趙清華,林學(xué)華,孫少斌
(蚌埠坦克學(xué)院,安徽 蚌埠 233050)
現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)信息化程度高,對(duì)抗強(qiáng)度大,戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境錯(cuò)綜復(fù)雜,對(duì)坦克乘員特別是坦克射手的專業(yè)技能以及生理、心理素質(zhì)提出了更高的要求?,F(xiàn)階段坦克乘員的專業(yè)技能訓(xùn)練多采用實(shí)際裝備與模擬器訓(xùn)練相結(jié)合的方法,但是由于訓(xùn)練成本與訓(xùn)練環(huán)境的問(wèn)題,往往達(dá)不到實(shí)戰(zhàn)的標(biāo)準(zhǔn)和要求,其訓(xùn)練效果也大打折扣。嵌入式仿真技術(shù)將實(shí)際裝備與仿真計(jì)算機(jī)有效結(jié)合,既滿足了射手實(shí)戰(zhàn)化的人機(jī)環(huán)境需求,又充分利用了仿真計(jì)算機(jī)對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境和戰(zhàn)術(shù)背景的逼真模擬,增強(qiáng)了訓(xùn)練的沉浸感,降低了訓(xùn)練成本。同時(shí)其訓(xùn)練過(guò)程可控可測(cè),可隨時(shí)更換訓(xùn)練科目和戰(zhàn)術(shù)背景、監(jiān)測(cè)跟進(jìn)訓(xùn)練進(jìn)度、反饋訓(xùn)練狀態(tài),評(píng)估訓(xùn)練效果,可對(duì)坦克射手開(kāi)展有針對(duì)性的專項(xiàng)訓(xùn)練,縮短訓(xùn)練周期,提高訓(xùn)練效率。
美國(guó)等西方國(guó)家很早就開(kāi)始了嵌入式仿真在武器裝備上的應(yīng)用研究,并廣泛開(kāi)展了嵌入式訓(xùn)練實(shí)踐,取得了良好的訓(xùn)練效益。我軍近年來(lái)也逐步在某些武器裝備上進(jìn)行相應(yīng)的嵌入式改造,取得了一定成效。本文將從坦克的射擊系統(tǒng)入手,在不改變現(xiàn)有武器系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、不影響裝備作戰(zhàn)性能的前提下進(jìn)行嵌入式改造,使之具有嵌入式射擊訓(xùn)練的功能,為下一步坦克射手的專業(yè)技能訓(xùn)練提供新的途徑。
坦克嵌入式射擊訓(xùn)練仿真系統(tǒng)主要由嵌入式計(jì)算機(jī)、信號(hào)采集處理系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、嵌入式計(jì)算機(jī)主控系統(tǒng)、音響以及外設(shè)裝置等幾個(gè)部分構(gòu)成。相互之間通過(guò)實(shí)時(shí)通信技術(shù),串口通信技術(shù)和A/D、D/A技術(shù)相互連接實(shí)現(xiàn)信息交互,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
在設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮設(shè)備的擴(kuò)展性和可置換性,便于拆卸、安裝和維護(hù),其外形和體積要與實(shí)裝相匹配,不能改變現(xiàn)有武器系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu),更不能影響裝備的作戰(zhàn)性能。坦克射擊系統(tǒng)實(shí)際部件通過(guò)能熱插拔的數(shù)據(jù)接口、傳感器與嵌入式仿真系統(tǒng)相連接,其操作信號(hào)反饋至嵌入式系統(tǒng)中與仿真數(shù)據(jù)相融合生成完整的模擬訓(xùn)練環(huán)境,受訓(xùn)人員可以根據(jù)觀察到的目標(biāo)狀態(tài)和火炮的射擊效果按照射擊法則進(jìn)行射擊訓(xùn)練,并通過(guò)射擊效果評(píng)估,進(jìn)行智能化成績(jī)?cè)u(píng)定,從而實(shí)現(xiàn)實(shí)裝環(huán)境下的訓(xùn)練和演習(xí)功能。它有效解決了訓(xùn)練環(huán)境不逼真、后勤保障困難等問(wèn)題,提高了訓(xùn)練效率,保證了訓(xùn)練質(zhì)量。
