魏國強(qiáng)，朱元武，王 杰，安亞飛，陳 云

(北方自動控制技術(shù)研究所，太原 030006)

裝備模擬器是軍事訓(xùn)練的主要設(shè)備，在軍事訓(xùn)練中發(fā)揮著重要的作用。從20世紀(jì)70年代開始，某些發(fā)達(dá)國家的模擬器就初步具備了射擊訓(xùn)練的能力，到了90年代，隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，部分國家的模擬器已經(jīng)可以進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)對抗和多兵種聯(lián)合訓(xùn)練[4]。目前的模擬器多為艙式半實(shí)物模擬器，適應(yīng)于室內(nèi)固定使用，可以對武器裝備主要功能進(jìn)行仿真，成員可以完成各種復(fù)雜的操作動作[1][5]。

為解決在室內(nèi)固定的模擬器進(jìn)行訓(xùn)練時間不足的問題，本文提出一種便攜式裝甲裝備射擊訓(xùn)練模擬器[3]。該模擬器尺寸小、重量輕、可單兵攜帶；同時展開、收納快捷、使用不受空間場地限制，可用于室內(nèi)和野外訓(xùn)練；采用半實(shí)物方式，能實(shí)現(xiàn)武器裝備的主要任務(wù)功能，操作手感與實(shí)裝具有高逼真度[2]；采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，視覺和聽覺感受使人有沉浸感，瞄準(zhǔn)鏡和炮長終端等采用虛擬設(shè)備，外觀與實(shí)裝一致，可以通過觸屏或手勢操作，對作戰(zhàn)人員進(jìn)行專業(yè)技術(shù)訓(xùn)練。

1 便攜式訓(xùn)練模擬器總體設(shè)計(jì)思路

根據(jù)訓(xùn)練需求，便攜式裝甲裝備射擊訓(xùn)練模擬器的功能要求如下：

1)能夠按照專業(yè)技術(shù)教范要求，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)像方式下射擊專業(yè)技術(shù)訓(xùn)練，能夠按照訓(xùn)練課目要求提供練習(xí)和考核模式；

2)能夠提供虛擬戰(zhàn)場環(huán)境，并提供訓(xùn)練場地和設(shè)施模型，進(jìn)行目標(biāo)模擬、氣象模擬、聲效模擬；

3)能夠按照對應(yīng)裝備，模擬跟蹤、測距、瞄準(zhǔn)、制導(dǎo)、擊發(fā)等射擊動作過程，進(jìn)行火炮射擊操作和炮射導(dǎo)彈操作模擬訓(xùn)練；

4)便攜式模擬器能夠放置在一個箱體結(jié)構(gòu)中，易于展開、收納，方便移動和運(yùn)輸，可單兵攜行。

便攜式訓(xùn)練模擬器總體設(shè)計(jì)思路是：采用虛實(shí)結(jié)合方式，發(fā)揮實(shí)裝訓(xùn)練和虛擬訓(xùn)練二者的優(yōu)點(diǎn)，使受訓(xùn)人員既能通過實(shí)物部件機(jī)構(gòu)掌握其操作技能，又能通過計(jì)算機(jī)軟件生成的虛擬要素，使受訓(xùn)人員具有良好的操作性和沉浸感。為減輕重量、縮小尺寸，研制中操控部分虛實(shí)結(jié)合，觀瞄部分以虛為主，炮長操縱臺采用實(shí)物部件模擬，以保證操作使用方式、操縱行程、操縱力感等與實(shí)裝一致，炮長顯控終端、炮長主瞄鏡等操作部件采用虛擬部件模擬，虛擬部件的外形、空間布局、功能、操作使用方式等與實(shí)裝一致[7,9]。出于便攜性的考慮，而且訓(xùn)練中穩(wěn)像是基礎(chǔ)的工況模式，因此設(shè)計(jì)使模擬器工作在穩(wěn)像工作模式。穩(wěn)像工作方式可由操縱臺單獨(dú)完成。具體思路框圖如圖1。

