賀珍妮 楊軍

隨著現(xiàn)代化信息手段的發(fā)展，虛擬訓(xùn)練已經(jīng)成為實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練的一種重要輔助手段[1]。某型炮射導(dǎo)彈訓(xùn)練系統(tǒng)具有操作過程復(fù)雜、設(shè)備造價(jià)昂貴和工作壽命有限等特點(diǎn)，而實(shí)裝操作訓(xùn)練會(huì)造成裝備的損耗，并且由于訓(xùn)練環(huán)境、裝備數(shù)量、訓(xùn)練經(jīng)費(fèi)等條件限制，極大地制約了部隊(duì)實(shí)裝訓(xùn)練的開展。因此研發(fā)虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)具有重要意義。本文以某型車載炮射導(dǎo)彈為研究對(duì)象，研發(fā)了基于SolidWorks和LabVIEW的虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)，該系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)上模擬了裝備整個(gè)訓(xùn)練的操作流程和動(dòng)作要領(lǐng)，通過訓(xùn)練可使受訓(xùn)人員快速掌握射擊的方法和技巧。

一、總體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)訓(xùn)練科目的目標(biāo)和要求，模擬射手射擊時(shí)的真實(shí)場(chǎng)景，在滿足操作界面真實(shí)性、訓(xùn)練方法正確性、虛擬現(xiàn)實(shí)一致性的基礎(chǔ)上，對(duì)虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化界面顯示、完善程序設(shè)計(jì)、增加訓(xùn)練功能，制定了虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)的仿真功能和技術(shù)指標(biāo)，“瞄準(zhǔn)-擊發(fā)-跟蹤-命中”虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)分為虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境、三維模型顯示、裝備操作、運(yùn)動(dòng)控制、邏輯判斷五個(gè)組成部分。基于LabVIEW的虛擬儀器技術(shù)是一種高效圖形化虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)[2]，建立該虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)，總體組成如圖1所示。

圖1 ：射擊虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)總體組成圖

圖2： 瞄準(zhǔn)-擊發(fā)-跟蹤-命中循環(huán)過程

二、三維場(chǎng)景創(chuàng)建

（一）WRL 三維模型構(gòu)建

在熟悉掌握反坦克導(dǎo)彈操作原理和動(dòng)作要領(lǐng)后，為了使受訓(xùn)人員真實(shí)感受訓(xùn)練場(chǎng)景，根據(jù)搭建虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)所需模型，在SolidWorks中利用相關(guān)技術(shù)構(gòu)建瞄準(zhǔn)鏡、瞄準(zhǔn)線、導(dǎo)彈等三維模型，將其保存為WRL格式，并選擇輸出單位為毫米，運(yùn)用LabVIEW中的三維控件和調(diào)用節(jié)點(diǎn)調(diào)用三維模型。

（二）三維場(chǎng)景構(gòu)建

在LabVIEW程序面板使用創(chuàng)建對(duì)象和三維圖片顯示控件函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)三維場(chǎng)景，然后選擇路徑加載VRML文件函數(shù)加載模型，再調(diào)用節(jié)點(diǎn)函數(shù)將對(duì)象添加到三維場(chǎng)景中。模型的加載方式有“串聯(lián)”和“并聯(lián)”兩種加載方法[3]。

三、程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

某型炮射導(dǎo)彈系統(tǒng)主要由瞄準(zhǔn)裝置、制導(dǎo)控制裝置、彈體環(huán)節(jié)等部件組成。當(dāng)導(dǎo)彈完成系統(tǒng)檢查后，射手通過瞄準(zhǔn)鏡搜索目標(biāo)，將瞄準(zhǔn)鏡內(nèi)十字線對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)并按下發(fā)射按鈕后導(dǎo)彈飛出。此后制導(dǎo)控制裝置實(shí)時(shí)測(cè)量出導(dǎo)彈偏離瞄準(zhǔn)線的偏差[4]。制導(dǎo)控制裝置按規(guī)定的數(shù)學(xué)模型，形成修正導(dǎo)彈飛行偏差的控制信號(hào)，控制彈體飛行，消除導(dǎo)彈的飛行偏差，保持導(dǎo)彈沿瞄準(zhǔn)線飛行，直到命中目標(biāo)。

在導(dǎo)彈“瞄準(zhǔn)-擊發(fā)-跟蹤-命中”過程中需要對(duì)操作者的鼠標(biāo)鍵盤實(shí)時(shí)響應(yīng)，同時(shí)各訓(xùn)練環(huán)節(jié)按照時(shí)間順序進(jìn)行有序的狀態(tài)切換，所以程序設(shè)計(jì)采用LabVIEW中的狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)，共分9個(gè)狀態(tài)：初始化、流程訓(xùn)練、瞄準(zhǔn)擊發(fā)、導(dǎo)彈跟蹤、命中判斷、超出范圍、成功命中、錯(cuò)誤提示、結(jié)束程序。其中，初始化模塊主要設(shè)置目標(biāo)靶坦克的運(yùn)動(dòng)模式、物理環(huán)境引擎參數(shù)、導(dǎo)彈命中范圍等。操作流程訓(xùn)練模塊主要是利用LabVIEW自定義控件實(shí)現(xiàn)與實(shí)裝一一對(duì)應(yīng)的開關(guān)、按鈕、指示燈等設(shè)備的操作，采用了基于操作-響應(yīng)模型的IPCА（Intelligent Process Control Аgent）設(shè)計(jì)，對(duì)射手操作合法性進(jìn)行判斷，訓(xùn)練射手正確完成導(dǎo)彈擊發(fā)前的各項(xiàng)準(zhǔn)備工作。瞄準(zhǔn)擊發(fā)模塊，針對(duì)瞄準(zhǔn)鏡的操作訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)初步瞄準(zhǔn)工作，按下“擊發(fā)”按鈕后，導(dǎo)彈飛出。此后的導(dǎo)彈跟蹤、命中判斷、超出范圍模塊是循環(huán)過程，結(jié)果用成功命中、錯(cuò)誤提示模塊實(shí)現(xiàn)。

