坦克嵌入式射擊訓(xùn)練仿真系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

趙清華，林學(xué)華，孫少斌

（蚌埠坦克學(xué)院，安徽 蚌埠 233050）

現(xiàn)代戰(zhàn)爭信息化程度高，對抗強度大，戰(zhàn)場環(huán)境錯綜復(fù)雜，對坦克乘員特別是坦克射手的專業(yè)技能以及生理、心理素質(zhì)提出了更高的要求。現(xiàn)階段坦克乘員的專業(yè)技能訓(xùn)練多采用實際裝備與模擬器訓(xùn)練相結(jié)合的方法，但是由于訓(xùn)練成本與訓(xùn)練環(huán)境的問題，往往達不到實戰(zhàn)的標準和要求，其訓(xùn)練效果也大打折扣。嵌入式仿真技術(shù)將實際裝備與仿真計算機有效結(jié)合，既滿足了射手實戰(zhàn)化的人機環(huán)境需求，又充分利用了仿真計算機對戰(zhàn)場環(huán)境和戰(zhàn)術(shù)背景的逼真模擬，增強了訓(xùn)練的沉浸感，降低了訓(xùn)練成本。同時其訓(xùn)練過程可控可測，可隨時更換訓(xùn)練科目和戰(zhàn)術(shù)背景、監(jiān)測跟進訓(xùn)練進度、反饋訓(xùn)練狀態(tài)，評估訓(xùn)練效果，可對坦克射手開展有針對性的專項訓(xùn)練，縮短訓(xùn)練周期，提高訓(xùn)練效率。

美國等西方國家很早就開始了嵌入式仿真在武器裝備上的應(yīng)用研究，并廣泛開展了嵌入式訓(xùn)練實踐，取得了良好的訓(xùn)練效益。我軍近年來也逐步在某些武器裝備上進行相應(yīng)的嵌入式改造，取得了一定成效。本文將從坦克的射擊系統(tǒng)入手，在不改變現(xiàn)有武器系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、不影響裝備作戰(zhàn)性能的前提下進行嵌入式改造，使之具有嵌入式射擊訓(xùn)練的功能，為下一步坦克射手的專業(yè)技能訓(xùn)練提供新的途徑。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能

坦克嵌入式射擊訓(xùn)練仿真系統(tǒng)主要由嵌入式計算機、信號采集處理系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、嵌入式計算機主控系統(tǒng)、音響以及外設(shè)裝置等幾個部分構(gòu)成。相互之間通過實時通信技術(shù)，串口通信技術(shù)和A/D、D/A技術(shù)相互連接實現(xiàn)信息交互，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在設(shè)計時要充分考慮設(shè)備的擴展性和可置換性，便于拆卸、安裝和維護，其外形和體積要與實裝相匹配，不能改變現(xiàn)有武器系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，更不能影響裝備的作戰(zhàn)性能。坦克射擊系統(tǒng)實際部件通過能熱插拔的數(shù)據(jù)接口、傳感器與嵌入式仿真系統(tǒng)相連接，其操作信號反饋至嵌入式系統(tǒng)中與仿真數(shù)據(jù)相融合生成完整的模擬訓(xùn)練環(huán)境，受訓(xùn)人員可以根據(jù)觀察到的目標狀態(tài)和火炮的射擊效果按照射擊法則進行射擊訓(xùn)練，并通過射擊效果評估，進行智能化成績評定，從而實現(xiàn)實裝環(huán)境下的訓(xùn)練和演習(xí)功能。它有效解決了訓(xùn)練環(huán)境不逼真、后勤保障困難等問題，提高了訓(xùn)練效率，保證了訓(xùn)練質(zhì)量。

1）嵌入式主控計算機。嵌入式主控計算機是嵌入式射擊訓(xùn)練仿真系統(tǒng)的核心部件，包含炮長嵌入式仿真計算機、車長嵌入式仿真計算機。它通過信號采集系統(tǒng)與坦克射擊系統(tǒng)實際部件相連接，其主要功能是按預(yù)設(shè)的訓(xùn)練內(nèi)容與戰(zhàn)術(shù)背景生成虛擬戰(zhàn)場和目標，從采集系統(tǒng)中獲取各種操作數(shù)據(jù)作為仿真系統(tǒng)的驅(qū)動信息與之發(fā)生交互，并實時將虛擬目標和射擊情況等信息輸出到顯示設(shè)備上。在這個過程中，不僅要完成操作數(shù)據(jù)的融合轉(zhuǎn)換，還要完成炸點、煙霧等粒子特效顯示以及爆炸三維音響等的模擬。

2）信號采集處理系統(tǒng)。主要對車、炮長操控部件所傳回的數(shù)據(jù)進行采集和集中處理。火控計算機、控制盒、車長操縱臺、炮長操縱臺和瞄準鏡等部件的相關(guān)操作信息將由此傳送至車、炮長嵌入式計算機，作為仿真系統(tǒng)的驅(qū)動信息。

圖1 坦克嵌入式射擊訓(xùn)練仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3）顯示系統(tǒng)。由安裝在、車炮長瞄準鏡上的微型顯示器構(gòu)成，實時顯示訓(xùn)練時計算機生成的三維虛擬視景。

4）中央控制臺。中央控制臺主要用于訓(xùn)練科目和內(nèi)容選擇、仿真初始條件設(shè)定、系統(tǒng)檢測以及訓(xùn)練成績評估等。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計及實現(xiàn)

