飛行器實時仿真算法研究本科畢業論文-在線瀏覽

　　

【正文】 而且用 matlab 寫出的程序不能做成產品，不如其他語言通用。 編譯性語言中，常用的科學計算仿真庫也有很多， GSL 最為通用，與 blitz++和 MTL 并稱為當前三 大支持科學計算的數值庫。GSL 一個非常全面的數值計算庫，使用 C 語言編寫 ， 提供了很多 API 接口供用戶或者其他語言調用。 GSL 的優點是運行速度快，尤其矩陣和向量是使用第三方庫 CBLAS，所以矩陣運算的速度和 matlab 不相上下 (matlab 矩陣底層也是用 CBLAS 庫實現的 )。 本科畢業設計論文 2 開發內容 此次畢業設計的主要內容如下 1. 完成 GSL 代碼由 C 到 C++轉化。 4. 完成基于 RTX 實時仿真應用。并且向量中的元素在內存中所占的空間的大小是相同的。 1. 用戶 不負責向量類對象內部的任何內存申請和刪除工作。 3. 支持基本的向量數學運算，如 +*/，范數，支持叉乘等等。 5. 支持多線程。 7. 支持 C++輸入和輸出，即需重載 和 操作符。 矩陣 設計一個類，能對數學上的矩陣進行描述和運算。 所提供的方法有 矩陣 元素的存取， 矩陣 和文件之間的讀寫，賦值，復制，元素之間的交換，行列的交換，基本算術運算（加、減，乘、除），矩陣乘法，求逆，求行列式， LU分解， QR分解，求跡，最大值和最小值等等。 2. 支持通過操作符 []和 ()對元素進行隨機存取。 4. 需提供最大值，最小值，平均值，求和等函數。 6. 提供矩陣視圖功能 (可對矩陣的局部作為一個獨立矩陣進行操作 )。 8．支持自定義類型。 2. 可以返回每種算法支持的區間中的隨機值。 4. 可以返回區間 [0,n1]中的整數， n 由用戶提供。 6. 可以保存每種隨機數算法的當前狀態，并且也可以導入已存的狀態。 8. 用戶不負責類對象內部的 任何內存釋放和刪除工作。具體需求： 1． 使用純 C++語法和函數，必須具有可移植性。 3．不同插值方法的插值接口統一。 5．用戶不負責插值類內部的任何內存分配和釋放工作。 7．默認插值表的每一維都是有序表 (遞增或遞減 )。 本科畢業設計論文 5 第 3 章 算法設計與編程實現 工程框架的搭建 工程名字為 NSL(nwpu scientific library) 工程目錄結構圖如下 其中 build 目錄中為工程生成的可執行文件，包括 dll， lib，或者 exe。 include 目錄中為工程中使用到的頭文件，可以和 build 目錄一起交付給用戶使用。 project 目錄中為工程文件。使用此庫的頭文件時，只需同時定義 WIN32， NSL_DLL 即正確鏈接。 最 后 一 行 宏 定 義 是 決 定 此 庫 是 否 支 持 多 線 程 ， 如 果 定 義 了NSL_SUPPORT_MULTITHREAD，程序中很多計算過程將使用局部變量，以便在多線程環境下不會出現多個線程對同一個變量的同時 訪問。 向量 GSL 提供的向量類型使用起來非常麻煩，由于是對 C 語言中的數組進行包裝，所以用戶時刻都要注意內存的變化，花費大量精力減少內存泄露 ,并且每種數據類型都有不同的函數版本，且不支持用戶自定義類型，所以我決定使用 GSL的算法，重寫構架向量類，并且給出 C++的接口，支持多種類型，包括未知的用戶自定義類型，盡量減少用戶對程序本身的維護工作量，使用戶能專注于算法本身。由于要支持多種類型，所以最好的方法是使用模板實現，現成的有C++標準庫中的 vector 模板類和 valarray 模板類， vector 和 valarray 各有特點， 本科畢業設計論文 7 vector 模板類支持泛型運算，內存可動態改變，支持元素的插入和刪除，但是對元素的數學運算支持不好，沒有重載一些基本的運算符，更沒有重載 sin,cos 等數學函數。所以這里我使用 valarray模板類作為我的內置向量類型，對其進行包裝，增加方法，給出 C++接口。 首先，視圖類把向量類 的 resize 函數也繼承了，但是對一個視圖重新分配內存是沒有意義的，也是不允許的?？墒切聠栴}又出現了，由于 private 繼承方式會把所有的函數都繼承為私有函數，包括構造函數，派生類對象無法轉換為基類對象，當然 C++的多態特性也就無法發揮了。可變視圖是對其所指向的向量擁有讀寫權限，而常視圖則只有讀權 限。 //實例化一個可變向量對象，類型為 double，有 10個元素。 //實例化一個常向量對象，類型為 double，有 10 個元素。 //構造一個視圖對象，其指向的對象可變，指向 vec 的所有元素。 //構造一個視圖對象，其指向的對象不可變，指向 vec 的所有元素 。由于視圖類內部是不存儲元素的，只是當做一個窗口，所以視圖類內部肯定會有一個指向向量結構體的指針，那么這個指針該是什么屬性？ const or nonconst ，鬼知道。 所以僅有兩個類是不夠的 ,事實上需要 5 個類來實現需求分析中的功能。從上面的構架圖中可知， GneVector 類為最底層 基類 , 應該具有最通用的方法和數據。 GneVector 接口 根據以上的分析就可以寫出 GneVector 類的接口 //基類 template typename T class GneVector { public: //constructor GneVector()； virtual ~GneVector()； 本科畢業設計論文 9 //三個類都要重寫的方法 virtual const sliceamp。 virtual const valarrayTamp。 //三個類公有的方法 size_t size() const { return getSlice().size() 。} size_t stride() const { return getSlice().stride() 。}。 以上代碼省略了很多函數和其具體實現，注意到所有的成員函數都是 const屬性函數，這是因為這些方法都是對 Vector、 VectorView、和 ConstVectorView類進行泛化得出的共有方法，至于其他的方法應該根據特點歸入某個類，然后具體實現。 