（一）“瞄準(zhǔn)-擊發(fā)-跟蹤-命中”程序

軟件程序通過操作鍵盤和鼠標(biāo)來控制導(dǎo)彈的“瞄準(zhǔn)-擊發(fā)-跟蹤-命中”目標(biāo)的過程。首先建立三維立體坐標(biāo)系，使用函數(shù)面板的數(shù)學(xué)公式來控制目標(biāo)靶坦克運(yùn)動(dòng)。以最簡(jiǎn)單的橫向運(yùn)動(dòng)為例，根據(jù)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度范圍，由while循環(huán)結(jié)構(gòu)使Х坐標(biāo)每毫秒改變一定的位移量。然后使用事件結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)鍵盤控制瞄準(zhǔn)鏡運(yùn)動(dòng)。編輯事件結(jié)構(gòu)選擇“鍵按下”，在事件結(jié)構(gòu)多項(xiàng)類型中選擇V鍵，添加條件結(jié)構(gòu)分支，設(shè)置條件為“up”、“down”、“l(fā)eft”、“right”，分別控制相對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)改變。最后將坐標(biāo)改變量輸出連接至瞄準(zhǔn)鏡平移函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)用鍵盤控制瞄準(zhǔn)鏡追蹤目標(biāo)的過程。

（二）導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)軌跡顯示程序

為了使受訓(xùn)者快速地掌握射擊要領(lǐng)，在導(dǎo)彈命中目標(biāo)后，通過三維彗星圖顯示導(dǎo)彈的運(yùn)動(dòng)軌跡。將導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)的三維坐標(biāo)捆綁后輸入到for循環(huán)，在循環(huán)內(nèi)使用解除捆綁函數(shù)分別輸出三維坐標(biāo)，然后再運(yùn)用繪圖幫助連接到三維彗星圖，最終通過引用在同一圖形顯示不同曲線。

（三）戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境顯示程序

為了使射手在一種較為接近實(shí)戰(zhàn)的虛擬環(huán)境中迅速提高訓(xùn)練水平，該系統(tǒng)添加了戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，其主要運(yùn)用了三維函數(shù)的紋理功能。首先在三維場(chǎng)景中創(chuàng)建場(chǎng)景沙盒，使用平移對(duì)象函數(shù)賦予一定的空間位置，把戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境圖片導(dǎo)入應(yīng)用紋理函數(shù)，這時(shí)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境圖片會(huì)覆蓋場(chǎng)景沙盒，再使用創(chuàng)建三維圖片的方法添加到三維顯示空間中。

（四）虛擬操作界面

在論文[3]中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了虛擬操作界面、導(dǎo)彈射擊操作流程和飛行控制模型構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)了射擊操作流程的虛擬訓(xùn)練。本文進(jìn)一步對(duì)導(dǎo)彈的“瞄準(zhǔn)-擊發(fā)-跟蹤-命中”過程進(jìn)行仿真，加入瞄準(zhǔn)鏡瞄準(zhǔn)、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境隨變、目標(biāo)靶運(yùn)動(dòng)、導(dǎo)彈軌跡顯示等模塊和功能，使該虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)內(nèi)容更全面，程序結(jié)構(gòu)更合理，功能更完善。

四、結(jié)論

本文研究了SolidWorks仿真建模技術(shù)和基于LabVIEW的虛擬儀器技術(shù)，在此基礎(chǔ)上研發(fā)了某型導(dǎo)彈射擊操作虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)，重點(diǎn)研究了導(dǎo)彈瞄準(zhǔn)-擊發(fā)-跟蹤-命中的過程，該系統(tǒng)具有替代實(shí)裝訓(xùn)練的功能，為導(dǎo)彈動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試和綜合集成智能故障診斷提供基礎(chǔ)。取得的創(chuàng)新性研究成果如下：

（1）研究了戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真技術(shù)，使用三維紋理應(yīng)用技術(shù)，使戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境更接近實(shí)戰(zhàn)，在三維空間中添加三維對(duì)象，通過應(yīng)用紋理函數(shù)顯示覆蓋戰(zhàn)場(chǎng)圖片的三維盒子，使坦克和導(dǎo)彈在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中運(yùn)動(dòng)。

（2）研究了瞄準(zhǔn)線和瞄準(zhǔn)鏡技術(shù)。通過“串聯(lián)”導(dǎo)彈系統(tǒng)加載方法，使瞄準(zhǔn)線與瞄準(zhǔn)鏡為“父子”關(guān)系，運(yùn)用條件結(jié)構(gòu)的鍵控技術(shù)，通過鍵盤控制瞄準(zhǔn)鏡和瞄準(zhǔn)線移動(dòng)。

（3）創(chuàng)建了導(dǎo)彈瞄準(zhǔn)-擊發(fā)-跟蹤-命中的實(shí)時(shí)響應(yīng)。使用了LabVIEW中狀態(tài)機(jī)、事件結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)等函數(shù)，使導(dǎo)彈跟蹤實(shí)時(shí)響應(yīng)，建立了射擊操作與飛行控制之間的邏輯關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)彈、瞄準(zhǔn)線、目標(biāo)坦克的同步響應(yīng)。