李玉斌

(中國直升機設計研究所,江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

裝備性能可以分為裝備作戰(zhàn)性能和保障性能。發(fā)揮裝備作戰(zhàn)性能的相關活動稱為運用,與保障性能有關的活動稱為保障。裝備訓練保障是為使裝備運用訓練順利實施而采取的各種措施和進行的相應活動的統(tǒng)稱,主要包括經(jīng)費保障、場地保障、器材保障、技術保障、物資保障、機務保障等。武器裝備越先進,自動化程度越高,其對訓練保障的依賴性就越強。要充分發(fā)揮無人直升機系統(tǒng)艦船使用效能,形成戰(zhàn)斗力,必須依賴龐大而復雜的無人直升機艦船使用場景訓練保障系統(tǒng),完成對無人直升機系統(tǒng)在艦船使用執(zhí)行任務時的綜合檢測、故障檢測維修、勤務保障、指揮調(diào)度、模擬訓練、轉(zhuǎn)場運輸?shù)裙δ?提供無人直升機系統(tǒng)艦船使用日常維護。

傳統(tǒng)的保障人員訓練方法主要依靠實裝,不僅耗費較大,且無法解決裝備數(shù)量和更新速度不能滿足機務人員實際訓練需要的問題。近年來,隨著虛擬現(xiàn)實技術的興起與不斷發(fā)展,以及對各種飛行器模型、場景等的精確構建,以虛擬現(xiàn)實技術為手段來進行各種有人及無人飛行器操縱的研究成為可能和必要。按照美國國防部的定義,虛擬仿真是指“真實的人在虛擬環(huán)境中操縱虛擬的系統(tǒng)”而進行的仿真。在虛擬仿真中,每個戰(zhàn)爭實體均以虛擬對象的形式出現(xiàn),這些虛擬對象通過虛擬環(huán)境被合成到統(tǒng)一的戰(zhàn)爭空間中,從而達到戰(zhàn)爭仿真的目的。

我國無人直升機裝備建設起步較晚,在無人直升機裝備保障、管理和訓練方面存在許多不足,與裝備發(fā)展尚不完全匹配,如果不加以解決,將影響到無人直升機作戰(zhàn)能力的生成與持續(xù)發(fā)揮,阻礙無人直升機裝備的作戰(zhàn)使用和建設發(fā)展。

本文以無人直升機艦船使用為對象開展訓練保障虛擬仿真設計研究。無人直升機艦船使用訓練保障虛擬仿真,就是依靠計算機創(chuàng)建以大型艦船為背景的虛擬現(xiàn)實環(huán)境,包括無人直升機、運輸保障車、測控車等裝備,相關設備和保障人員的真實仿真,通過人機交互再現(xiàn)無人直升機艦船使用保障流程的全過程。在虛擬仿真系統(tǒng)中,可以打破空間、時間的限制,完全、自由地置身于仿真的訓練場景中,獲得逼真的操作感受。利用虛擬仿真系統(tǒng),保障人員可以足不出戶進行反復操作訓練,直至完全掌握維護技能,熟悉操作流程。不會因設備、場所、經(jīng)費短缺而影響訓練,也不會怕?lián)p壞實裝而減少訓練強度,從一定程度上節(jié)省了訓練經(jīng)費。

1 仿真模型與虛擬場景創(chuàng)建

1.1 虛擬環(huán)境的實現(xiàn)方式

采用基于OpenGL接口的方式來完成虛擬環(huán)境的實現(xiàn)。OpenGL具有很強的圖形處理能力,是行業(yè)領域中最受廣泛接納的 2D/3D 圖形 API,自誕生至今已催生了各種計算機平臺及設備上的數(shù)千優(yōu)秀應用程序。OpenGL是獨立于操作系統(tǒng)的,亦是網(wǎng)絡透明的。

使用OpenGL進行開發(fā)具有很強的可移植性。由于它是個與硬件無關的軟件接口,可以在不同的平臺如Windows、Unix、Linux、Mac OS、OS/2之間進行移植,因此支持OpenGL的軟件具有很好的移植性,可以獲得非常廣泛的應用。由于OpenGL是底層圖形庫,沒有提供幾何實體圖元,故不能直接用以描述場景,但通過轉(zhuǎn)換程序可以很方便地將AutoCAD、3DS/3DSMAX等3D圖形設計軟件制作的模型文件轉(zhuǎn)換成OpenGL的頂點數(shù)組,符合訓練保障虛擬仿真系統(tǒng)的開發(fā)需求[1]。