圖1 基于虛實(shí)結(jié)合的便攜式射擊訓(xùn)練模擬器思路框圖

虛擬方面，對訓(xùn)練場地、環(huán)境設(shè)施、靶形目標(biāo)、實(shí)體目標(biāo)進(jìn)行靜態(tài)和動態(tài)建模構(gòu)建虛擬訓(xùn)練場地，對炮塔配電盒、炮長顯控終端、炮長主瞄鏡等操控設(shè)備建模構(gòu)建虛擬炮長操控環(huán)境，按照專業(yè)技術(shù)教范制定射擊訓(xùn)練想定，并通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時仿真，兩部分信息疊加綜合后通過顯示屏虛物實(shí)化，受訓(xùn)者通過視覺、聽覺感受到逼真的訓(xùn)練場景。

實(shí)物方面，核心操控部件-炮長操縱臺采用實(shí)物部件，受訓(xùn)者能通過真實(shí)的動作和力度發(fā)出操控指令，其它操控部件通過顯示屏觸摸交互形成操控信號，操控信號經(jīng)火控系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)換后，驅(qū)動炮長主瞄鏡、炮塔武器系統(tǒng)進(jìn)行射擊任務(wù)仿真，實(shí)現(xiàn)對受訓(xùn)者進(jìn)行射擊訓(xùn)練。

2 便攜式射擊訓(xùn)練模擬器的工作原理與操作流程

便攜式射擊訓(xùn)練模擬器要為炮長提供高效訓(xùn)練平臺，使炮長掌握射擊技能和協(xié)同動作，強(qiáng)化觀察測距、武器操作、跟蹤發(fā)射、規(guī)則運(yùn)用和車內(nèi)協(xié)同五項(xiàng)基本功，使其能迅速發(fā)現(xiàn)和識別目標(biāo)，熟練操作火控系統(tǒng)和武器，準(zhǔn)確進(jìn)行射擊。

便攜式射擊訓(xùn)練模擬器工作原理框圖如圖2。就是通過虛實(shí)結(jié)合方式建立虛擬訓(xùn)練場景和半實(shí)物操控環(huán)境，通過射擊訓(xùn)練想定驅(qū)動射擊訓(xùn)練進(jìn)程，通過實(shí)時信息采集和處理將操控動作轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)指令，通過射擊操作序列模型和射擊任務(wù)功能模型進(jìn)行射擊任務(wù)仿真，通過虛擬兵力對藍(lán)方目標(biāo)、同裝備車長和駕駛員進(jìn)行仿真，訓(xùn)練進(jìn)程隨時間節(jié)拍驅(qū)動虛擬場景更新[5]。在訓(xùn)練過程中，受訓(xùn)者通過炮長操縱臺、炮塔配電盒、炮長顯控終端、炮長主瞄鏡等實(shí)物部件和虛擬部件對裝備進(jìn)行操控，完成對目標(biāo)觀察測距、武器操作、瞄準(zhǔn)(跟蹤)發(fā)射、火控解算、制導(dǎo)控制等射擊全過程訓(xùn)練，計(jì)算機(jī)通過外彈道仿真、毀傷仿真展示射擊效果[8]。模擬器后臺軟件對訓(xùn)練過程進(jìn)行全程監(jiān)控，并實(shí)時進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，練習(xí)模式下可給受訓(xùn)者進(jìn)行必要的信息提示，考核模式下能給訓(xùn)練結(jié)果進(jìn)行考核和成績評定，訓(xùn)練結(jié)束后，能回放訓(xùn)練過程，便于受訓(xùn)者分析改進(jìn)。

便攜式模擬器采用箱式結(jié)構(gòu)，仿真計(jì)算機(jī)、顯示屏、炮長操縱臺等所有設(shè)備可以收納在箱體內(nèi)，箱體同時作為模擬器的操作控制臺。

便攜式模擬器易于展開、收納，方便移動和運(yùn)輸。射擊訓(xùn)練過程可分為準(zhǔn)備、訓(xùn)練和結(jié)束三個階段。訓(xùn)練流程框圖如圖3。

準(zhǔn)備階段包括展開與啟動、訓(xùn)練課目選擇、訓(xùn)練條件設(shè)置下發(fā)；訓(xùn)練階段，受訓(xùn)者操作炮長操縱臺，通過顯示屏的視景窗口完成目標(biāo)搜索、跟蹤和射擊操作；結(jié)束階段，根據(jù)訓(xùn)練課目的評分標(biāo)準(zhǔn)和操作過程數(shù)據(jù)給出訓(xùn)練成績，結(jié)束本次訓(xùn)練。

