陳　革， 孫永富， 周子銳， 陳曉軍， 周長旺

(1. 陸軍裝甲兵軍事代表局駐上海地區(qū)軍事代表室， 上海 200011；2. 上海電控研究所， 上海 200092； 3. 中國人民解放軍駐618廠軍事代表室， 北京 100072)

一種基于分布式仿真的兩棲裝甲車輛駕駛訓練模擬器設計

陳革1， 孫永富1， 周子銳2， 陳曉軍1， 周長旺3

(1. 陸軍裝甲兵軍事代表局駐上海地區(qū)軍事代表室， 上海 200011；2. 上海電控研究所， 上海 200092； 3. 中國人民解放軍駐618廠軍事代表室， 北京 100072)

摘要：為有效降低某型兩棲裝甲車輛在駕駛訓練中的損耗、延長使用壽命，設計了其駕駛訓練模擬器。該模擬器包含了教員指揮控制臺、座艙儀表、操縱負荷、視景/音響生成、車體動力學計算、加速度洗出和6自由度運動平臺控制等子系統(tǒng)。為了降低系統(tǒng)開發(fā)的難度、提高系統(tǒng)運行的可靠性，采用分布式仿真的方法設計了實時管理系統(tǒng)，控制各仿真子系統(tǒng)相互之間的數(shù)據(jù)交互，并對各子系統(tǒng)的運行進行調(diào)度和狀態(tài)監(jiān)控。最后，通過主觀評價和客觀評價2種方法對模擬器性能進行了仿真驗證，結(jié)果表明：模擬器滿足功能設計要求，具有較高的仿真逼真度。該模擬器設計為高效、安全培訓兩棲裝甲車輛駕駛員提供了一種途徑，特別是可以在模擬器上開展極限或特殊條件下的訓練，彌補了實車訓練的不足。

關(guān)鍵詞：兩棲裝甲車輛; 駕駛訓練模擬器; 分布式仿真; 實時管理系統(tǒng)

兩棲裝甲車輛包含眾多類型，是維護領(lǐng)土、領(lǐng)海主權(quán)的主戰(zhàn)裝備。而駕駛員要達到熟練駕駛兩棲裝甲車輛的效果，不僅需要進行大量的操作訓練，而且需要教員有針對性地進行指導，尤其是在一些特殊環(huán)境和條件下，如何能夠使駕駛員沉著冷靜地處理突發(fā)情況，是保證順利完成任務并保障裝備和人員安全必須考慮的重要問題。模擬訓練器能夠在室內(nèi)為駕駛員營造一個具有逼真視覺、聽覺、觸覺及運動感覺的環(huán)境，通過人為地設置某種訓練科目或訓練環(huán)境，可實現(xiàn)安全、高效、有趣味性和競技性的訓練。使用兩棲裝甲車輛駕駛訓練模擬器不僅能夠有效降低實裝損耗、延長實裝使用壽命，而且是實裝訓練的必要補充，能夠進行一些無法在實車上開展的高風險、高難度訓練，可為快速全面培訓車輛駕駛員提供一種低成本、高效率的途徑。因此，設計兩棲裝甲車輛駕駛訓練模擬器是一項非常有意義的工作。

為了真實、準確地為駕駛員提供與實車相同的感覺，駕駛訓練模擬器應具有的虛擬現(xiàn)實物理效應設備包括座艙儀表系統(tǒng)、操縱負荷系統(tǒng)、視景系統(tǒng)、音響系統(tǒng)和6自由度運動系統(tǒng)[1]。這些物理效應設備統(tǒng)一由實時仿真系統(tǒng)驅(qū)動并為其提供信息輸入，而實時仿真系統(tǒng)的啟停及模型參數(shù)則由教員控制臺進行設置。由此可見：模擬器系統(tǒng)是一個組成復雜的大系統(tǒng)，若要完成駕駛訓練模擬器的設計，首先必須考慮的問題就是系統(tǒng)的構(gòu)架?？晒﹨⒖嫉南到y(tǒng)結(jié)構(gòu)主要有分布式交互仿真(Distributed Interactive Simulation，DIS)體系和高層體系結(jié)構(gòu)(High Level Architecture，HLA)。DIS采用廣播方式進行固定格式的數(shù)據(jù)協(xié)議單元(Protocol Data Unit，PDU)消息傳遞，常引起網(wǎng)絡負載過大，容易導致數(shù)據(jù)包頻繁沖突[2]。HLA可容納運行于不同系統(tǒng)、由不同工具開發(fā)的仿真應用程序，是目前處理復雜系統(tǒng)仿真普遍采用的方法[3-4]。而實現(xiàn)HLA通常需要由商用聯(lián)邦運行支撐環(huán)境(Run-time Infrastructure，RTI)軟件支持，會增加調(diào)試的困難并降低系統(tǒng)運行的效率[5-6]。為此，筆者設計實時管理系統(tǒng)來協(xié)調(diào)各分布式仿真單元，在此基礎(chǔ)上組建兩棲車輛駕駛訓練模擬器，實現(xiàn)各個子系統(tǒng)有機的結(jié)合，以可靠地完成模擬訓練任務。