1.2 模型數(shù)據(jù)結(jié)構的構建

根據(jù)虛擬仿真系統(tǒng)對數(shù)據(jù)結(jié)構的需求,對零件模型數(shù)據(jù)結(jié)構進行合理的設計,采用對各種模型數(shù)據(jù)信息歸納分類的方式進行系統(tǒng)模型數(shù)據(jù)結(jié)構組織。其數(shù)據(jù)結(jié)構組成如圖1。將各種模型數(shù)據(jù)信息抽象為五大類,分別是幾何信息、模型位姿信息、行為信息、約束關系信息和物理屬性信息。幾何信息包括幾何特征信息、幾何要素信息及幾何要素拓撲關系信息,即具體加工特征和尺寸參數(shù);模型位姿包括模型位置坐標和方向信息,即零件模型的空間位姿矩陣;行為信息包括裝配順序、裝配路徑、運動方式等;約束關系包括零件之間的裝配或接觸關系,如貼合、對齊、相切、插入等;物理屬性信息則主要包括零件自身的非外形特征屬性,如代號、技術要求、設計版本、材料、紋理、類型等。上述信息分類對單個零件和多個零件組成的部件同樣有效。

圖1 模型數(shù)據(jù)結(jié)構簡圖

1.3 模型的建立

虛擬仿真過程是以保障對象及其相關設備的三維實體模型為基礎,因此,三維建模是虛擬仿真訓練保障系統(tǒng)設計的核心。三維模型的構建可以二維圖紙和測繪為依據(jù),利用三維建模軟件建模得到,如圖2-圖4。

圖2 無人直升機模型

模型創(chuàng)建之后,需要對模型進行相關的配置,搭建起仿真的虛擬場景。在這個虛擬場景中,對模型進行控制,一般要加入地形效果、海洋、天空、光等等,就是要完善一下模型運行環(huán)境,提高虛擬環(huán)境的真實度,讓觀察者更容易接受。

2 訓練保障虛擬仿真系統(tǒng)軟件開發(fā)

采用基于OpenGL接口的方式開發(fā)無人直升機艦船使用訓練保障虛擬仿真系統(tǒng)軟件,實現(xiàn)場務準備、機務準備、測控車準備和無人機起飛降落等訓練保障的仿真。其主要功能如下:

1)飛行任務單參數(shù)輸入:給出滿足無人直升機起降條件要求的氣象條件,完成訓練保障科目所需的設備等;編制依據(jù),試驗/試飛內(nèi)容和步驟以及無人直升機的準備流程等。

2)場務準備:通過運輸保障車內(nèi)的拖車實現(xiàn)無人機的裝卸;場務人員通過推動推機點將無人直升機推至艦面甲板的規(guī)定起飛位置。

3)機務準備:按照各檢查站位點順次完成無人直升機的各部位的飛行前檢查;飛行前檢查結(jié)束后加注燃油/滑油。

4)測控準備:無人機準備就緒后,一名飛行指揮員用電腦通過串口通信與無人機連接,從而獲取起飛點位置坐標,加載航路點。

5)飛行:無人直升機在做好場務準備、機務準備和測控準備后,隨即從艦面上起飛,在測控車內(nèi)測控人員的控制或監(jiān)控下進行飛行訓練。

2.1 總體結(jié)構設計與詳細設計

采用自頂而下的設計方法進行系統(tǒng)總體結(jié)構設計。其任務是設計系統(tǒng)的框架和概貌,主要工作包括:根據(jù)系統(tǒng)需求分析,確定整個系統(tǒng)的體系結(jié)構并劃分子系統(tǒng);確定子系統(tǒng)的模塊結(jié)構;配置軟件開發(fā)和運行的軟、硬設備;確定數(shù)據(jù)(三維模型和其他相關信息)的存貯方式;對整個系統(tǒng)實現(xiàn)的規(guī)劃等。詳細設計主要包括處理過程設計、代碼設計、界面設計、數(shù)據(jù)庫設計、輸入輸出設計等。

2.2 數(shù)據(jù)接口的實現(xiàn)