template typename T class ConstVectorView : public GneVectorT //常視圖 { private: const valarrayT* pVectorData_。 public: //重寫基類的虛函數 virtual const sliceamp。 virtual const valarrayTamp。 //以下兩個構造函數是為了 //Vector ConstVectorView //VectorView ConstVectorView //ConstVectorView ConstVectorView ConstVectorView(const GneVectorT amp。 ConstVectorView(const GneVectorT amp。 s)。} T operator ()(size_t i) const { return cref(i) 。 // end of class ConstVectorViewT AlmostVector 接口 AlmostVector 類的存在時為了對 Vector 類和 VectorView 類解耦，也可以大幅度提高代碼的復用率。 virtual ~AlmostVector()。 val() = 0。 s) const。 Vector 接口 由于前面的設計比較合理，現在對 Vector 類編碼時非常簡單，很多方法已經通過兩個基類實現過了。接口大致如下： //向量類 template typename T class Vector : public AlmostVectorT { private: //保存向量元素 valarrayT vectorData_。 public: //重寫基類的虛函數 virtual const sliceamp。 virtual const valarrayTamp。 //由 STL valarray 構造 Vector(const valarrayTamp。 Vector(const valarrayTamp。 s)。 //以下兩個構造函數是為了 //Vector Vector //VectorView Vector //ConstVectorView Vector Vector(const GneVectorT amp。 Vector(const GneVectorT amp。 s)。 VectorView 接口 template typename T class VectorView : public AlmostVectorT //可變視圖 { private: valarrayT* pVectorData_。 public: //重寫基類的虛函數 virtual const sliceamp。 virtual const valarrayTamp。 //下面兩個構造函數是為了 //Vector MatrixView //VectorView VectorView VectorView(AlmostVectorT amp。 本科畢業設計論文 12 .................... virtual valarrayTamp。 …… . }。 }。 上面對接口的陳述中沒有提到 Vector 類型的輸入和輸出，這里作已簡要說明。 所以輸出可以放到 GneVector 底層基類中，作為所有派生類的共有函數。決定某個函數放在基類還是派生類需要很周全的考慮，基類和派生類可以比作一個 杠桿，不能一頭很重，一頭很輕，代碼失衡會導致后期的編碼和維護非常困難。 operator ( std::ostream amp。avec)。 operator ( std::istream amp。avec)。 初始化一個向量對象有很多種方法，最直接的方法是給每一個元素賦值，如下： for(size_t i=0。 ++i) { 本科畢業設計論文 13 v[i] = /* whatever */ } 但是這樣很不方便，尤其是當我們想給 v 賦一系列不同的值時，在 for 循環中是比較麻煩的。 Vectordouble v(var, 5)。依我來看，最理想的 方法是把初始化列表放到構造函數中，如下： Vectordouble v({ , , , 1, }, 5)。 // Usually OK 這種方法通常是不會錯的，但是也有可能有些編譯器會報錯，我也不知道這算不算標準 C++語法，因為沒有一本 C++書 (我讀過的 )講到過這種初始化方式。從而可以使用如下方式進行初始化： Vectordouble v(5)。 //或者 v 1 。上面的方式的優點是，初始化列表里的數據不限制為常量。當然 v也可以在其他任何時候重新使用此方法賦值。 最后， GneVector類和 AlomostVector類都含有純虛函數，所以無法實例化，這正是我想要的，給用戶使用的類是 Vector、 VectorView和 ConstVectorView三個類。 矩陣結構體 根據上一節中向量類的分析可知， valarray 是個非常方便好用的標準模板，所以這里也使用它作為我們的向量結構體。 這里我寫了個很簡單的類 mslice，類似于上節中的 slice，但是適用于二維數據。 size_t startCol_。 size_t cols_。 mslice 類保存 4 條信息： 1． startRow_，起始行。 3． rows_，行數。 根據這四條信息就 可以確定當前的 valarray 變量是如何表示一個矩陣的。構架如下： 本科畢業設計論文 15 圖 32 繼承關系圖 接口 還有 5 個類接口和上節中的 Vector 類相似，由于基類設計良好，這些派生類的實現非常簡單，在此不一一列出，詳見原代碼。 滿足理論上的隨機是很難的，但我們也可以接受那些具有長周期，低的序列相關性的算法。 GSL 提供了大量的隨機數生成器，但是由于給出是 C 的接口，使用起來非常麻煩，用戶要負責大量的內存開辟和銷毀工作。每一個隨機數的實例都有自己的狀態量，即可以同時使用多個相同的隨機數算法實例，它們之間是相互獨立的，互不影響的，所以可以在多線程環境下運行。但為了達到這種效果，生成器必須對一些狀態量進行跟蹤，某些情況下，