圖2 便攜式射擊訓(xùn)練模擬器的工作原理框圖

圖3 便攜式模擬器射擊訓(xùn)練流程框圖

3 便攜式模擬器設(shè)計(jì)方案

3.1 便攜式模擬器硬件方案

便攜式模擬器硬件組成，如圖4所示。包括炮長操縱臺、仿真計(jì)算機(jī)、觸摸顯示屏、信號采集盒和音響設(shè)備和箱體支架組成。

圖4 便攜式射擊訓(xùn)練模擬器的硬件組成框圖

3.1.1炮長操縱臺

炮長操縱臺用于炮長對主瞄鏡和武器的操作控制，是炮長的重要部件。炮長使用操縱臺可完成在穩(wěn)像工況下的瞄準(zhǔn)射擊動作，具體實(shí)現(xiàn)上通過操縱臺控制瞄鏡對目標(biāo)進(jìn)行尋找、跟蹤，炮線跟隨瞄線進(jìn)行運(yùn)動。操縱臺包括方位操縱機(jī)構(gòu)、高低操縱機(jī)構(gòu)、調(diào)零電位器、指示燈、測距按鈕、擊發(fā)按鈕等。炮長操縱臺要求操縱力度、操縱角度和瞄鏡運(yùn)動速度關(guān)系與實(shí)裝一致，該部件是炮長穩(wěn)定跟蹤關(guān)鍵技能訓(xùn)練的核心部件。

炮長操縱臺是安裝在炮長前方的二自由度轉(zhuǎn)角操縱器。外觀及內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖5。前、后轉(zhuǎn)動左右手柄時，操縱臺輸出高低向轉(zhuǎn)動的控制信號；當(dāng)左、右轉(zhuǎn)動操縱臺本體時，操縱臺輸出方位向轉(zhuǎn)動的控制信號。操縱臺手柄偏轉(zhuǎn)不同的角度，可獲得不同的高低向和方位向轉(zhuǎn)動速度。

圖5 炮長操縱臺外觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

訓(xùn)練中受訓(xùn)者通過炮長操縱臺操縱炮長主瞄鏡/武器，在虛擬訓(xùn)練場地內(nèi)實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的搜索、捕獲、瞄準(zhǔn)和跟蹤。炮長操縱臺的操縱力感和輸出控制信號是關(guān)鍵指標(biāo)。操縱力感采用機(jī)械方式實(shí)現(xiàn)，通過彈簧(見圖5)產(chǎn)生與轉(zhuǎn)角成正比的回正力矩，具體性能與實(shí)裝一致。輸出控制信號決定著主瞄鏡/武器的轉(zhuǎn)動速度和運(yùn)動平穩(wěn)性，對于提升受訓(xùn)者穩(wěn)定跟蹤操作技能，實(shí)現(xiàn)快速發(fā)現(xiàn)目標(biāo)、跟蹤目標(biāo)、完成射擊具有重要的作用，輸出曲線采用梯度設(shè)計(jì)，在左右、前后轉(zhuǎn)動中，對操縱機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動角度與控制信號曲線如圖6。其中，橫坐標(biāo)表示操縱臺的轉(zhuǎn)角，縱坐標(biāo)轉(zhuǎn)速控制信號控制炮塔轉(zhuǎn)動的速度，方位向最大為±40(°)/s，高低向最大為±35(°)/s。如圖所示，正轉(zhuǎn)時，OA段是“死區(qū)”段，輸出為0，起到防止誤操作的用途；AB段是高精確調(diào)炮段，主要是進(jìn)行小范圍精確調(diào)炮瞄準(zhǔn)；BC段是中精度調(diào)炮段，主要進(jìn)行中度范圍調(diào)炮瞄準(zhǔn)；CD段是快速調(diào)炮段，主要完成快速大幅度調(diào)炮過程。反轉(zhuǎn)過程與之對稱。相應(yīng)函數(shù)關(guān)系為：

(1)