系統(tǒng)需要的模型文件從其它三維設計軟件中導入。導入的數(shù)據(jù)主要可以分為三部分:模型圖形信息、模型特征信息和裝配信息。

模型圖形信息的導入,由于三維設計軟件自身的文件格式都是保密的,必須通過中性文件進行轉(zhuǎn)換操作,因此在系統(tǒng)中,需要開發(fā)相應的中性文件導入接口。

模型特征信息的識別和獲取,這個過程無法在模型導入后完成,但可以在建模軟件中進行。具體方法是對建模軟件進行一定程度的二次開發(fā),生成特征識別功能,并將特征信息按照一定格式輸出。在進行模型導入的時候,圖形信息和特征信息必須同時導入,并進行可靠性校驗。

裝配信息的導入可以采用兩種方法:一種是采用對建模軟件進行二次開發(fā)的方法,直接進行裝配信息讀取,優(yōu)點是操作簡單,但在實際過程中,可能產(chǎn)生兼容性錯誤;另一種方法是,將零件模型導入系統(tǒng)之后進行重新裝配,在系統(tǒng)內(nèi)部進行裝配記錄,優(yōu)點是靈活準確[2]。

2.3 人機交互

人和虛擬環(huán)境的交互主要包括以下三個方面:

1)可視性:交互動作能夠在虛擬環(huán)境下生成和顯示。

2)可感知性:虛擬環(huán)境能感覺到人的存在和交互動作。

3)可理解性:虛擬環(huán)境能夠理解輸入的交互操作,并據(jù)此做出符合規(guī)則、規(guī)范的反應。

其中第一方面在虛擬環(huán)境生成時已經(jīng)部分實現(xiàn);其他兩方面的實現(xiàn),其關鍵是序列檢索識別、模型空間變換、模型空間拾取和模型碰撞檢測。

序列檢索識別是對輸入的鼠標鍵盤序列進行識別,并與預定義的標準操作序列進行比較和匹配,從而理解用戶輸入意圖,執(zhí)行相應的處理程序。

模型空間變換是指模型相對固定空間進行任意旋轉(zhuǎn)、縮放操作,使之產(chǎn)生期望中的變化,可以通過Open GL實現(xiàn)。

模型的拾取是指通過輸入設備(鼠標、鍵盤)在虛擬環(huán)境中選取某個模型,以作為后續(xù)操作對象的過程。其主要技術思路是根據(jù)輸入設備的屏幕坐標,通過投影矩陣和觀察矩陣把該坐標轉(zhuǎn)換為通過視點和輸入設備的一條射入場景的光線,與該光線最先相交的模型,即為拾取對象。

碰撞檢測主要應用于模型的裝配過程,用以判斷兩模型之間是否存在形狀干涉。目前常用的方法包括頂點干涉檢查法和包圍盒法等。這些方法都存在不同的缺點,或者檢測速度不夠理想,或者存在誤差。可以綜合采用多種方法進行碰撞檢測,在兼顧效率的情況下,盡量提高檢測精度[3]。

2.4 仿真界面的設計和功能設置

界面設計是應用程序的重要部分,是進行人機交互的主要通道。界面設計得是否合理是衡量視景仿真功能的一個重要標準。合理的設計可以讓觀察使用者最大程度地發(fā)揮出系統(tǒng)的效用。

仿真界面的布局可分為三部分:左側(cè)為指令控制區(qū),指令包括飛行任務單、飛行準備(場務準備、機務準備和測控準備)、無人機至起飛點、飛行、視角(現(xiàn)場總指揮、機務人員、場務人員、飛機和全景等)和退出命令等;右側(cè)設有即時信息顯示窗口,顯示人員崗位說明及資源配置信息;指令區(qū)和信息顯示窗口可以在鼠標操作下進行拖動;剩下的整個區(qū)域為視景展示區(qū)域。

仿真界面可以實現(xiàn)如下功能:

1)觀察視角的變化

主要是控制視景展示區(qū)域內(nèi)視角位置的變化,在訓練保障仿真流程進行的同時,使用者可以切換到以下視角分別進行觀察和交互操作:現(xiàn)場總指揮、飛行指揮員、測控指令員、飛行操作員、任務監(jiān)控員、機務人員、場務人員、飛機以及全景(見圖5)。

圖5 視角操作菜單

2)訓練保障仿真流程實現(xiàn)

