趙育良 黎志強 黃 詰

（海軍航空大學青島校區(qū)，青島266041）

1 引言

作為無人機系統(tǒng)不可或缺的組成部分，無人機地面檢測設備（后簡稱地檢設備）主要用以在地面實施對無人機及機載設備的狀態(tài)檢測，為無人機的放飛提供必要的依據(jù)。所研究的這種無人機地檢設備主要由二次電源、綜合計算機及控制面板組成，整個操作過程包括交流電的供電、直流電源箱啟動、檢測臺供電、綜合計算機供電啟動及電源輸出控制、機載設備檢測等，在檢測過程中地勤人員還要協(xié)同觀察飛機舵面等部件的相應動作，整個檢測過程操作復雜煩瑣，要求嚴格。而這種無人機系統(tǒng)一般四套飛機只有一臺地面檢測設備，如果單純依靠實裝訓練，不可避免會損害裝備影響其使用壽命，訓練費效比高，訓練時常被迫降低訓練難度，簡化訓練程序，影響訓練效果?；诖?，研制一套模擬仿真訓練系統(tǒng)，為受訓者提供一個極為逼真的訓練環(huán)境，使受訓者最大限度地得到接近現(xiàn)實場景的訓練，顯得尤為重要。當前，針對不同的應用場景，國內(nèi)外有Virtools、VegaPrime、Quest3D、Unity3D、EON 等多種三維仿真開發(fā)平臺，這些不同的平臺在各自不同的領域有著各自的優(yōu)勢，但也不同程度存在短板。如Virtools 對CAD 模型支持和管理不夠，VegaPrime 多用于視景開發(fā)但交互性差，Quest3D 兼容整合性差。相對而言，EON 對于機載及地面設備模擬通電及拆裝訓練則有著獨特的優(yōu)勢，雖然其視景效果有限，但其在面片的管理、軟件兼容性等方面優(yōu)勢明顯，且提供EonX 標準插件供高級語言平臺調(diào)用，具有較好的二次開發(fā)能力和交互性，是公認的整合性、延展性較好的虛擬現(xiàn)實開發(fā)平臺之一?；诖?，本項目以C＃為平臺，基于EON 和LabWindows/CVI 研制了一套基于桌面的地檢設備的模擬仿真訓練系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用分布計算的C/S 體系結構，利用UDP 協(xié)議進行通訊，實現(xiàn)各客戶端的協(xié)同控制，可同時供多用戶單獨或協(xié)同訓練。

2 系統(tǒng)總體設計［1～6］

整個模擬仿真訓練系統(tǒng)以C＃為平臺，采用分布計算的C/S 體系結構設計實現(xiàn)，系統(tǒng)將人機交互、數(shù)據(jù)解析及邏輯解算分別在不同的進程中在服務器端進行計算，這樣可保證人機交互的實時性與系統(tǒng)邏輯的可靠和一致性。用戶通過客戶端程序實現(xiàn)人機交互，并將操作內(nèi)容以預置變量的形式實時發(fā)送至服務器，服務器則通過預置邏輯對動作解算響應利用UDP 協(xié)議與客戶端進行通訊，通過SOCKET 接收服務器端數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)解析獲得當前無人機及地檢設備各子系統(tǒng)組件的工作狀態(tài)，并利用數(shù)據(jù)驅動客戶端相應面板及操作界面顯示相應狀態(tài)。根據(jù)分布式原則，只要網(wǎng)內(nèi)有客戶端接入服務器，即可隨時加入該組，實時動態(tài)操作并顯示動態(tài)畫面。對于機場、無人機及地面檢測設備，為了便于管理及交互設計實現(xiàn)，系統(tǒng)選用3dsMax 建立仿真對象的物理模型，通過EON Studio 實現(xiàn)三維視景下的交互操作及狀態(tài)顯示，而對于綜合計算機檢測畫面，為了與原設備完全一致，系統(tǒng)則通過LabWindows/CVI 設計實現(xiàn)，針對本客戶端軟件的完整性，系統(tǒng)將該模擬封裝成一個動態(tài)鏈接庫進行調(diào)用，并通過C＃平臺進行數(shù)據(jù)中轉，實現(xiàn)服務器與客戶端、三維場景與動態(tài)鏈接庫之間的數(shù)據(jù)交互。為了更好地適應無人機保障維護人員的實際訓練需求，這種無人機地檢模擬仿真訓練系統(tǒng)還設置了資料檢查、外部檢查、仿真拆裝、仿真通電及系統(tǒng)管理等功能模塊，本文重點論述仿真通電的技術實現(xiàn)，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體組成框圖Fig.1 System overall composition diagram

