火控訓練模擬器的設計與開發(fā)

李 劍， 楊小強， 劉宗凱

（1.南京安爾瑞電子科技有限公司， 江蘇 南京 210000； 2.陸軍工程大學， 江蘇 南京 210007）

引言

隨著軍事斗爭的進程演變，火控系統(tǒng)已經(jīng)運用在了軍事領域的各個方面?；鹂叵到y(tǒng)的操作人員必須通過專門的訓練，才能正確操作。采用特別設計的艦炮火力控制系統(tǒng)模擬訓練裝置對艦船作戰(zhàn)人員進行火炮操控訓練，既能降低艦炮實裝操作訓練的安全風險、減少艦炮傳動機構(gòu)的機械損耗和精度降低，又能降低訓練成本、提高培訓效率和操控效果。本文以艦船側(cè)炮的火控系統(tǒng)為研究對象，應用軟件技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、面向?qū)ο蠹夹g(shù)等，設計開發(fā)了某艦炮火力控制系統(tǒng)的操作訓練模擬裝置，解決了該型艦炮操作訓練成本高、危險性強和訓練時機受限等困難。

1 模擬訓練裝置技術(shù)方案設計

艦炮火力控制模擬訓練裝置是在室內(nèi)的環(huán)境，利用半實物仿真技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)來模擬火炮的操作流程。而整個操作環(huán)境的逼真程度取決于操作員的感覺是否真實，這就要求模擬器的操縱部件設計必須符合人機工程學的要求，硬件的數(shù)據(jù)采集與反饋必須實時真實，場景必須與實際操作情況相符合。

1.1 結(jié)構(gòu)組成

火控模擬訓練裝置主要由操控工作臺（含操作手柄、撥碼開關、琴鍵開關、虛擬面板、顯示儀表和指示燈等）、狀態(tài)參數(shù)采集系統(tǒng)、場景信號處理計算機和虛擬現(xiàn)實軟件等組成，模擬訓練裝置的總體布局如圖1所示。其中操控工作臺是系統(tǒng)主要的人機交互機構(gòu)，全部按實裝的機件進行設計配置，以達到與實裝的高度近似和真實感模擬。操作平臺以實物化硬件進行模擬；火控系統(tǒng)中央處理機顯示為虛擬仿真軟件，可以顯示陀螺儀狀態(tài)和火控系統(tǒng)的狀態(tài)；信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由各類傳感器、數(shù)據(jù)采集電路、通信總線組成；視景軟件在模擬器前方液晶顯示屏中實時顯示。

圖1 操控臺總體布局

1.2 工作原理

該模擬訓練裝置的工作原理如下：在訓練器臺架結(jié)構(gòu)中，依據(jù)艦炮位置布局設置模擬器操縱人員的操縱席位，為培訓人員提供與真實環(huán)境完全一致的模擬操控環(huán)境。模擬訓練裝置的立體顯示屏幕上，能夠?qū)崟r動態(tài)地顯示炮彈發(fā)射后的動態(tài)運行軌跡參數(shù)及其他戰(zhàn)場參數(shù)。受訓人員通過操控平臺上的手柄、按鈕等發(fā)送交互信息與模擬器進行實時信息交互。主控計算機接收到相關的信息后，經(jīng)過運算處理，將數(shù)據(jù)信息和指通過CAN通信總線下發(fā)至各個操作節(jié)點。在主控視景計算機中，操縱人員的操縱參數(shù)和訓練結(jié)果參數(shù)被實時接收和處理，視景處理軟件根據(jù)這些信息實時生成訓練效果的二維及三維場景視圖，模擬顯示射擊狀態(tài)，包括目標是否命中、戰(zhàn)場戰(zhàn)術(shù)、信息態(tài)勢等信號，這些信號經(jīng)過通信總線同步發(fā)送給虛擬儀表、指示燈和其他顯示報警裝置，受訓人員可以通過虛擬顯示儀表和三維場景顯示裝置所提供的數(shù)據(jù)和圖像了解操作的過程，從而做出相應的操作判斷。