1系統(tǒng)組成

兩棲裝甲車輛駕駛訓練模擬器主要由模擬座艙、操縱負荷系統(tǒng)、6自由度Stewart運動平臺、視景系統(tǒng)、音響系統(tǒng)、儀表系統(tǒng)、實時仿真系統(tǒng)和指揮控制臺8個分系統(tǒng)組成，其相對布置如圖1所示。其中：模擬座艙固定于Stewart運動平臺之上，內(nèi)部安裝有操縱負荷系統(tǒng)、儀表系統(tǒng)和音響系統(tǒng)，外部配置有視景系統(tǒng)；實時仿真計算機、指揮控制臺計算機、視景計算機和運動控制計算機位于指揮控制臺控制柜內(nèi)。

圖1　兩棲裝甲車輛駕駛訓練模擬器組成及相對布置

模擬座艙與真實車輛駕駛艙在內(nèi)部空間尺寸、陳設和外觀上均一致，所有虛擬現(xiàn)實效應生成設備均布置于模擬座艙之中，以使駕駛員產(chǎn)生駕駛真實車輛的感覺。

操縱負荷系統(tǒng)是模擬器的觸覺模擬裝置，用于在方向盤、制動踏板和油門踏板上產(chǎn)生與操作相反的作用力。其中：制動踏板和油門踏板上的反作用力由彈簧和阻尼器產(chǎn)生；方向盤上的反作用力則由伺服電機產(chǎn)生。駕駛員在轉(zhuǎn)動方向盤時，操縱負荷系統(tǒng)根據(jù)當前車輛工況(水上、陸上)和行駛狀態(tài)(車速、路況、轉(zhuǎn)彎半徑等)計算出方向盤上應有的反作用力，并由閉環(huán)力控制系統(tǒng)驅(qū)動伺服電機準確地產(chǎn)生[7]。

6自由度Stewart運動平臺是模擬器的動感模擬裝置[8]。為了準確模擬兩棲裝甲車輛在顛簸路面行進時的振動和在風浪中行進時的起伏，要求運動平臺具有很高的頻寬、較大的負載能力和很低的波形失真度。為了達到以上目標，筆者采用電液伺服系統(tǒng)實現(xiàn)運動平臺的控制，并且在運動平臺上設有獨立的安全保護與連鎖裝置，最大限度地保證設備和人員的安全。

視景系統(tǒng)為駕駛員提供虛擬的視覺環(huán)境，其主要由視景生成計算機和顯示系統(tǒng)組成。筆者根據(jù)實際駕駛訓練場所的地形特征，在三維建模軟件中構(gòu)建地形地貌，然后將所拍攝的訓練場圖片作為紋理附著于三維地形之上，以此構(gòu)建地形數(shù)據(jù)庫。虛擬海洋則采用白噪聲濾波的方法獲得特定位置處海浪高程的時域變化，然后在起伏變化的網(wǎng)格上附著海浪紋理。

音響系統(tǒng)模擬駕駛時車輛內(nèi)部的聲音環(huán)境。筆者首先采集實車各種聲音，然后根據(jù)需要對音源進行處理。在進行模擬駕駛訓練時，音響系統(tǒng)根據(jù)車輛行駛狀態(tài)對音源進行融合，以此為駕駛員提供聲音線索。