3 系統(tǒng)技術實現(xiàn)

如上所述，本系統(tǒng)是以C＃為開發(fā)平臺結合EON和LabWindows/CVI 實現(xiàn)的。其突出特點主要有三點：一是針對機載及地面設備保障訓練需求，基于COM 標準組件和動態(tài)鏈接庫的二次開發(fā)思想，構建了一套人機交互強的模擬訓練平臺；二是為了實現(xiàn)動態(tài)圖形化界面并提升其易操作性，綜合運用COM 組件和Windows 消息攔截技術，利用ShockWave 控件在C＃中調(diào)用flash 導航程序，制作軟件導航系統(tǒng)；三是為了提升地檢設備操作畫面的逼真度，系統(tǒng)采用與原裝備完全一致的LabWindows/CVI 實現(xiàn)復雜的檢測操作面板二維仿真畫面開發(fā)，封裝成標準動態(tài)鏈接庫后供C＃平臺調(diào)用。具體技術實現(xiàn)如下：

3.1 建立仿真模型

根據(jù)本系統(tǒng)的功能設計需求，系統(tǒng)模型主要包括無人機（含可活動舵面、副翼）、地面檢測車（含車內(nèi)必要配套設備）、檢測臺、機場及機庫等。由于3ds Max 具有強大的建模和貼圖功能，而且EON Studio 還專門提供了專用插件，不僅能將模型直接導出標準EON 格式，且能較好的保留貼圖及預設動畫信息，因此本系統(tǒng)采用3ds Max 作為建模工具。與日常見到的效果圖及動畫制作相區(qū)別，由于需要對仿真模型在仿真環(huán)境下進行實時渲染，因此對模型有更高的要求，既要有逼真的外形，又到做到盡可能少的面片數(shù)。

在建模及模型優(yōu)化的過程中要關注以下幾個方面：一是在不影響外形的情況下用盡量少的面片數(shù)。在建模過程中盡量少用布爾運算、放樣等操作，盡量通過點、線、面的拉伸、擠出等操作構建復雜模型，且注意區(qū)分視景中的主體及非主體模型，在視景中看不到的面片盡量刪除，不影響顯示效果盡量少分段，確保用最少的面片展現(xiàn)最優(yōu)的模型。另外EON 為了優(yōu)化貼圖調(diào)入效率，要求將其集中置于2×2的一張圖上。二是在模型制作前就要規(guī)劃分組并合理命名，這樣通過插件轉換后會帶入EON 文件，便于后續(xù)的模型管理及調(diào)用。三是為了提升用戶體驗，保證系統(tǒng)的場景和操作的逼真性，構建的可視化物理模型必須做到與仿真對象高度一致，做到照片級的質(zhì)量，而且盡可能優(yōu)化，以增加交互實時性。

3.2 仿真實現(xiàn)

根據(jù)設計要求，仿真通電系統(tǒng)在形象直觀地將裝備各個部分的3D 模型、通電操作、通電現(xiàn)象展現(xiàn)給受訓者同時，還需具備指導訓練、記錄訓練過程、訓練過程監(jiān)控、訓練考核與管理等功能。為了實現(xiàn)上述功能，在軟件的開發(fā)過程中，需要完成用于用戶、訓練過程及相關技術數(shù)據(jù)管理的數(shù)據(jù)庫設計，根據(jù)三維交互仿真需求，完成機場環(huán)境、飛機及其部件以及測試設備等仿真對象3D 制作，在此基礎上，在EON Studio環(huán)境下進行行為邏輯模型編寫，而復雜的檢測操作面板二維仿真畫面則利用LabWindows/CVI 開發(fā)實現(xiàn)，封裝成標準動態(tài)鏈接庫后供C＃平臺調(diào)用，最終在C＃平臺下，對二三維的仿真模塊進行二次開發(fā)，實現(xiàn)其信息交互與響應，依據(jù)訓練大綱，完成仿真程序開發(fā)。其仿真實現(xiàn)過程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)仿真實現(xiàn)過程Fig.2 System simulation process

3.2.1 三維仿真環(huán)境實現(xiàn)