打開無人直升機艦船使用虛擬仿真系統(tǒng)后,如圖6所示,通過依次點擊指令控制區(qū)的各按鈕,交互操作,可以實現(xiàn)以下功能:飛行任務指令的下達,飛行準備中的場務準備、機務準備和測控車準備,飛行仿真演示(見圖6)。

圖6 指令菜單

3 訓練保障虛擬仿真試驗

3.1 飛行任務下達

打開訓練保障虛擬仿真系統(tǒng)后,點擊指令中的飛行任務單,下達飛行任務指令,生成此次任務的飛行任務單。飛行任務單中選項包括:飛行需要條件、完成科目所需設備、儀器、編制依據(jù)、試驗/ 試飛內(nèi)容和步驟以及無人直升機的準備流程。

圖7 飛行任務單

3.2 場務準備

1)從運輸保障車上卸下無人直升機,場務人員通過拖車將無人直升機從運輸保障車中卸下,如圖8所示(前視圖)。

2)場務人員通過推動推機點將無人直升機推至艦面甲板上的規(guī)定起飛位置,如圖9所示。

3.3 機務準備

機務準備主要是負責完成無人直升機試飛前后的安全檢查,就是按機務檢查站位圖及檢查內(nèi)容完成飛行前檢查。要求按圖10所示檢查工作站位順次檢查無人直升機各部位。飛行前檢查仿真過程如圖11所示。飛行前檢查結(jié)束后,可以按飛行任務要求加注燃油/滑油。

圖10 檢查工作站位示意圖

圖11 飛行前檢查仿真

3.4 測控準備及飛行仿真

測控準備及飛行仿真包括二部分內(nèi)容,分別是獲取起飛點坐標和加載航路點。無人直升機準備完畢后,測控車內(nèi)的飛行操作人員操作控制無人直升機起飛。

3.5 試驗結(jié)論

訓練保障虛擬仿真試驗證明,該仿真系統(tǒng)具有以下功能:

1)可實現(xiàn)打開訓練保障演示仿真系統(tǒng)后,按飛行任務指令要求生成飛行任務單;

2)可實現(xiàn)場務準備,包括運輸保障車卸下無人直升機和推動無人直升機至起飛點;

3)可實現(xiàn)機務準備,即按機務檢查站位圖及檢查內(nèi)容完成飛行前檢查;

4)可實現(xiàn)測控車準備,包括獲取起飛點坐標和航路點加載;

5)可實現(xiàn)當無人機各項準備完畢后,演示在測控車內(nèi)飛行操作人員的操作下,控制無人直升機的起飛。

試驗結(jié)果也證明該系統(tǒng)具有良好的人機交互界面、導航和在線幫助功能,對無效操作具有拒絕功能,運行穩(wěn)定、可靠。

4 結(jié)束語

利用訓練保障虛擬仿真系統(tǒng)進行無人機操作訓練,能夠有效克服實裝訓練中存在的問題,且經(jīng)濟、智能、可重用。與傳統(tǒng)訓練方法相比,虛擬訓練保障方法具有如下優(yōu)點:

1)展示直觀:與傳統(tǒng)講解方式比較,虛擬訓練系統(tǒng)更易于理解,使用三維仿真環(huán)境并通過各種交互操作能夠真實再現(xiàn)訓練保障流程的全過程。

2)訓練效果好:虛擬訓練系統(tǒng)包括無人機訓練保障流程的全過程,受訓人員可以不受次數(shù)限制地反復熟悉訓練保障流程,訓練效果將大大提高。

3)使用方便、維護簡單,受訓人員數(shù)量和操作時間可以得到充分保證:虛擬系統(tǒng)沒有場地要求,可以供培訓學員隨時使用,在系統(tǒng)完成之后,只需要少量的系統(tǒng)維護人員即可持續(xù)使用。

4)安全性高:訓練保障虛擬仿真系統(tǒng)不會發(fā)生人員或設備事故,訓練的安全性非常高。

5)訓練成本低:作為綠色維修系統(tǒng),所需的一次性投入為系統(tǒng)設計和PC機購買費用,后續(xù)的消耗和維護費用極低。

系統(tǒng)同時具有數(shù)據(jù)和功能兩方面的可擴展性,可以根據(jù)培訓使用過程中出現(xiàn)的新需求進行后續(xù)升級,添加新的功能,具有廣闊的應用前景。