基于虛擬現(xiàn)實(shí)的模擬潛望鏡半實(shí)物仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)?

何曦光 黃 斌 陳 佳

（海軍工程大學(xué)艦船動(dòng)力工程軍隊(duì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430033）

基于虛擬現(xiàn)實(shí)的模擬潛望鏡半實(shí)物仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)?

何曦光 黃 斌 陳 佳

（海軍工程大學(xué)艦船動(dòng)力工程軍隊(duì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430033）

針對(duì)實(shí)際裝備訓(xùn)練經(jīng)費(fèi)高、風(fēng)險(xiǎn)大等問題，論文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于某型潛艇訓(xùn)練模擬器的模擬潛望鏡半實(shí)物仿真裝置。該裝置能夠在接收模擬器平臺(tái)實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬潛望鏡看到的各類視景；同時(shí)，該裝置能夠通過采集受訓(xùn)人員在設(shè)備上完成的各種操作，驅(qū)動(dòng)潛望鏡裝置產(chǎn)生回轉(zhuǎn)等動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，使受訓(xùn)人員能夠通過操作和觀察潛望鏡，產(chǎn)生強(qiáng)烈的觸覺和視覺沉浸感，達(dá)到模擬真實(shí)裝備訓(xùn)練的目標(biāo)。

虛擬現(xiàn)實(shí)；半實(shí)物仿真；模擬潛望鏡；vega

1 引言

潛艇是一種既可以在水面，又能夠在水下一定深度長(zhǎng)時(shí)間航行、作戰(zhàn)的艦艇，其作戰(zhàn)技術(shù)性能的發(fā)揮很大程度上決定于指揮員的指揮和部署；而潛艇指揮員要依靠潛望鏡對(duì)潛艇當(dāng)前所在海域進(jìn)行觀察，并制訂各類訓(xùn)練、作戰(zhàn)計(jì)劃。虛擬現(xiàn)實(shí)（Vir?tual Reality），簡(jiǎn)稱VR技術(shù)，是利用電腦模擬產(chǎn)生一個(gè)三維虛擬空間，提供使用者視覺、聽覺、觸覺等感官模擬，使用者可直接探索仿真對(duì)象在所處環(huán)境中的作用與變化［1］；而半實(shí)物仿真技術(shù)就是將控制器和在仿真機(jī)上控制對(duì)象的仿真模型組合在一起進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)［2］。

針對(duì)潛艇出海訓(xùn)練經(jīng)費(fèi)高昂、風(fēng)險(xiǎn)較高等問題，本文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于某型潛艇訓(xùn)練模擬器中的模擬潛望鏡半實(shí)物仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠接收模擬器平臺(tái)當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、位置參數(shù)、海戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)等數(shù)據(jù)，并通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬潛望鏡各類視景；同時(shí)，系統(tǒng)接口可以實(shí)時(shí)采集受訓(xùn)人員的各種操作，驅(qū)動(dòng)潛望鏡裝置產(chǎn)生回轉(zhuǎn)等動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。訓(xùn)練過程中，受訓(xùn)人員能夠通過操作潛望鏡裝置，觀測(cè)當(dāng)前海域情況。裝置能夠讓受訓(xùn)者從觸覺和視覺上產(chǎn)生強(qiáng)烈的沉浸感，達(dá)到模擬真實(shí)訓(xùn)練的目的。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，基于虛擬現(xiàn)實(shí)的半實(shí)物仿真技術(shù)在軍工領(lǐng)域應(yīng)用十分成熟，武器系統(tǒng)的仿真已發(fā)展到從武器系統(tǒng)研制的局部階段仿真到全生命周期仿真［3］。

國(guó)外方面，半實(shí)物仿真技術(shù)最早應(yīng)用于軍工產(chǎn)品研制，可在無需實(shí)彈的試驗(yàn)條件下對(duì)武器系統(tǒng)進(jìn)行全方位的性能測(cè)試［4］。美國(guó)軍方在研發(fā)“聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)（JSF）”過程中，利用半實(shí)物仿真技術(shù)對(duì)模擬樣機(jī)進(jìn)行了反復(fù)設(shè)計(jì)和建造，可以實(shí)時(shí)生成風(fēng)洞、虛擬現(xiàn)實(shí)及飛行仿真模型等，幫助研究人員全面快速對(duì)樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試，及時(shí)排除設(shè)計(jì)缺陷。如今美國(guó)已擁有全系列的飛行運(yùn)動(dòng)仿真器和高性能、高精度的仿真計(jì)算機(jī)；俄MMS股份公司利用半實(shí)物仿真設(shè)備進(jìn)行了雷達(dá)導(dǎo)引頭硬件臺(tái)架試驗(yàn)，大幅度簡(jiǎn)化了研發(fā)程序架構(gòu)，降低了試驗(yàn)方案經(jīng)費(fèi)預(yù)算，加快了項(xiàng)目的研發(fā)進(jìn)度［5］。