如上所述，本系統(tǒng)是利用3DMax 完成仿真對象三維物理模型制作的，通過EonRaptor 插件將模型導出成EON 標準格式（*.eoz）。為了適用Win7 操作平臺，系統(tǒng)采用EON7.0 進行開發(fā)。在EON 平臺下，打開導出的模型后，會將模型分組、預設動作等帶入，并自動生成視景漫游控制程序，用戶可調(diào)整漫游方式，并根據(jù)實際需要對三維視景的參數(shù)進行調(diào)整。在此基礎上，根據(jù)預先編制的仿真邏輯腳本，利用EON 提供的豐富的節(jié)點，按照無人機地檢流程，實現(xiàn)與實際訓練操作規(guī)程一致的交互操作，并按照設備工作原理同步顯示相關通電現(xiàn)象（指示燈及舵面偏轉等）。對于一些簡單的操作邏輯可通過Place、Latch、ClickSensor、TimeSensor、Rotate 等節(jié)點實現(xiàn)，而對于復雜動作或操作邏輯，則需通過系統(tǒng)提供的Script 節(jié)點，采用JavaScript 腳本語言實現(xiàn)，用戶可根據(jù)實際需要自定義輸入輸出接口，并編寫響應函數(shù)，實現(xiàn)與封裝節(jié)點的交互響應。EON 軟件利用其傳感器節(jié)點（如ClickSensor）感知接收用戶利用鼠標或鍵盤完成的操作，然后將對應的事件消息（如LeftButtonDown）通過內(nèi)部路由傳送至相應的功能節(jié)點（如Place）或Script 節(jié)點等，實現(xiàn)對消息的響應或處理，驅動模型按照相應的邏輯動作或改變屬性，并通過顯示、音頻等輸出設備將結果反饋給用戶，從而達到三維仿真環(huán)境下交互操作的目的。這一過程的基本原理如圖3所示。為了便于操作者在三維視景下漫游操作，系統(tǒng)加入EON 提供的WalkAbout 節(jié)點，并通過該節(jié)點的相關屬性依據(jù)用戶的操作習慣設置漫游操控的鼠標及鍵盤、漫游速度、旋轉速率、視角方向等。同時系統(tǒng)還利用CollisionObject 節(jié)點實現(xiàn)對于仿真環(huán)境的碰撞檢測，加強用戶的體驗感。圖4 是本軟件EON 環(huán)境下三維仿真實現(xiàn)傳輸邏輯圖，這是整個系統(tǒng)開發(fā)的核心，直接關系到與應用程序的仿真流程及接口通信邏輯。

圖3 EON 基本邏輯原理圖Fig.3 EON basic logic diagram

圖4 EON 節(jié)點傳輸邏輯圖Fig.4 EON node transmission logic diagram

3.2.2 二維仿真動態(tài)畫面實現(xiàn)

由于這種無人機的地面綜合檢測設備的動態(tài)檢測畫面是利用LabWindows/CVI 開發(fā)的，因此為了體現(xiàn)仿真訓練系統(tǒng)的逼真度，給訓練者更加真實的體驗，本系統(tǒng)的地檢二維仿真畫面亦是通過該軟件開發(fā)實現(xiàn)的，整個仿真界面利用LabWindows/CVI提供的標準控件搭建，其數(shù)據(jù)顯示與操作交互完全與原設備一致，如圖5所示。考慮到動態(tài)鏈接庫具有很好的可移植性和通用性，系統(tǒng)將仿真程序以動態(tài)鏈接庫（Dynamic Link Library，DLL）的形式封裝為一種通用的基于Windows 的程序模塊，方便在第三平臺的調(diào)用與數(shù)據(jù)交互，滿足信息交互的需求，系統(tǒng)還自定義了InitForm 和DataTrans 兩個接口函數(shù)。LabWindows/CVI 封裝動態(tài)鏈接庫文件的操作如下：一是將源程序中的主函數(shù)Main 用DllMain 替代，方法是利用功能菜單【Edit】 ｜ 【Insert Construct】 ｜【DLLMain】實現(xiàn)；二是利用功能菜單【Build】 ｜【Target Type】 ｜【Dynamic Link Library】打包DLL 文件。

圖5 綜合檢測軟件仿真界面Fig.5 Comprehensive detection software simulation interface

3.3 客戶端仿真環(huán)境集成［16］

由于客戶端程序最終以C＃為平臺進行開發(fā)，因此，需要通過調(diào)用COM 組件或動態(tài)鏈接庫的形式對上述子仿真程序進行封裝，并按預置的仿真邏輯設置相關通訊接口的信息交互屬性及響應函數(shù)。