圖6 操縱臺輸出控制信號曲線

3.1.2仿真計(jì)算機(jī)和其他硬件

仿真計(jì)算機(jī)是模擬器所有軟件的安裝和運(yùn)行載體，也是所有操作動作、訓(xùn)練流程的邏輯控制中心。該設(shè)備部件不僅要求尺寸小巧，運(yùn)算功能強(qiáng)，而且要求具有強(qiáng)大的圖像顯示功能。其中，處理器采用英特爾第八代i7處理器，顯卡采用英偉達(dá)GTX 1070系列，同時在安裝部位貼散熱片，保證計(jì)算機(jī)良好的散熱性。

觸摸顯示屏是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的另一主要部件，用來呈現(xiàn)三維視景、模擬終端設(shè)備界面、觀瞄設(shè)備界面，顯示分辨率為1 920×1 080，具有良好顯示清晰度和觸摸性能。人機(jī)交互界面示意圖如圖7。

界面中，主瞄鏡中顯示的是炮長的視景，視景中包含虛擬生成的環(huán)境、分劃、敵方目標(biāo)以及測距瞄準(zhǔn)時反饋的顯示數(shù)據(jù)。除此之外，還可以切換顯示彈種選擇界面、火力解算界面、彈道解算界面。在射擊標(biāo)定諸元的時候，還會顯示諸元解算界面，從而在提供良好操控手感的同時全面、智能、數(shù)字化的顯示各界面。

圖7 觸摸顯示屏人機(jī)交互界面示意圖

箱體支架是便攜式模擬器的載體和操作平臺。所有組成部件布置在箱體支架上，展開時箱體支架是便攜式模擬器的操作平臺，收納時箱體支架是便攜式模擬器的收納箱。箱體支架配有小車，移動時小車可作為載運(yùn)便攜式，訓(xùn)練時小車可轉(zhuǎn)換為受訓(xùn)者座椅。

3.2 便攜式模擬器軟件組成

便攜式模擬器軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方法，根據(jù)射擊任務(wù)功能和流程，進(jìn)行模塊化劃分并確定軟件模塊集成關(guān)系，各軟件模塊之間通過統(tǒng)一制定的協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信和傳輸，實(shí)現(xiàn)了“高凝聚、低耦合”的運(yùn)行系統(tǒng)。各軟件模塊功能相互獨(dú)立，保證了軟件模塊開發(fā)時的獨(dú)立性和易修改性，集成軟件通過各模塊之間數(shù)據(jù)的輸入輸出關(guān)系實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)集成，通過模塊調(diào)用實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)按流程運(yùn)行[10]。

便攜式模擬器軟件采用多層體系架構(gòu)，其組成如圖8所示。最底層為支撐層，為軟件運(yùn)行提供支撐環(huán)境，包括操作系統(tǒng)，三維視景平臺等。第二層為基礎(chǔ)層，提供軟件運(yùn)行的模型和數(shù)據(jù)庫等；第三層為業(yè)務(wù)層，是軟件中使用的基礎(chǔ)軟件構(gòu)件，能夠支持各類模擬器和不同應(yīng)用軟件；最上層為應(yīng)用層，實(shí)現(xiàn)模擬器需要的各項(xiàng)具體功能，應(yīng)用層軟件包括視景仿真軟件、炮長視窗仿真軟件、火控仿真軟件、終端模擬軟件、車內(nèi)協(xié)同訓(xùn)練、彈道仿真軟件、訓(xùn)練控制軟件以及成績評定軟件。

圖8 便攜式射擊訓(xùn)練模擬器的軟件組成框圖

1)視景仿真軟件

采用視景生成技術(shù)，通過三維建模軟件，建立戰(zhàn)場地形模型(包括類型、坡度、干擾物等)、氣象模型(包括雨、雪、風(fēng)、沙塵等)、目標(biāo)和對象行為模型(包括敵我單位、位移、轉(zhuǎn)向、射擊、戰(zhàn)術(shù)隊(duì)形等)，通過視景引擎構(gòu)建虛擬訓(xùn)練訓(xùn)練場地，并輔以特效、聲音等。采用計(jì)算機(jī)生成兵力技術(shù)，建立藍(lán)軍智能行為模型，生成敵方兵力。