國(guó)內(nèi)方面，1958年我國(guó)自主研發(fā)了第一臺(tái)三軸轉(zhuǎn)臺(tái)，并且將半實(shí)物仿真技術(shù)應(yīng)用于導(dǎo)彈和飛機(jī)控制系統(tǒng)。20世紀(jì)80年代，我國(guó)建成了一批半實(shí)物仿真系統(tǒng)，而且這些系統(tǒng)均已達(dá)到了較高的水平［5］。90年代，我國(guó)開始研究和發(fā)展較大規(guī)模的、復(fù)雜的半實(shí)物仿真技術(shù)以及分布交互仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)仿真等更加先進(jìn)的仿真技術(shù)?，F(xiàn)已建成目前世界上規(guī)模最大、技術(shù)最先進(jìn)的仿真工程群體，為我國(guó)飛機(jī)、運(yùn)載火箭、艦船、大型水利工程、高科技仿真模型等的研制提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持，在服務(wù)國(guó)家重點(diǎn)工程、支持國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)方面發(fā)揮了重要的作用［6］。海軍工程大學(xué)肖劍波、高偉等建立了某型潛艇操縱模擬器的潛望鏡視景仿真環(huán)境，生成了近似實(shí)戰(zhàn)的虛擬海洋環(huán)境，并實(shí)現(xiàn)了視景環(huán)境中的驅(qū)動(dòng)模型［7］；該校楊國(guó)志等在肖劍波等的研究基礎(chǔ)上進(jìn)行了深化，對(duì)模擬潛望鏡系統(tǒng)整體進(jìn)行了構(gòu)建，為后續(xù)研究搭建了思維框架［8］。湖南大學(xué)張躍文等實(shí)現(xiàn)了一種火炮發(fā)射半實(shí)物制導(dǎo)設(shè)備，系統(tǒng)內(nèi)部通過無線通信技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和交互，實(shí)時(shí)輸入火炮當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)位置控制［9］。西安電子科技大學(xué)的唐建強(qiáng)等實(shí)現(xiàn)了一種水下無人航行載具，系統(tǒng)內(nèi)部經(jīng)局域網(wǎng)進(jìn)行信息交互，最終實(shí)現(xiàn)了樣機(jī)試驗(yàn)［10］。王楚清通過在半實(shí)物裝置中設(shè)置液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)了方位圈的伺服控制［11］。

本文在前人的研究成果基礎(chǔ)上，對(duì)模擬潛望鏡系統(tǒng)的軟件進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)，并細(xì)化了軟硬件模塊的搭載關(guān)系，完成了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)。

3 系統(tǒng)組成及工作原理

3.1 系統(tǒng)組成

模擬潛望鏡系統(tǒng)包括硬件和軟件，其中硬件部分由視景控制臺(tái)、本體控制臺(tái)以及模擬潛望鏡本體三部分組成。視景控制臺(tái)安裝視景仿真計(jì)算機(jī)以及配套顯示器，用于創(chuàng)建海區(qū)環(huán)境，并生成潛望鏡當(dāng)前觀測(cè)視景；本體控制臺(tái)包括控制計(jì)算機(jī)、配套顯示器、驅(qū)動(dòng)電路以及供受訓(xùn)人員進(jìn)行操作的面板，可以用于采集潛艇模擬器運(yùn)動(dòng)平臺(tái)當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，并實(shí)時(shí)采集受訓(xùn)人員的操作信息，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)［12］；模擬潛望鏡本體由顯示器和半實(shí)物仿真設(shè)備組成，其中半實(shí)物仿真設(shè)備包括動(dòng)力單元和反饋單元，動(dòng)力單元可驅(qū)動(dòng)潛望鏡本體產(chǎn)生各類姿態(tài)，反饋單元可將潛望鏡當(dāng)前姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行反饋修正［13］。具體組成如圖1所示。

