．北京．国防工业出版社．1981年6月
[22]黄惟一主编．陀螺仪器原理[M]北京．国防工业出版社．1987年6月
[23]王承瑶编．陀螺稳定系统[M]．北京．国防工业出版社．1985年6月
[24]Donald Hearn, M. Pauline Baker. Computer Graphics[M]. Prentice Hall. 1998年4月
[25]施寅主编．计算机动画技术[M]．北京．清华大学出版社．1999年12月
[26]Kamen kanev, Tomoyuki Sugiyama. Design And Simulation Of Interactive 3D Computer Games[J]. Comput. & Graphics. 1998, Vol.22 No.2-3:281-300
[27]王萍编著．C++面向对象程序设计[M]．北京．清华大学出版社．2002年2月：207-225
[28]清源计算机工作室编著．Visual C++6.0开发生典[M]．北京．机械工业出版社．1999年5月：29-46
[29]黄维通编著．Visual C++面向对象与可视化程序设计[M]．北京．清华大学出版社．2000年5月：261-274
[30]Dave Shreiner. OpenGL Reference Manual, Third Edition: The Official Reference Document to OpenGL, Version 1.2[M]. Silicon Graphics, Inc. 2001
[31]吴斌，毕丽蕴编著．OpenGL编程实例与技巧[M]．北京．人民邮电出版社．1999年12月
[32]昊斌，断海波，薛凤武译．OpenGL编程权威指南(第三版)[M]．北京．中国电力出版社．2001年8月
[33]L3DS documentation, http://www.levp.de/3d/
[34]张军，冯振声．粒子系统在导弹飞行尾焰图形仿真中的应用[J]．计算机工程与应用．2000年12月：182-183
[35]王润杰，田景全，倪政国．基于粒子系统的实时雨雪模拟[J]．系统仿真学报．2003年4月，第15卷第4期：495,496,501
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