本文針對傳統(tǒng)仿真方法的不足，采用opengl圖形系統(tǒng)結合vc++軟件開發(fā)平臺設計出智能跟蹤控制系統(tǒng)三維動畫仿真軟件。在該軟件的設計方案中，提出自動導入的方法使其能直接導入來自各種現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，克服數(shù)據(jù)來源復雜的難題;提出幾何變換法實現(xiàn)視點調整功能，使仿真過程具有多角度可視性;利用程序的延時技術實現(xiàn)仿真速度的可控性，提高了軟件對仿真對象進行觀察研究的能力。

　　2 仿真軟件總體框架

　　智能跟蹤控制系統(tǒng)三維動畫仿真軟件的基本任務是提供仿真數(shù)據(jù)的導入功能，智能體軌跡跟蹤過程的精確重演，提供仿真過程的交互功能。通過數(shù)據(jù)導入功能，不論是來自于實物實驗還是仿真實驗的數(shù)據(jù)都能較容易地被該仿真軟件使用。仿真運行時要能生成三維動畫圖像，精確模仿智能體軌跡跟蹤過程。仿真過程中要能夠對視點和速度進行調整，以便于從各個方向和不同的距離觀察，以及快放和慢放軌跡跟蹤過程，進一步方便對仿真結果進行分析和處理。

　　軌跡跟蹤控制系統(tǒng)可能只涉及到一個智能體，也可能涉及到若干個智能體，各個智能體在跟蹤過程中可能組成編隊并擔任著不同的職能，不同類型的智能體以及不同的跟蹤任務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)預設的或者捕捉到的目標軌跡，經(jīng)過計算產生控制信號輸入，使其發(fā)出跟蹤行動，產生跟蹤軌跡。

　　為了便于整體開發(fā)和擴展應用，根據(jù)軌跡跟蹤過程的特點和研究需求，將軟件按照實現(xiàn)的功能進行模塊化設計，并通過操作界面來控制其功能的實現(xiàn)。圖1所示為該仿真軟件的框架結構。

　　圖1 仿真軟件框架示意圖

　　該仿真軟件主要設計有導入模塊、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。導入模塊可將復雜數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)導入到指定存儲器中;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。

　　設定目標軌跡為：

　　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matlabsimulink工具箱[5]可將數(shù)學模型轉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計

　　4.1 導入功能設計

　　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備的運行數(shù)據(jù)。導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。

　　當仿真對象發(fā)生變化時，只要在存儲器中導入新的跟蹤系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，無需改變任何程序代碼,就可以進行新系統(tǒng)的仿真。導入功能將數(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)設計

　　opengl圖形系統(tǒng)是行業(yè)領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?；诘?節(jié)對程序各個功能模塊進行的需求和能力分析，設計開發(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，仿真結果分別如圖5，圖6所示。

　　圖5 matlab仿真結果

　　圖6 三維動畫仿真結果

　　圖5是matlab仿真結果，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是三維動畫仿真結果，如圖6所示，目標為紅色，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軌跡，然后沿著目標軌跡跟蹤目標。從圖6(b)中可以看到綠色智能體跟蹤速度最快，進入目標軌跡后幾乎與目標重合。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。該模塊主要設計了兩種鍵盤控制功能，即速度調整和視點調整。

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

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

　　圖7 幾何變換設計原理圖

　　圖7中，o為軌跡中心;ρ為由o指向視點的矢量;視點坐標(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整ρ變大、變小;左、右方向鍵用于調整視點在l內以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，就能夠實現(xiàn)視點360°全方位移動和觀察距離的調整。圖8為經(jīng)過視點調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)導入的思想，使軟件擺脫數(shù)據(jù)來源復雜的限制，拓寬了該仿真軟件的使用范圍;設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;采用模塊化設計，結構緊湊合理，可重用性和擴展性較強。