某型航空偵察模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的研制

王淑娟,趙育良,張玉葉,張國棟

（海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū),山東青島 266041）

某型航空偵察模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的研制

王淑娟,趙育良,張玉葉,張國棟

（海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū),山東青島 266041）

半實(shí)物仿真新型偵察裝備模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的構(gòu)成、設(shè)計(jì)思路及實(shí)現(xiàn)過程，采用軟硬結(jié)合的仿真技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了偵察任務(wù)系統(tǒng)信號輸出、偵察設(shè)備的拆裝、轉(zhuǎn)運(yùn)、通電檢查等仿真功能，保證了院校新型偵察裝備的教學(xué)，提高了教學(xué)訓(xùn)練的效果，促進(jìn)了航空偵察戰(zhàn)斗力的快速形成。

航空偵察；模擬訓(xùn)練；仿真系統(tǒng)

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.05.77

0 引言

隨著高新技術(shù)不斷的應(yīng)用于航空偵察裝備的研究和發(fā)展，航空裝備呈現(xiàn)出跨越發(fā)展的態(tài)勢，新型航空偵察裝備不再是一個(gè)獨(dú)立的個(gè)體，而是成為綜合航電的一個(gè)分系統(tǒng)，與飛機(jī)DE交聯(lián)更為緊密。由于新型偵察裝備造價(jià)高，無法同步裝備到院校教學(xué)，導(dǎo)致院校教學(xué)裝備配套滯后。院校裝備課、維護(hù)課教學(xué)內(nèi)容與實(shí)際裝備脫節(jié)嚴(yán)重，嚴(yán)重限制了新型偵察裝備教學(xué)，制約著航空偵察裝備訓(xùn)練的發(fā)展，延緩了部隊(duì)偵察裝備形成戰(zhàn)斗力的進(jìn)程。研發(fā)航空偵察裝備模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，能夠有效解決航空偵察裝備教學(xué)中裝備配套落后、教學(xué)手段單一的問題，快速提高新型偵察裝備的維護(hù)和使用水平。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

全軟件仿真模擬操作訓(xùn)練系統(tǒng)，采用人機(jī)交互的方式進(jìn)行操作，受訓(xùn)者缺乏與設(shè)備的直接接觸，達(dá)不到實(shí)裝操作的真實(shí)效果。為更好的突出模擬訓(xùn)練過程中操作者的沉浸感，增強(qiáng)操作者在模擬訓(xùn)練過程中的真實(shí)感，本系統(tǒng)采取半實(shí)物仿真的方式，以全仿真多功能顯示器周邊的按鍵實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的信號輸入，并將系統(tǒng)的反饋信號通過多功能顯示器顯示，給受訓(xùn)者如同在飛機(jī)上訓(xùn)練的真實(shí)操作，增強(qiáng)受訓(xùn)者的真實(shí)感。模擬訓(xùn)練系統(tǒng)內(nèi)主控計(jì)算機(jī)通過串口采集多功能顯示器周邊按鍵的信號，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，主控計(jì)算機(jī)在接收到串口數(shù)據(jù)后，執(zhí)行仿真訓(xùn)練軟件程序，生成實(shí)時(shí)的仿真動作并將對應(yīng)的預(yù)置顯示信息通過多功能顯示器顯示。

選用Visual Studio C#作為模擬訓(xùn)練開發(fā)平臺，采用3DMax軟件構(gòu)建航空偵察裝備、機(jī)上環(huán)境及操作場景模型，利用Flash軟件完成多功能顯示器仿真畫面的開發(fā)，選用EON實(shí)現(xiàn)偵察設(shè)備的動作、場景仿真。

整個(gè)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)主要分為3個(gè)部分：多功能顯示器、主控軟件系統(tǒng)和視景音響輸出模塊，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

2 主要技術(shù)實(shí)現(xiàn)

2.1 多功能顯示器周邊鍵響應(yīng)