儀表系統(tǒng)用于完成車輛各類儀表的實時仿真，其指示特性與被模擬儀表完全一致，能夠準確地反映出虛擬車輛的運行狀態(tài)。

實時仿真系統(tǒng)負責計算車輛自身設備的運行狀態(tài)和車輛的運動狀態(tài)，運行于實時仿真計算機上，采用QNX作為操作系統(tǒng)[9]。

指揮控制臺為教練員提供了一個人機交互界面，通過該界面，教練員可以完成模擬器啟?？刂啤⒊跏紶顟B(tài)設置、訓練科目設置、場景設置、訓練效果評估和系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)測等任務。

2系統(tǒng)工作原理

兩棲裝甲車輛駕駛訓練模擬器屬于人在回路中的仿真系統(tǒng)，其工作原理如圖2所示。訓練時，駕駛員操縱模擬座艙中的方向盤、油門和按鈕等輸入設備；儀表系統(tǒng)通過傳感器和板卡將這些信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，供實時仿真系統(tǒng)計算車輛的運行狀態(tài)；車輛的運行狀態(tài)則交由視景系統(tǒng)、音響系統(tǒng)、操縱負荷系統(tǒng)、6自由度運動系統(tǒng)和儀表系統(tǒng)產(chǎn)生對應的物理效應；駕駛員感受到這些物理量的變化，依據(jù)相應的感覺信息進行操作。如此循環(huán)往復，直到訓練完成。

由于實時仿真系統(tǒng)需要計算出被仿真車輛自身設備的運行狀態(tài)以及車輛的運動狀態(tài)，因此該系統(tǒng)由多個子系統(tǒng)組成。其中：動力學模型根據(jù)車輛所受的力和力矩，利用牛頓-歐拉方程解算出加速度、速度、位置和姿態(tài)[10]；懸掛系統(tǒng)模型根據(jù)車輛與場景的碰撞情況計算車體所受的地面支持力；浮力模型則根據(jù)車輛與海浪的相對位置關(guān)系計算車體所受的浮力；水動力模型計算車體在海浪中行進時所受的水動力[11]；發(fā)動機模型利用實車發(fā)動機外特性，根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速和油門開度計算發(fā)動機輸出力矩；傳動系統(tǒng)模型則根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速計算履帶移動速度。

圖2　兩棲裝甲車輛駕駛訓練模擬器工作原理

指揮控制臺計算機上運行有指揮控制臺軟件和實時管理軟件，其通過網(wǎng)絡對仿真軟件、視景軟件、音響軟件和運動平臺控制軟件等進行管理。實時管理軟件是仿真功能實現(xiàn)的核心，主要有3個作用:1)它是模擬器數(shù)據(jù)管理和傳輸?shù)臉屑~，所有分系統(tǒng)信息都由它匯集并向其他各系統(tǒng)進行分發(fā)；2)它是模擬器的調(diào)度中心，實現(xiàn)各分系統(tǒng)之間的同步定時、任務調(diào)度和接口管理;3)它是模擬器的控制中心，負責程序啟停、邏輯管理、狀態(tài)監(jiān)視、故障診斷和安全保護。

3系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)

模擬器仿真計算機系統(tǒng)采用5臺普通PC機、以太網(wǎng)和CAN總線的分布式計算機系統(tǒng)來實現(xiàn)，其網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示。

指揮控制臺計算機運行指揮控制臺軟件，主要用于訓練科目的設置、模擬器的控制以及運動系統(tǒng)液壓油源的狀態(tài)監(jiān)測和控制；此外，還運行實時管理軟件，以實現(xiàn)模擬器系統(tǒng)時鐘控制、網(wǎng)絡環(huán)境的建立及設備驅(qū)動、各個分系統(tǒng)仿真軟件的合理調(diào)用、CAN接口控制和網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?/p>

實時仿真計算機運行各種仿真模型，其對儀表系統(tǒng)收集的輸入信息進行處理，經(jīng)計算后，驅(qū)動物理效應生成設備產(chǎn)生虛擬感覺。

視景計算機由1塊工作站級主板、2個專業(yè)顯卡和1個專業(yè)聲卡組成，運行視景仿真軟件和音響仿真軟件，生成觀察窗視景以及各種聲音。

運動系統(tǒng)控制計算機主要用于6自由度運動系統(tǒng)的伺服控制和液壓泵站的控制。

圖3　模擬器仿真計算機系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)