2)炮長視窗仿真軟件

根據(jù)炮長主瞄鏡視窗顯示效果，采用視景仿真軟件進(jìn)行模擬顯示，炮長視窗的倍率、視角以及分劃與實(shí)裝保持一致。

3)火控仿真軟件

實(shí)現(xiàn)對操縱臺信號采集和處理，驅(qū)動視景仿真軟件和炮長視窗仿真軟件，進(jìn)行火控解算，按照射擊操作序列模型，開展觀察測距、瞄準(zhǔn)發(fā)射訓(xùn)練。

4)終端模擬軟件

根據(jù)炮長操作控制設(shè)備情況，提供炮長顯控終端、炮長主瞄鏡、炮塔配電盒等操作界面，其功能響應(yīng)、操作反饋、操作序列和實(shí)裝交互界面一致。

5)車內(nèi)協(xié)同訓(xùn)練

采用計(jì)算機(jī)生成兵力技術(shù)，建立車長和駕駛員自治行為模型和操縱控制模型，根據(jù)訓(xùn)練時間和訓(xùn)練內(nèi)容的推進(jìn)設(shè)置AI的訓(xùn)練動作，進(jìn)行車長和駕駛員的操作動作模擬，實(shí)現(xiàn)車內(nèi)協(xié)同訓(xùn)練。

6)彈道仿真軟件

采用彈道仿真技術(shù)，將炮彈射表數(shù)據(jù)庫錄入到彈道仿真軟件中作為彈道計(jì)算的數(shù)據(jù)庫，采用視景軟件在虛擬戰(zhàn)場環(huán)境中實(shí)現(xiàn)逼真的可視化彈道仿真。

7)訓(xùn)練控制軟件

能夠?qū)τ?xùn)練準(zhǔn)備進(jìn)行設(shè)置，實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練模式選擇、訓(xùn)練條件設(shè)置、訓(xùn)練任務(wù)下發(fā)；能夠?qū)τ?xùn)練過程進(jìn)行控制，可以實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練開始、暫停、繼續(xù)、結(jié)束等過程控制。

8)成績評定軟件

能夠?qū)τ?xùn)練結(jié)果進(jìn)行成績評定，按照專業(yè)技術(shù)教范設(shè)定的訓(xùn)練科目定制評定指標(biāo)的量化參數(shù)和權(quán)重系數(shù)，根據(jù)訓(xùn)練科目的評分標(biāo)準(zhǔn)和操作過程數(shù)據(jù)給出訓(xùn)練成績，能夠?qū)Σ僮骺焖傩?、操作?zhǔn)確度和操作步驟正確性給出客觀的評價。

4 結(jié)論

本便攜裝甲模擬器使成員可以實(shí)現(xiàn)射擊技能訓(xùn)練，能夠?qū)崿F(xiàn)炮長裝彈、測距、跟蹤、瞄準(zhǔn)、擊發(fā)等操作動作過程模擬；實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈裝彈、校準(zhǔn)、擊發(fā)、制導(dǎo)、復(fù)位等動作過程模擬，涵蓋射擊基礎(chǔ)訓(xùn)練和應(yīng)用訓(xùn)練科目的相應(yīng)內(nèi)容。同時因其獨(dú)特的便攜特性，使大規(guī)模聯(lián)網(wǎng)組隊(duì)變得更加經(jīng)濟(jì)易實(shí)現(xiàn)。

在戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練方面，便攜模擬器可以加入到別的仿真系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練。接入綜合式模擬器訓(xùn)練系統(tǒng)后，可以實(shí)現(xiàn)綜合式、便攜式模擬器協(xié)同訓(xùn)練，有利于充分發(fā)揮不同種類模擬器的優(yōu)勢。接入實(shí)裝的訓(xùn)練系統(tǒng)后，可以實(shí)現(xiàn)在實(shí)裝數(shù)量不足的條件下進(jìn)行的大規(guī)模分隊(duì)訓(xùn)練。戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練結(jié)束后，還可以通過評估軟件對仿真訓(xùn)練過程通過校驗(yàn)、驗(yàn)證和確認(rèn)來進(jìn)行系統(tǒng)的仿真可信度評估。