1)嵌入式主控計(jì)算機(jī)。嵌入式主控計(jì)算機(jī)是嵌入式射擊訓(xùn)練仿真系統(tǒng)的核心部件,包含炮長(zhǎng)嵌入式仿真計(jì)算機(jī)、車長(zhǎng)嵌入式仿真計(jì)算機(jī)。它通過(guò)信號(hào)采集系統(tǒng)與坦克射擊系統(tǒng)實(shí)際部件相連接,其主要功能是按預(yù)設(shè)的訓(xùn)練內(nèi)容與戰(zhàn)術(shù)背景生成虛擬戰(zhàn)場(chǎng)和目標(biāo),從采集系統(tǒng)中獲取各種操作數(shù)據(jù)作為仿真系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)信息與之發(fā)生交互,并實(shí)時(shí)將虛擬目標(biāo)和射擊情況等信息輸出到顯示設(shè)備上。在這個(gè)過(guò)程中,不僅要完成操作數(shù)據(jù)的融合轉(zhuǎn)換,還要完成炸點(diǎn)、煙霧等粒子特效顯示以及爆炸三維音響等的模擬。
2)信號(hào)采集處理系統(tǒng)。主要對(duì)車、炮長(zhǎng)操控部件所傳回的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和集中處理?;鹂赜?jì)算機(jī)、控制盒、車長(zhǎng)操縱臺(tái)、炮長(zhǎng)操縱臺(tái)和瞄準(zhǔn)鏡等部件的相關(guān)操作信息將由此傳送至車、炮長(zhǎng)嵌入式計(jì)算機(jī),作為仿真系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)信息。
圖1 坦克嵌入式射擊訓(xùn)練仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
3)顯示系統(tǒng)。由安裝在、車炮長(zhǎng)瞄準(zhǔn)鏡上的微型顯示器構(gòu)成,實(shí)時(shí)顯示訓(xùn)練時(shí)計(jì)算機(jī)生成的三維虛擬視景。
4)中央控制臺(tái)。中央控制臺(tái)主要用于訓(xùn)練科目和內(nèi)容選擇、仿真初始條件設(shè)定、系統(tǒng)檢測(cè)以及訓(xùn)練成績(jī)?cè)u(píng)估等。
嵌入式計(jì)算機(jī)是整個(gè)仿真系統(tǒng)的核心,為滿足車載要求,節(jié)省空間,采用一體化設(shè)計(jì),體積要適中,安裝要牢固,用防震箱固定在坦克內(nèi)部,使之具有較強(qiáng)的抗震性,并且還要具有足夠的抗電磁干擾能力,能在復(fù)雜電磁環(huán)境下運(yùn)行。同時(shí)它必須要具備較高的仿真運(yùn)算能力和豐富的外設(shè)接口,能實(shí)時(shí)生成復(fù)雜的虛擬戰(zhàn)場(chǎng)和目標(biāo),支持多接口的數(shù)據(jù)傳輸。為了滿足逼真的三維虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境顯示需求,應(yīng)配有專門(mén)的圖形處理器(GPU),支持圖形加速和 DirectX渲染引擎,以期達(dá)到逼真的視場(chǎng)環(huán)境效果。
數(shù)據(jù)的采集和處理主要通過(guò)信號(hào)采集控制盒來(lái)完成,控制板上配有單片機(jī) 8051芯片、模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0809、數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC0804、程序存儲(chǔ)器2764芯片以及電源等。具體工作原理如圖2所示。
在單片機(jī)8051芯片上安裝擴(kuò)展板,擴(kuò)展出充足的輸出輸入口,同時(shí)擴(kuò)展8k字節(jié)的程序存儲(chǔ)器2764芯片,滿足程序擴(kuò)展存儲(chǔ)?;鹂赜?jì)算機(jī)、瞄準(zhǔn)鏡和操縱臺(tái)等設(shè)備的數(shù)據(jù)信號(hào)通過(guò)ADC0809轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),經(jīng)處理后經(jīng)ISA總線傳送至車、炮長(zhǎng)嵌入式計(jì)算機(jī),作為仿真系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)信息。D/A 轉(zhuǎn)換芯片 DAC0804把仿真系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)后完成操作動(dòng)作和儀表顯示,系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)既要滿足系統(tǒng)對(duì)信號(hào)準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性的要求,又要嚴(yán)格遵循車輛的電氣規(guī)范。