儀表仿真計算機運行儀表仿真軟件，主要用于完成模擬座艙內(nèi)各類儀表的信息采集和信號驅(qū)動，以及與實時仿真計算機之間的數(shù)據(jù)交互。

整個實時仿真計算機系統(tǒng)采用快速以太網(wǎng)和CAN總線2種接口形式，根據(jù)計算機之間數(shù)據(jù)交互的實時性、可靠性要求和數(shù)據(jù)產(chǎn)生方式的不同進行選擇。指揮控制臺通過實時管理軟件與實時仿真之間的交互信息以事件為主，要求數(shù)據(jù)交互快速、可靠，因此采用TCP/IP協(xié)議通過以太網(wǎng)進行交互；而實時仿真通過實時管理軟件與視景、6自由度運動平臺、操縱負荷等分系統(tǒng)之間的交互信息以各種數(shù)據(jù)為主，要求具有較高的實時性，為了減少傳輸延遲，采用UDP/IP協(xié)議通過以太網(wǎng)進行交互。模擬座艙中的各類開關(guān)、儀表等由位于艙內(nèi)的儀表計算機中的各類數(shù)據(jù)采集卡進行信號采集和驅(qū)動。儀表計算機與實時管理軟件之間的數(shù)據(jù)通信量較小，但要求可靠性高、傳輸距離遠，因此采用抗干擾能力強、線路簡單易用的CAN總線進行數(shù)據(jù)傳輸。

4實時管理系統(tǒng)

模擬器中的視景、音響、操縱負荷和6自由度運動平臺控制等系統(tǒng)在實時性上是有明顯區(qū)別的,如:實時仿真系統(tǒng)仿真步長為0.02 s，視景系統(tǒng)刷新一幀的時間為0.033 s，6自由度運動平臺控制系統(tǒng)和操縱負荷系統(tǒng)的仿真步長則為0.002 s。不同的仿真子系統(tǒng)運行于不同的仿真計算機上，組成了分布式仿真的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，子系統(tǒng)之間的調(diào)度、數(shù)據(jù)交互和運行狀態(tài)監(jiān)控則由實時管理系統(tǒng)來完成。實時管理系統(tǒng)對各個子系統(tǒng)的運行進行協(xié)調(diào)，對復雜網(wǎng)絡環(huán)境下數(shù)據(jù)的分發(fā)和子系統(tǒng)的交互進行統(tǒng)一管理，提高了實時仿真的效率，降低了整個系統(tǒng)的傳輸延遲，保障了系統(tǒng)運行的高可靠性。

為了協(xié)調(diào)不同速率的仿真子系統(tǒng)，實時管理系統(tǒng)在指揮控制臺計算機上設置多個數(shù)據(jù)接收端口，接收的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括數(shù)據(jù)來源、時間戳、優(yōu)先級和內(nèi)容。實時管理系統(tǒng)將多幀數(shù)據(jù)保存于緩沖區(qū)中，在子系統(tǒng)取用這些數(shù)據(jù)時，實時管理系統(tǒng)根據(jù)子系統(tǒng)的刷新速率對數(shù)據(jù)進行插值處理，以此保證各子系統(tǒng)的銜接。

在模擬器中，視景和實時仿真是交互最為密切的系統(tǒng)。實時仿真根據(jù)視景中車輛與場景的位置關(guān)系計算車體所受的力和力矩，進而得到下一時刻車輛的運動狀態(tài)，而視景又根據(jù)實時仿真計算的車輛位置刷新場景，兩者之間是緊密耦合的。6自由度運動平臺控制系統(tǒng)與實時仿真則僅僅是單純的數(shù)據(jù)接收，連接相對松散。實時管理系統(tǒng)根據(jù)子系統(tǒng)之間連接的緊密程度與重要性安排數(shù)據(jù)的流動速度，以此保證在有限帶寬下數(shù)據(jù)高可靠性的共享，減少數(shù)據(jù)阻塞情況的發(fā)生。