2 模擬操縱機構(gòu)設計

艦炮火力控制操作臺主要由控制計算機、液晶顯示器、操作手柄、各種開關等組成，整體設計完全依照實裝進行，其逼真程度完全模擬實際裝備，以此直接達到較好的模擬效果。

操控系統(tǒng)通過檢測操縱桿的偏向信號，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)生成。由機械的扭矩產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)變量，再由串口總線傳輸至計算機進行采集，生成方位角或者高低角的偏轉(zhuǎn)速度。以程序中的當前高低角，方位角數(shù)值進行累計，完成方位角、高低角模擬量的仿真。實裝方位轉(zhuǎn)動角度±180°，高低轉(zhuǎn)向機構(gòu)-20°～+60°（含制動角）。限位條件如表1所示。

表1 限位條件（右舷）

3 基于CAN總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計

CAN總線是目前應用最為廣泛的車載數(shù)據(jù)總線，是由德國博士力士樂公司發(fā)明并推廣的，具有傳輸可靠、實時性強、使用方便、魯棒性強、適用范圍廣等突出特點。因此，該火控訓練模擬器采用了基于CAN總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計方案，實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的采集和對視景軟件的通信控制功能。

3.1 信號采集系統(tǒng)的硬件平臺

模擬訓練器硬件系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的基礎平臺，既包括信號的采集器件，如傳感器、變送器和其他的參數(shù)測量設備，又包括信號調(diào)理電路、接口電路和A/D轉(zhuǎn)換電路等數(shù)據(jù)采集相關電路。在電路設計中應該注意兩點：一是傳感器的選型、安裝與精確定位，以及電纜的屏蔽、接口固定和輸入、輸出的隔離與去耦等；二是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計，既采樣頻率、AD轉(zhuǎn)換器的分辨率、信號輸入輸出范圍等。只有充分考慮這些因素，并進行精心設計，才能保證硬件平臺的可靠運行。

該模擬訓練系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由分散式CAN總線系統(tǒng)組成，總線上掛載有CAN收發(fā)器、MCF2515模塊、Intel PXA270微控制器、開關量輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊（含A/D轉(zhuǎn)換功能）等器件。通過這些CAN器件，將手柄位置、開關狀態(tài)、油門位移等模擬/數(shù)字信號經(jīng)調(diào)理轉(zhuǎn)換后輸入到微控制器中，由微控制器進行信號的預處理后，再通過CAN總線發(fā)送到三維場景處理計算機中，由視景處理軟件生成虛擬現(xiàn)實畫面，逼真地演示艦炮的射擊效果，同時由虛擬儀表和顯示器顯示艦炮的射擊諸元，受訓人員和教員均可同步掌握訓練效果。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的分散式拓撲結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 模擬器拓撲結(jié)構(gòu)框圖

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)參數(shù)類型及傳感器選型如表2所示。

表2 傳感器及參數(shù)配置表

3.2 數(shù)據(jù)通信協(xié)議制定

模擬訓練裝置各個CAN節(jié)點之間的信息交互依據(jù)CAN通信協(xié)議進行。要保證該裝置能夠逼真地模擬艦炮的射擊過程、射擊效果、射擊諸元的設定與動態(tài)刷新，各節(jié)點之間的數(shù)據(jù)必須能夠?qū)崟r、可靠、靈活、有序地傳遞。因此，通信協(xié)議的制訂必須考慮采集參數(shù)通道數(shù)目、信號類型（數(shù)字、模擬、單精度、雙精度、整型量、字節(jié)量等）、信號傳輸速率等，CAN報文幀的類型、幀標識符分配、優(yōu)先級定義、報文源地址編碼方式、目標地址編碼方式、報文長度、保留位的確定等也是應該考慮的。為了優(yōu)化傳輸進程，減少數(shù)據(jù)發(fā)送延遲，對字節(jié)域空間的分配進行了優(yōu)化。下頁表3所示是5個CAN信號指令，代表了操縱桿、啟動旋鈕、恢復型按鍵、開關、按鈕5個節(jié)點向模擬訓練裝置主控計算機發(fā)送的指令數(shù)據(jù)。根據(jù)協(xié)議制定規(guī)則，5個操縱部件的源地址統(tǒng)一編碼為B0，再用2位（bit）數(shù)據(jù)分別確定各個節(jié)點。主控制計算機（目標地址）為E4，設定該系列指令的優(yōu)先級為00110。指令傳輸方式為點對點（Point-to-Point），選擇01為幀類型數(shù)值。數(shù)據(jù)長度碼DLC設為4位，指令中的數(shù)據(jù)域（data field）長度取為8字節(jié)，因而DLC編碼數(shù)值為0x08。