軟件部分由虛擬海區(qū)模塊、視景控制模塊、姿態(tài)控制模塊、通信模塊構(gòu)成。

虛擬海區(qū)模塊：通過multigen creator軟件將虛擬海區(qū)場(chǎng)景進(jìn)行三維建模，模型采用矩形邊界實(shí)現(xiàn)碰撞檢測(cè)，建模文件采用OpenFlight數(shù)據(jù)圖像格式，具備集合層次結(jié)構(gòu)及屬性和實(shí)時(shí)交互功能。

視景控制模塊：通過vega軟件的lynx界面將虛擬海區(qū)場(chǎng)景建模數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)用程序定義，生成adf文件，并通過VC++MFC生成應(yīng)用程序。通過應(yīng)用程序進(jìn)行三維建模圖像OpenFlight文件以及adf文件調(diào)用，完成三維模型的渲染和驅(qū)動(dòng)，并通過視頻及音頻電纜發(fā)送至顯示器及音響裝置輸出。視景具體的生成過程如圖2所示。

姿態(tài)控制模塊：通過本體控制計(jì)算機(jī)編寫姿態(tài)控制軟件，通過采集控制面板操作信號(hào)并完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，驅(qū)動(dòng)半實(shí)物仿真設(shè)備動(dòng)力單元工作，帶動(dòng)模擬潛望鏡本體方位圈轉(zhuǎn)動(dòng)，并實(shí)時(shí)通過反饋單元采集當(dāng)前數(shù)據(jù)并進(jìn)行反饋及修正。

虛擬海區(qū)模塊和視景控制模塊安裝在視景仿真計(jì)算機(jī)，姿態(tài)控制模塊設(shè)置在本體控制計(jì)算機(jī)中，通信模塊在本體控制計(jì)算機(jī)及視景仿真計(jì)算機(jī)中均有安裝。軟件各模塊及與硬件搭載關(guān)系見圖3所示。

3.2 工作原理

系統(tǒng)工作過程如下：受訓(xùn)人員在控制面板中進(jìn)行模擬訓(xùn)練操作，控制信號(hào)通過本體控制計(jì)算機(jī)潛望鏡姿態(tài)控制模塊進(jìn)行姿態(tài)解碼，并經(jīng)過數(shù)據(jù)接口將驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)送至模擬潛望鏡本體半實(shí)物仿真設(shè)備，產(chǎn)生相應(yīng)物理姿態(tài)輸出；同時(shí)，反饋單元將當(dāng)前運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)反饋至姿態(tài)控制模塊，完成閉環(huán)控制。

另一方面，本體控制計(jì)算機(jī)通過通信模塊接收潛艇操縱模擬器運(yùn)動(dòng)平臺(tái)當(dāng)前姿態(tài)，同受訓(xùn)人員操作信號(hào)一同發(fā)送至視景仿真計(jì)算機(jī)，通過視景控制模塊產(chǎn)生相應(yīng)的場(chǎng)景變化，同時(shí)經(jīng)虛擬海區(qū)模塊生成相應(yīng)的虛擬海洋環(huán)境、地理信息、目標(biāo)信息等場(chǎng)景案例，對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行渲染，并最終傳送到模擬潛望鏡本體的顯示器終端。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)操作界面通過Visual C++MFC開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，三維視景建模采用MutiGen Creator 2.3，三維視景驅(qū)動(dòng)則采用Vega Prime2.0。通過Cre?ator軟件編寫的虛擬海區(qū)模塊生成水面艦艇、飛機(jī)、貨輪等海域環(huán)境以及白天、夜晚等模擬場(chǎng)景，經(jīng)由Vega軟件編寫的視景控制模塊實(shí)現(xiàn)不同級(jí)別的海況、聲效等虛擬特效，對(duì)海區(qū)場(chǎng)景進(jìn)行渲染和驅(qū)動(dòng)，生成程序定義文件（*.adf）。用戶的操作信號(hào)將與潛艇操縱模擬器平臺(tái)當(dāng)前運(yùn)動(dòng)姿態(tài)參數(shù)經(jīng)通信模塊構(gòu)成用戶輸入，最后經(jīng)VC++中的API以及面向?qū)ο蠊ぞ進(jìn)FC調(diào)入程序定義文件（*.adf）及海區(qū)模擬場(chǎng)景，并編制代碼對(duì)用戶輸入操作進(jìn)行響應(yīng)，產(chǎn)生相應(yīng)視景及音響輸出，形成完整應(yīng)用程序軟件。整個(gè)程序運(yùn)行流程如圖4所示。