多功能顯示器按鍵利用RS-485半雙工串行總線輸出，主控計(jì)算機(jī)通過 RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換接口與之連接進(jìn)行信息交互，串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換如圖2所示。

圖2 串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換示意

系統(tǒng)開發(fā)軟件C#提供了SeriaiPort類，使用該類可以完成串口數(shù)據(jù)通訊。串口通訊的主要參數(shù)通過串口對象實(shí)例的屬性進(jìn)行設(shè)置，實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的輸入輸出；計(jì)算機(jī)利用自定義時(shí)鐘，不斷向多功能顯示器發(fā)送指令數(shù)據(jù)包，通過自 comm_DataReceived事件響應(yīng)多功能顯示器應(yīng)答數(shù)據(jù)包，解析后根據(jù)判定鍵值進(jìn)行響應(yīng)。

2.2 三維仿真模型的建立

在模擬訓(xùn)練系統(tǒng)構(gòu)建時(shí)，如能為受訓(xùn)者提供全場景視覺、聽覺、觸覺的仿真效果，使受訓(xùn)者沉浸在極為逼真的訓(xùn)練環(huán)境中，才能讓受訓(xùn)者身臨其境，增強(qiáng)真實(shí)感的體驗(yàn)，以提高訓(xùn)練效果。因此，在構(gòu)建模擬訓(xùn)練系統(tǒng)時(shí)，完整的構(gòu)建了虛擬機(jī)場環(huán)境、照相工作房模型，構(gòu)建了完整的機(jī)艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型，操作的開關(guān)、按鈕等與實(shí)際情況一致，最大程度地保證系統(tǒng)場景和操作的逼真性。三維可視化的系統(tǒng)模型做到照片級的質(zhì)量，操作的開關(guān)、按鈕等完全跟實(shí)際的形狀、動作狀態(tài)、聲音一致，保證整個(gè)系統(tǒng)的場景和操作的逼真性。建模時(shí)，不僅從外觀、結(jié)構(gòu)及尺寸比例與仿真對象一致，而且為便于在EON中添加模型動作，從3個(gè)方面對模型進(jìn)行優(yōu)化。

（1）面的數(shù)量。EON的一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)是對模型的點(diǎn)、線、面有較強(qiáng)的優(yōu)化能力，但在虛擬仿真系統(tǒng)制作過程中為避免過度占用資源，盡量減少模型面數(shù)。

（2）貼圖的使用。貼圖集中放在一張2 m×2 m的圖上，以節(jié)約EON調(diào)入貼圖的時(shí)間。

（3）對仿真模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆纸M及命名，以便在仿真腳本編寫時(shí)方便調(diào)用。

2.3 仿真平臺軟件設(shè)計(jì)

虛擬仿真平臺利用C#結(jié)合Eon Studio、Flash進(jìn)行開發(fā)，軟件設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

圖3 虛擬維修平臺軟件設(shè)計(jì)框圖

Eon Studio 5.2是目前全世界公認(rèn)的整合性、延展性最好的虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)展示系統(tǒng)。它支持OpenGL或Direct3D硬件加速，用戶可以自定義渲染品質(zhì)、燈光模式、陰影模式和填充模式等，可以方便高效的開發(fā)仿真程序。但是單獨(dú)的Eon Studio 5.2生成的仿真程序，交互性和可控性差，也不能進(jìn)行實(shí)時(shí)的動態(tài)仿真。

通過在C#程序中使用Eon Studio5.2附帶的EonX控件調(diào)用、驅(qū)動Eon仿真程序，進(jìn)行仿真程序的二次開發(fā)，加深人機(jī)交互的深度，拓寬了人機(jī)交互的范圍，增強(qiáng)仿真程序的可控性，實(shí)現(xiàn)了較復(fù)雜的虛擬仿真，并且可以按照訓(xùn)練大綱將訓(xùn)練任務(wù)分塊，解決了單純的Eon Studio5.2仿真程序在加載大場景時(shí)耗時(shí)、響應(yīng)速度慢、實(shí)時(shí)性差的缺點(diǎn)。