表3 操控臺操作器件發(fā)送指令格式

4 軟件系統(tǒng)設計

軟件系統(tǒng)的開發(fā)主要包含兩個方面，一是基于Delphi開發(fā)的底層虛擬儀表仿真軟件的設計與開發(fā)；二是基于VC的顯示器模擬系統(tǒng)的開發(fā)。虛擬儀表軟件開發(fā)的重點在于與顯示器模擬軟件數(shù)據(jù)交互的實時性,因為在新型裝備中按鈕的鍵入時間有嚴格的區(qū)分。顯示器模擬軟件系統(tǒng)是該火控訓練模擬器設計的關鍵，是營造受訓人員沉浸感的主要因素。

4.1 基于C#的虛擬儀表盤設計

艦炮模擬訓練器火控系統(tǒng)虛擬儀表盤設置有狀態(tài)指示燈、各種開關、操縱手柄、油門控制桿等器件，信號類型有數(shù)字信號、模擬信號、脈沖信號和電平信號等多種類型信號的輸入輸出。訓練平臺采用與原車同型號的實裝儀表盤，通過串口的數(shù)據(jù)傳輸，將實時硬件的模擬值傳遞給導演臺和顯示器仿真軟件。

虛擬儀表的工作原理為，利用串口讀取函數(shù)讀取操控臺各種操作元件所發(fā)送的串行數(shù)據(jù)，對指令字符串進行命令解析與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，獲取油門踏板行程、火炮操作方向盤轉(zhuǎn)角、火炮俯仰角、艦體側(cè)傾角等相關信息，再將這些信息經(jīng)處理后驅(qū)動虛擬儀表盤上的相應部件進行顯示，如圖3所示。

4.2 顯示器仿真軟件系統(tǒng)設計

該火力控制系統(tǒng)模擬訓練裝置的三維視景軟件采用C++語言結(jié)合OpenGL圖形處理引擎開發(fā)。根據(jù)使用需求和任務類型，對火控系統(tǒng)的VxWorks嵌入式系統(tǒng)進行仿真。通過獲取儀表盤的模擬操縱數(shù)據(jù)，進行三維模型的調(diào)度、算法分析、渲染處理和場景生成等操作，實現(xiàn)模擬訓練與仿真功能。整個軟件系統(tǒng)基于先進的火控模型設計開發(fā)，陀螺儀轉(zhuǎn)動變化技術(shù)性能仿真度較高。虛擬顯示器程序框圖如圖4所示。

圖3 虛擬儀表盤數(shù)據(jù)采集面板

圖4 虛擬儀表盤數(shù)據(jù)采集面板

根據(jù)新型火控系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，我們模擬仿真了其戰(zhàn)術(shù)運用，增加了目標提前量的運算，針對空中與海上目標進行了不同運算機制，模擬了火控系統(tǒng)在艦船遭遇風浪時，所進行的穩(wěn)定操作。同時，模擬器具備聯(lián)網(wǎng)功能，能夠連接導演控制臺，獲取當前海面的情況，并能根據(jù)導演臺設置的目標進行命中的判斷，最大程度的復現(xiàn)訓練全景。

5 結(jié)論

本文研究采用半實物仿真技術(shù)、圖像處理技術(shù)和三維虛擬成像技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建火控系統(tǒng)仿真模擬訓練設備，能夠為受訓人員提供一個逼真度高、沉浸感強的仿真訓練環(huán)境。研究過程中，充分考慮了模擬訓練裝置的實用性、可靠性、逼真性和經(jīng)濟性，兼顧了仿真訓練裝置與實裝操作的差異性的平衡，使得開發(fā)出的模擬訓練裝置具有較好的實用性和推廣性，又具有了較高的先進性，可為同類模擬器的開發(fā)提供參考。

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