圖2 信號(hào)采集控制盒原理圖
根據(jù)車、炮長(zhǎng)視景的不同特點(diǎn),分別設(shè)計(jì)出低倍視場(chǎng)顯示系統(tǒng)和高倍視場(chǎng)顯示系統(tǒng)以仿真車、炮長(zhǎng)晝間指揮觀察鏡1倍寬視場(chǎng)和高倍小視場(chǎng),其微型顯示器分別安裝在車、炮長(zhǎng)1倍鏡接口以及左右目鏡底部。為保證觀瞄系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)視景系統(tǒng)一致性工作,采用模擬瞄準(zhǔn)鏡外部特性,簡(jiǎn)化內(nèi)部光路,直接觀察計(jì)算機(jī)視景屏幕,瞄準(zhǔn)鏡分劃指標(biāo)通過(guò)軟件直接畫(huà)在計(jì)算機(jī)屏幕上。其光路示意圖3所示。根據(jù)觀察需要可實(shí)現(xiàn)不同倍率視場(chǎng)的切換。
圖3 光路示意圖
視景仿真系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、瞄準(zhǔn)鏡模擬系統(tǒng)和圖形加速顯示硬件、圖形開(kāi)發(fā)軟件等組成。主要用于對(duì)訓(xùn)練場(chǎng)地、環(huán)境、目標(biāo)和射擊條件的實(shí)時(shí)仿真,并通過(guò)分配器同時(shí)將射擊場(chǎng)景、目標(biāo)位置、炮長(zhǎng)瞄準(zhǔn)點(diǎn)分別顯示于中央控制臺(tái)和射手的瞄準(zhǔn)具內(nèi),模擬目標(biāo)被命中、射彈飛行彈道、爆炸效果等情況。視景中的三維地形的生成方法是根據(jù)給定真實(shí)地形的DEM 數(shù)據(jù)對(duì)網(wǎng)格數(shù)據(jù)進(jìn)行剖分,通過(guò)按照對(duì)角劃分網(wǎng)格的方式,利用Direct3D索引三角形網(wǎng)面構(gòu)建地形的幾何模型,然后通過(guò)Direct3D編程控制為幾何模型添加顏色、材質(zhì)、紋理、光照、融合等效果,便可逼真地仿真實(shí)際作戰(zhàn)環(huán)境。
三維地形環(huán)境由于涉及到一些精度較高的地理數(shù)據(jù),占用數(shù)據(jù)容量較大,同時(shí)受機(jī)器硬件(嵌入式計(jì)算機(jī)與普通計(jì)算機(jī)相比,圖形運(yùn)算性能較低)的限制。為了保證實(shí)時(shí)性,必須對(duì)模型的建立、調(diào)度和渲染進(jìn)行一定的優(yōu)化處理。一是在三維地形建模時(shí),根據(jù)實(shí)際的地形數(shù)據(jù)的比例尺(精度),將整個(gè)地形區(qū)域劃分為一些適當(dāng)?shù)拇笮〉匦窝b載模塊。每個(gè)裝載模塊由地形表面(各種地表特征物)和其上的各種靜態(tài)對(duì)象(如樹(shù)木、建筑物等)組成。在三維地形環(huán)境繪制時(shí),通常只處理觀察者視線范圍內(nèi)(即感興趣區(qū)域)的裝載模塊,一個(gè)感興趣區(qū)域由多個(gè)裝載模塊組成。二是動(dòng)態(tài)裝載地形環(huán)境,采用分塊調(diào)度的方法,分塊將數(shù)據(jù)調(diào)入內(nèi)存,且內(nèi)存中只保留仿真實(shí)體周圍的裝載模塊。三是通過(guò)應(yīng)用 LOD技術(shù),使三維場(chǎng)景中的模型根據(jù)其距觀察者距離的不同,顯現(xiàn)不同的細(xì)節(jié)。在圖形渲染中,只對(duì)最高 LOD層帖紋理的方法,這樣可以減少低層LOD的多邊形數(shù)量,并提高細(xì)致程度。
射擊仿真系統(tǒng)把訓(xùn)練內(nèi)容、訓(xùn)練條件進(jìn)行抽象化,建立射擊仿真模型和彈丸外彈道模型,并通過(guò)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)整個(gè)射擊訓(xùn)練過(guò)程仿真。初始條件主要包括激光測(cè)距、目標(biāo)角速度以及耳軸傾斜角度等,然后在此基礎(chǔ)上根據(jù)火控系統(tǒng)的解算模型,解算出射擊諸元,最終命中目標(biāo)。
激光測(cè)距儀的工作原理是當(dāng)按下激光測(cè)距儀時(shí),發(fā)出的激光從視點(diǎn)沿瞄準(zhǔn)線方向射向目標(biāo),到達(dá)目標(biāo)后經(jīng)目標(biāo)反射回來(lái),測(cè)定其往返的時(shí)間,根據(jù)光速就可以確定目標(biāo)的距離。目標(biāo)距離D可用公式表示為D=ct/2。式中c為光速(3*108 m/s),t為激光的往返時(shí)間。在仿真環(huán)境中,通過(guò)構(gòu)造一個(gè)沿瞄準(zhǔn)線方向運(yùn)動(dòng)的模擬射線,并設(shè)定以c/ 2的速度運(yùn)動(dòng),當(dāng)射線與仿真環(huán)境其他物體發(fā)生碰撞后,返回碰撞點(diǎn)與瞄準(zhǔn)點(diǎn)之間的距離,即為目標(biāo)距離值。