Flash則可非常好的實(shí)現(xiàn)多媒體功能及平面仿真功能，在C#程序中使用Shockwave控件調(diào)用Flash多媒體及平面仿真程序，在提高程序?qū)Ш郊耙曈X效果的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)與Eon仿真程序的實(shí)時(shí)通訊，進(jìn)一步加強(qiáng)仿真程序的真實(shí)度和實(shí)時(shí)性。

2.4 虛擬訓(xùn)練拆裝序列邏輯實(shí)現(xiàn)

在偵察設(shè)備拆裝模擬訓(xùn)練中，按照零件的排列組合，可能的拆卸序列有幾個(gè)、幾十個(gè)乃至上百個(gè)。按照操作維護(hù)規(guī)程，在實(shí)際操作時(shí)，許多操作條目是可以并行進(jìn)行的，通常也是由多個(gè)技術(shù)保障人員進(jìn)行多工位并行操作，因此必須采用能夠體現(xiàn)規(guī)程并行操作特征的方法來描述虛擬訓(xùn)練的拆裝序列。

本模擬訓(xùn)練系統(tǒng)采用有向圖來描述偵察設(shè)備的拆卸裝配序列。為了實(shí)現(xiàn)有向圖的結(jié)構(gòu)，在編程時(shí)，除了描述規(guī)程的樹型結(jié)構(gòu)外，在樹型結(jié)構(gòu)中的每個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)都要有1個(gè)唯一的節(jié)點(diǎn)ID、1個(gè)依賴節(jié)點(diǎn)序列、1個(gè)后續(xù)節(jié)點(diǎn)序列以及節(jié)點(diǎn)名稱、狀態(tài)、位置、大小、視角的標(biāo)識等。其中依賴節(jié)點(diǎn)是指在進(jìn)行該節(jié)點(diǎn)操作時(shí)，必須先行完成的節(jié)點(diǎn)操作。后續(xù)節(jié)點(diǎn)指的是必須在該節(jié)點(diǎn)操作完成后才能進(jìn)行操作的節(jié)點(diǎn)。那么在程序中就可以根據(jù)節(jié)點(diǎn)的ID及其依賴節(jié)點(diǎn)序列和后續(xù)節(jié)點(diǎn)序列組織成如圖4所示的有向圖結(jié)構(gòu)。

圖4 虛擬拆裝序列有向圖結(jié)構(gòu)

3 結(jié)語

模擬訓(xùn)練系統(tǒng)通過三維視景仿真、虛實(shí)結(jié)合的方法為受訓(xùn)者構(gòu)建了逼真完善的訓(xùn)練環(huán)境，可以完成幾乎所有在實(shí)際裝備上能夠進(jìn)行的操作，包括艙內(nèi)設(shè)備操作、多功能顯示器操作、設(shè)備拆裝、設(shè)備轉(zhuǎn)運(yùn)等。模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的建設(shè)，可以滿足院校該型偵察裝備的教學(xué)需求，為新形勢下的任職教育教學(xué)提供了先進(jìn)的輔助手段。

［1］趙育良，許兆林，趙宏強(qiáng).某型航空偵察平臺模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的研制［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2011，19（19）:47-51.

［2］趙育良，周勝明，王淑娟.新型偵察設(shè)備多功能顯控系統(tǒng)仿真研究［J］.兵工自動化，2015,34（12）:13-15.

［3］陳青華，謝曉方，高波.多功能顯示模擬器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.火力與指揮控制，2007，32（8）:110-112.

［4］李偉，強(qiáng)寶民.某型導(dǎo)彈地面設(shè)備模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的構(gòu)建與研究［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2006，23（9）：282-284.

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〔編輯 李 波〕