此外，實時管理系統(tǒng)還負責控制各子系統(tǒng)的啟動、停止，設置模型參數(shù)以及監(jiān)視信號變化等工作。

5模擬器仿真驗證

所建成的兩棲裝甲車輛駕駛訓練模擬器如圖4所示。

圖4　兩棲裝甲車輛駕駛訓練模擬器

模擬器能達到的主要性能如下：車輛實時仿真模型的迭代速率為50 Hz；視景系統(tǒng)刷新率為30 Hz；整個系統(tǒng)傳輸延遲小于100 ms；視景單通道分辨率為1 024×768像素；6自由度運動平臺控制系統(tǒng)的有效載荷為1 500 kg；系統(tǒng)頻寬大于3 Hz；平動最大位移為0.5 m；轉(zhuǎn)動最大角度為20°。此外，視景系統(tǒng)的視場等于駕駛員觀察鏡的視場，中觀察鏡視景效果如圖5所示。儀表系統(tǒng)的性能與實車相一致，操縱負荷系統(tǒng)可模擬各種駕駛操作的負載力和變化特性，操作力感、位置感及行程與實車相一致。

圖5　駕駛員中觀察鏡視景效果

筆者通過主觀評價和客觀評價2種方法對所設計模擬器性能進行驗證。

5.1主觀評價

邀請5名有經(jīng)驗的駕駛員對駕駛訓練模擬器進行多次試用，之后從視覺、聽覺、動感和力感4方面對駕駛訓練模擬器的仿真逼真度進行打分，多次試用的綜合平均分如表1所示。

表1　主觀評價評分

由表1可以看出：5名駕駛員所作出的評價具有很高的一致性，模擬器在視覺和動感上的仿真逼真度尤為突出，而在聽覺和力感上則相對較為欠缺。這說明聲音文檔在進行融合時的算法還需要改進，操縱負荷控制系統(tǒng)的模型仍需要進一步的優(yōu)化。

5.2客觀評價

在兩棲裝甲車輛上安裝陀螺儀和加速度計,用于采集車輛運動的實際數(shù)據(jù)，將其與仿真結(jié)果進行比較。以海上駕駛為例，由于海浪波動具有隨機性，車輛運動的時域曲線不宜進行對比分析，因此利用其頻譜進行對比分析。圖6為3級近岸浪中車體俯仰角速度實測頻譜與仿真頻譜。通過這一典型數(shù)據(jù)對比可以看出：模擬器的仿真結(jié)果與實車結(jié)果具有較高的近似性。

圖6　車輛水面直行時俯仰角速度實測與仿真頻譜

6結(jié)論

基于分布式仿真方法，設計并實現(xiàn)了兩棲裝甲車輛駕駛訓練模擬器，采用主觀評價和客觀評價2種方法對模擬器進行了仿真驗證，結(jié)果表明：所設計的兩棲裝甲車輛駕駛訓練模擬器具有突出的陸上和海上仿真性能，完全可以應用于駕駛員訓練。同時，由于該方法具有通用性，因此可以廣泛應用于其他類型模擬器的開發(fā)過程中。

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(責任編輯: 尚彩娟)

Design of Driver Training Simulator of Amphibious Armored Vehicle Based on Distributed Simulation Method

CHEN Ge1, SUN Yong-fu1, ZHOU Zi-rui2, CHEN Xiao-jun1, ZHOU Chang-wang3

(1. Military Representative Office in Shanghai Area, Armored Force Military Representative Bureau of Army, Shanghai 200011, China;2. Shanghai Electric Control Research Institute, Shanghai 200092, China;3. PLA Military Representatives Office in No. 618 Factory, Beijing 100072, China)

Abstract：In order to reduce the loss of some amphibious armored vehicle in driver training and extend its service life, a driver training simulator is designed. The simulator includes several sub-systems such as instructor console, cockpit instruments, control loading system, visual & audio, vehicle dynamics, accelerator washout and controller of 6 DOF motion platform. Distributed simulation method is used to decrease difficulty of development and increase reliability of system running. Real-time simulation management system is designed to control data exchange among these sub-systems. It also can realize system scheduling and state monitoring. Subjective assessment and objective evaluation of the simulator confirm that the driver training simulator satisfies function demands and has wonderful fidelity. The simulator design provides an efficient and safety method for training drivers, especially on some extreme or specific situations, which covers the shortage of practical training.

Key words:amphibious armored vehicle; driver training simulator; distributed simulation; real-time simulation management system

文章編號：1672-1497(2016)02-0067-06

收稿日期：2016-01-01

基金項目：軍隊科研計劃項目

作者簡介：陳革(1960-)，男，高級工程師，碩士。

中圖分類號：TJ811+.6;TP391.9

文獻標志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1672-1497.2016.02.014