在穩(wěn)像火控系統(tǒng)中,目標(biāo)角速度傳感器用來(lái)測(cè)量瞄準(zhǔn)線的瞬時(shí)角速度,并以瞄準(zhǔn)線的速度來(lái)代替目標(biāo)運(yùn)動(dòng)角速度。仿真系統(tǒng)以4次/ s的采樣速率,取8次最新值的平均值作為目標(biāo)參與解算的速度值。
在進(jìn)行射擊訓(xùn)練時(shí)需要實(shí)時(shí)顯示炮彈飛行軌跡與炸點(diǎn),進(jìn)而對(duì)炮彈的命中和毀傷進(jìn)行分析,所以進(jìn)行外彈道曲線的仿真是必不可少的部分。由于受到彈丸初速、彈丸旋轉(zhuǎn)角速度、彈丸發(fā)射角度、彈丸質(zhì)量與形狀和重力、空氣阻力、風(fēng)向、風(fēng)速及偏流等諸多因素的影響,炮彈彈丸在空中的飛行軌跡是一條非常復(fù)雜的空間曲線[3]。圖4表示出了典型的標(biāo)準(zhǔn)彈道在發(fā)射平面內(nèi)的投影。
圖4 典型的標(biāo)準(zhǔn)彈道在發(fā)射平面內(nèi)的投影
在已知火炮初速和火炮瞄準(zhǔn)角(α0由目標(biāo)距離查射表數(shù)據(jù)庫(kù)得到)的條件下,可以解算下列外彈道微分方程。
式中,C為彈形系數(shù);H(y)為空氣密度函數(shù);G(v)為阻力函數(shù),它是速度v與阻力定律的函數(shù),其值
為了使虛擬射擊環(huán)境更加逼真,使受訓(xùn)者更具沉浸感,僅僅靜態(tài)的場(chǎng)景顯示是不夠的,對(duì)復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境描述也是不完整的,例如一些非剛性物質(zhì)(如氣流、尾焰、煙霧、波浪、爆炸等),它們也是戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的重要組成部分,同樣可以影響到目標(biāo)的偵察、識(shí)別以及射擊效果等。它們的構(gòu)造方法和一般的剛性實(shí)體建模不盡相同,現(xiàn)在通常采用粒子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性及模型的構(gòu)造和紋理的變換等方法進(jìn)行描述,具有很強(qiáng)的連續(xù)性和真實(shí)感。本文也將用此方法表達(dá)虛擬射擊環(huán)境中常見(jiàn)的諸如彈丸爆炸的碎片、煙霧和火光等效果。首先建立各種效果的粒子及運(yùn)動(dòng)模型,定義粒子的空間位置、運(yùn)動(dòng)速度及加速度、運(yùn)動(dòng)方向、顏色、亮度、生存期、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等屬性,然后在場(chǎng)景繪制時(shí)采用矩形面片代替粒子,結(jié)合OpenGL的紋理映射技術(shù),將爆炸粒子和煙霧粒子二維紋理圖映射到矩形面片上。為消去矩形明顯的邊界,先把 BMP格式煙霧及爆炸的黑白位圖進(jìn)行Alpha透明處理,然后在每個(gè)矩形上都貼上透明紋理,應(yīng)用OpenGL的Alpha融合功能和深度測(cè)試功能,再加上紋理和顏色的調(diào)節(jié),這些矩形面片在渲染時(shí)就可以模擬出特殊效果。
聽(tīng)覺(jué)信息是僅次于視覺(jué)信息的第二傳感通道,戰(zhàn)場(chǎng)中的轟鳴聲、爆炸聲等都是影響射手心理狀態(tài)的重要因素。在虛擬射擊環(huán)境中加入虛擬聲音,不僅可以為視景實(shí)時(shí)伴音,還能為射手提供重要的信息,帶來(lái)強(qiáng)烈的沉浸感和臨場(chǎng)感。構(gòu)建虛擬聲音時(shí),一方面要將戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中的各種聲音融人到視景環(huán)境中;另一方面,要使射手在虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中準(zhǔn)確地判斷出聲源的位置 、速度等屬性,以符合在真實(shí)世界中的聽(tīng)覺(jué)習(xí)慣和方式。這其中涉及距離、空間位置、相對(duì)速度和與多普勒頻移以及方向等重要屬性。