在VC環(huán)境中應(yīng)用面向?qū)ο缶幊坦ぞ進(jìn)FC編程，充分利用其菜單、對(duì)話框等資源，可以改變Ve?ga應(yīng)用程序的外觀，使之更加符合Windows操作系統(tǒng)用戶的習(xí)慣。

其中，開發(fā)基于MFC的vega視景控制模塊具體運(yùn)行需經(jīng)過以下三個(gè)步驟：第一步，初始化，即創(chuàng)建公用共享內(nèi)存區(qū)和信號(hào)區(qū)；第二步，程序進(jìn)行定義，即創(chuàng)建一系列事件和類（*.adf文件）；第三步，系統(tǒng)配置，即將adf文件中的定義與函數(shù)調(diào)用結(jié)合。最后使用vgConfigSys函數(shù)完成vgSyncFrame和vgFrame函數(shù)的主循環(huán)調(diào)用。在應(yīng)用程序中，筆者使用RunvegaApp函數(shù)來創(chuàng)建線程，在函數(shù)中實(shí)現(xiàn)vega程序的初始化、程序定義和系統(tǒng)配置。具體運(yùn)行過程如圖5所示。

5 系統(tǒng)試驗(yàn)及仿真

該仿真初步建立了基于某型潛艇操縱訓(xùn)練器的潛望鏡半實(shí)物仿真系統(tǒng)，生成了近似實(shí)戰(zhàn)的虛擬海洋環(huán)境，并實(shí)現(xiàn)了視景環(huán)境的驅(qū)動(dòng)控制，生成了逼真的航行軌跡和環(huán)境效果，為受訓(xùn)者提供了交互式的仿真環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了受訓(xùn)者與仿真環(huán)境的自然交互，具有很高的逼真度，達(dá)到了預(yù)期的效果。圖6、7分別為生成的潛望鏡虛擬視景以及電子海圖。

6 結(jié)語

本文搭建了一種應(yīng)用于某型潛艇操縱模擬器的模擬潛望鏡半實(shí)物仿真系統(tǒng)框架，并在Visual C++MFC編程工具中設(shè)計(jì)了基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的視景仿真軟件。在裝備訓(xùn)練中，潛望鏡裝置能夠接收模擬器平臺(tái)當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、位置參數(shù)、海戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)等數(shù)據(jù)，并模擬各類視景；同時(shí)，設(shè)備可以實(shí)時(shí)響應(yīng)受訓(xùn)人員的各種操作，并通過數(shù)據(jù)采集接口轉(zhuǎn)換為控制指令，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。日后，隨著計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、數(shù)學(xué)仿真建模技術(shù)的發(fā)展，將會(huì)有更為優(yōu)良的解決方案應(yīng)用于模擬潛望鏡的研制中，從而進(jìn)一步逼真模擬實(shí)際裝備訓(xùn)練科目及視景場(chǎng)景，為潛艇部隊(duì)的戰(zhàn)斗力快速生成助力。

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Design of Semi-physical Periscope Simulation System Based on Virtual Reality

HE Xiguang HUANG Bin CHEN Jia
（Key Laboratory of Military Marine Engineering of Naval University of Engineering，Wuhan 430033）

According to the present situation，now in actual navy training should be in the sea with expensive training fund，long period and high venture.In this article，a kind of periscope simulation apparatus is designed，which can receive the real move?ment characters of the submarine simulation plat and simulate all kinds of sights by VR technology.At the same time，the trainees can manipulate the apparatus and all manipulations can be converted into controlling signals which will drive the periscope output different kinds of actions.So，the trainees can complete manipulation training and will see the scopes under different situations of the sub through this apparatus，which will realize the simulation of real training course.

virtual reality，semi-physical simulation，periscope simulation system，vega

U666.1

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.11.018

Class Number U666.1

2017年5月10日，

2017年6月21日

軍隊(duì)科研計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：裝計(jì)2016第246號(hào)）資助。

何曦光，男，碩士，講師，研究方向：艦艇機(jī)電控制技術(shù)。黃斌，男，博士，講師，研究方向：船舶操縱技術(shù)。陳佳，男，博士，講師，研究方向：艦艇機(jī)電控制技術(shù)。