對于三維仿真模塊，當基于EON 環(huán)境的通電仿真邏輯完成后，可保存為標準的eoz 格式，但為了保護文件的安全，可將其發(fā)布成*.edz 格式文件，利用標準COM 組件實現(xiàn)在C＃中的調(diào)用，利用預設接口，通過預先封裝的事件響應方法，對EON 的二次開發(fā)實現(xiàn)信息的交互與響應。要實現(xiàn)這一步必須借助EonX 控件，EonX 是EON 提供給二次開發(fā)平臺（即C＃）的通信接口，通過它可以把預先完成的行為模型顯示在C＃平臺中，進行正常瀏覽。需要注意的是對于64 位Win7 以上平臺下，必須使用EonX7.0 及以上控件才能支撐?？丶ㄟ^EON 內(nèi)部的路由輸入接口接受C＃平臺的發(fā)送的輸入消息，實現(xiàn)對外來指令的響應，同時，EON 亦可利用輸出接口向C＃平臺輸出消息，完成這一交互過程是通過EONX 中封裝的事件響應接口——InEvent 和OutEvent 實現(xiàn)的。

而對于LabWindows/CVI 動態(tài)鏈接庫，需要采用以下方式進行調(diào)用，并設置接口函數(shù)入口并聲明要使用的函數(shù)。

［DllImport（＂SimFormDll.dll＂，EntryPoint ＝ ＂InitForm＂）］

static extern int InitForm（）；//面板調(diào)入函數(shù)

static extern void DataTrans（ushort［］inputdata，ushort［］outputdata）；//數(shù)據(jù)通信接口函數(shù)

如圖6所示。

圖6 EON、動態(tài)庫與C＃的接口關系Fig.6 Interface relationship between EON，dynamic library and C＃

4 系統(tǒng)集成及測試

4.1 系統(tǒng)構建及交互界面設計

用戶交互界面與導航對于用戶的使用體驗非常重要，一個好的人機交互界面往往能夠提高用戶的操作和訓練效果，尤其對于基層部隊用戶，這一點顯得尤為重要。因此考慮到界面的美觀和易操作性，軟件采用flash 制作軟件導航系統(tǒng)，利用ShockWave 控件在C＃中調(diào)用，在此基礎上整合上述第三方插件，綜合實現(xiàn)系統(tǒng)構建。為了避免Flash右鍵菜單對用戶帶來的困擾，系統(tǒng)還通過截獲鼠標右鍵響應消息的方式，將其屏蔽。為了能更好的服務于一種無人機裝備保障訓練，系統(tǒng)還設置了資料檢查、外部檢查、仿真拆裝及系統(tǒng)管理等功能模塊，系統(tǒng)導航界面和仿真三維仿真環(huán)境效果如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)導航界面和仿真三維仿真環(huán)境Fig.7 System navigation interface and simulation 3D simulation environment

4.2 系統(tǒng)測試

按照系統(tǒng)方案的技術指標要求及相關測試大綱，對系統(tǒng)進行了測試。通過導航界面進入一種無人機通電檢查的仿真環(huán)境，并可利用快捷鍵在環(huán)境中進行漫游，觀察機場、飛機及相關車輛和測試設備。經(jīng)測試，系統(tǒng)可根據(jù)預設的邏輯，利用鍵盤、鼠標等輸入設備在虛擬環(huán)境下依據(jù)相關規(guī)程要求進行規(guī)范的檢測操作，并利用特定視窗觀察相關動作和現(xiàn)象，整個任務覆蓋率達到90%以上。系統(tǒng)各級導航界面友好，操作程序、方法及相關邏輯準確，二三維仿真環(huán)境的響應與顯示實時正確；系統(tǒng)響應時間達到預設要求，能夠滿足用戶視覺需要，無停頓感和交互延遲感；系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，48 個小時以上的連續(xù)運行測試未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象；系統(tǒng)操作簡便，鍵盤和鼠標鍵的功能定義合理，符合用戶的常規(guī)操作習慣；系統(tǒng)仿真環(huán)境逼真，各子系統(tǒng)之間的通信響應正常，能夠完成一種無人機地檢全流程仿真操作，符合設計要求。

5 結束語

本文針對一種無人機訓練手段缺乏的問題，提出并實現(xiàn)了無人機地檢模擬仿真訓練系統(tǒng)研制，重點論述了系統(tǒng)總體構成及仿真通電檢查模塊的設計與實現(xiàn)。系統(tǒng)以C＃為主平臺，對EON 和LabWindows/CVI 仿真程序模塊進行二次開發(fā)，實現(xiàn)了通用仿真平臺設計及一種無人機地檢設備的仿真邏輯，能夠按照設計要求實現(xiàn)基于維護規(guī)程的全流程仿真操作，該系統(tǒng)的研制，較好的解決了相關設備訓練手段缺乏的難題，為裝備能力的提升提供了重要支撐。