在本系統(tǒng)中主要對(duì)彈丸的飛行和爆炸等加入了聲音特效,我們這里選擇微軟DirectX 中的DirectSound組件為開(kāi)發(fā)平臺(tái),其開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵步驟如下:1、創(chuàng)建聲音設(shè)備對(duì)象;2、顯式創(chuàng)建主緩沖區(qū)對(duì)象;3、創(chuàng)建輔助聲音緩沖區(qū)對(duì)象;4、從 wav文件或資源讀取聲音數(shù)據(jù)到私有緩沖區(qū);5、將數(shù)據(jù)放人輔助聲音緩沖區(qū)中;6、通過(guò)輔助緩沖區(qū)對(duì)獲取三維聲音緩沖區(qū)對(duì)象;7、為三維聲音緩沖區(qū)對(duì)象和聆聽(tīng)者對(duì)象設(shè)置合適的相關(guān)屬性值;8、播放三維聲音緩沖區(qū)數(shù)據(jù)。
在對(duì)坦克射擊訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行嵌入式改造,不僅要建立嵌入式仿真系統(tǒng)與武器裝備之間統(tǒng)一的接口規(guī)范,以擴(kuò)展系統(tǒng)的通用性和復(fù)用性,同時(shí)還要考慮到在一定戰(zhàn)術(shù)背景下進(jìn)行坦克分隊(duì)及以上射擊訓(xùn)練時(shí)多系統(tǒng)的互聯(lián)、互操作問(wèn)題。
圖5顯示的是一種多系統(tǒng)嵌入式仿真互聯(lián)方案。其中,B-Kit是嵌入在坦克武器平臺(tái)的嵌入式仿真系統(tǒng),其硬件由嵌入式計(jì)算機(jī)、存儲(chǔ)器、控制器以及采集系統(tǒng)等組成,軟件主要由CGF、渲染引擎、數(shù)據(jù)庫(kù)等組成。A-Kit是將B-Kit應(yīng)用于武器系統(tǒng)所必須的硬件和軟件,一般使用網(wǎng)絡(luò)、視頻線、音頻線、控制線等與之相連。由于在進(jìn)行嵌入式訓(xùn)練時(shí),要保證實(shí)車武器系統(tǒng)與仿真系統(tǒng)的實(shí)時(shí)交互,仿真系統(tǒng)之間的互聯(lián)通常使用實(shí)時(shí)CORBA來(lái)實(shí)現(xiàn)。
圖5 一種多系統(tǒng)嵌入式仿真互聯(lián)方案
設(shè)備裝入實(shí)車后,即可開(kāi)展相應(yīng)的嵌入式射擊訓(xùn)練。主要包括以下幾個(gè)方面的訓(xùn)練流程:
1)仿真系統(tǒng)主控計(jì)算機(jī)初始化,測(cè)試與實(shí)車部件的連接,轉(zhuǎn)載初始化各部件傳感器參數(shù);
2)根據(jù)訓(xùn)練需求主控計(jì)算機(jī)注入訓(xùn)練劇情,設(shè)置戰(zhàn)術(shù)背景等訓(xùn)練條件,并按戰(zhàn)場(chǎng)預(yù)設(shè)和訓(xùn)練內(nèi)容生成虛擬戰(zhàn)場(chǎng)和目標(biāo);
3)射手操控火控系統(tǒng),信號(hào)采集系統(tǒng)將各傳感器參數(shù)收集傳入至主控計(jì)算機(jī),計(jì)算機(jī)根據(jù)預(yù)設(shè)條件生成虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境,顯示虛擬目標(biāo)并解算虛擬目標(biāo)的射擊諸元;
4)射擊后,計(jì)算機(jī)對(duì)彈著點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算,實(shí)時(shí)將射擊情況等信息輸出到顯示設(shè)備,模擬出整個(gè)射擊效果,并對(duì)成績(jī)進(jìn)行評(píng)定。
本文采用嵌入式設(shè)計(jì)思想,提出了一種對(duì)現(xiàn)有裝備進(jìn)行嵌入式改造,實(shí)現(xiàn)在實(shí)裝環(huán)境下進(jìn)行模擬訓(xùn)練的新型嵌入式仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)能為成員提供逼真的人機(jī)環(huán)境和訓(xùn)練環(huán)境,且不受天候、地理環(huán)境等條件的影響,訓(xùn)練的靈活性、科學(xué)性大大提高,使用該系統(tǒng)訓(xùn)練可以快速有效地提高射手技戰(zhàn)術(shù)水平。同時(shí),可大大節(jié)約訓(xùn)練經(jīng)費(fèi),具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和軍事效益。
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