2.1 嵌入式計算機

嵌入式計算機是整個仿真系統(tǒng)的核心，為滿足車載要求，節(jié)省空間，采用一體化設(shè)計，體積要適中，安裝要牢固，用防震箱固定在坦克內(nèi)部，使之具有較強的抗震性，并且還要具有足夠的抗電磁干擾能力，能在復(fù)雜電磁環(huán)境下運行。同時它必須要具備較高的仿真運算能力和豐富的外設(shè)接口，能實時生成復(fù)雜的虛擬戰(zhàn)場和目標，支持多接口的數(shù)據(jù)傳輸。為了滿足逼真的三維虛擬戰(zhàn)場環(huán)境顯示需求，應(yīng)配有專門的圖形處理器（GPU），支持圖形加速和 DirectX渲染引擎，以期達到逼真的視場環(huán)境效果。

2.2 信號采集處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)的采集和處理主要通過信號采集控制盒來完成，控制板上配有單片機 8051芯片、模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0809、數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC0804、程序存儲器2764芯片以及電源等。具體工作原理如圖2所示。

在單片機8051芯片上安裝擴展板，擴展出充足的輸出輸入口，同時擴展8k字節(jié)的程序存儲器2764芯片，滿足程序擴展存儲。火控計算機、瞄準鏡和操縱臺等設(shè)備的數(shù)據(jù)信號通過ADC0809轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，經(jīng)處理后經(jīng)ISA總線傳送至車、炮長嵌入式計算機，作為仿真系統(tǒng)的驅(qū)動信息。D/A 轉(zhuǎn)換芯片 DAC0804把仿真系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成模擬信號后完成操作動作和儀表顯示，系統(tǒng)在設(shè)計時既要滿足系統(tǒng)對信號準確性和實時性的要求，又要嚴格遵循車輛的電氣規(guī)范。

圖2 信號采集控制盒原理圖

2.3 瞄準鏡顯示子系統(tǒng)

根據(jù)車、炮長視景的不同特點，分別設(shè)計出低倍視場顯示系統(tǒng)和高倍視場顯示系統(tǒng)以仿真車、炮長晝間指揮觀察鏡1倍寬視場和高倍小視場，其微型顯示器分別安裝在車、炮長1倍鏡接口以及左右目鏡底部。為保證觀瞄系統(tǒng)與計算機視景系統(tǒng)一致性工作，采用模擬瞄準鏡外部特性，簡化內(nèi)部光路，直接觀察計算機視景屏幕，瞄準鏡分劃指標通過軟件直接畫在計算機屏幕上。其光路示意圖3所示。根據(jù)觀察需要可實現(xiàn)不同倍率視場的切換。

圖3 光路示意圖

3 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

3.1 視景仿真系統(tǒng)

視景仿真系統(tǒng)由計算機、瞄準鏡模擬系統(tǒng)和圖形加速顯示硬件、圖形開發(fā)軟件等組成。主要用于對訓(xùn)練場地、環(huán)境、目標和射擊條件的實時仿真，并通過分配器同時將射擊場景、目標位置、炮長瞄準點分別顯示于中央控制臺和射手的瞄準具內(nèi)，模擬目標被命中、射彈飛行彈道、爆炸效果等情況。視景中的三維地形的生成方法是根據(jù)給定真實地形的DEM 數(shù)據(jù)對網(wǎng)格數(shù)據(jù)進行剖分，通過按照對角劃分網(wǎng)格的方式，利用Direct3D索引三角形網(wǎng)面構(gòu)建地形的幾何模型，然后通過Direct3D編程控制為幾何模型添加顏色、材質(zhì)、紋理、光照、融合等效果，便可逼真地仿真實際作戰(zhàn)環(huán)境。

三維地形環(huán)境由于涉及到一些精度較高的地理數(shù)據(jù)，占用數(shù)據(jù)容量較大，同時受機器硬件（嵌入式計算機與普通計算機相比，圖形運算性能較低）的限制。為了保證實時性，必須對模型的建立、調(diào)度和渲染進行一定的優(yōu)化處理。一是在三維地形建模時，根據(jù)實際的地形數(shù)據(jù)的比例尺（精度），將整個地形區(qū)域劃分為一些適當?shù)拇笮〉匦窝b載模塊。每個裝載模塊由地形表面（各種地表特征物）和其上的各種靜態(tài)對象（如樹木、建筑物等）組成。在三維地形環(huán)境繪制時，通常只處理觀察者視線范圍內(nèi)（即感興趣區(qū)域）的裝載模塊，一個感興趣區(qū)域由多個裝載模塊組成。二是動態(tài)裝載地形環(huán)境，采用分塊調(diào)度的方法，分塊將數(shù)據(jù)調(diào)入內(nèi)存，且內(nèi)存中只保留仿真實體周圍的裝載模塊。三是通過應(yīng)用 LOD技術(shù)，使三維場景中的模型根據(jù)其距觀察者距離的不同，顯現(xiàn)不同的細節(jié)。在圖形渲染中，只對最高 LOD層帖紋理的方法，這樣可以減少低層LOD的多邊形數(shù)量，并提高細致程度。

3.2 射擊仿真系統(tǒng)

射擊仿真系統(tǒng)把訓(xùn)練內(nèi)容、訓(xùn)練條件進行抽象化，建立射擊仿真模型和彈丸外彈道模型，并通過軟件設(shè)計實現(xiàn)整個射擊訓(xùn)練過程仿真。初始條件主要包括激光測距、目標角速度以及耳軸傾斜角度等，然后在此基礎(chǔ)上根據(jù)火控系統(tǒng)的解算模型，解算出射擊諸元，最終命中目標。

3.2.1 激光測距

激光測距儀的工作原理是當按下激光測距儀時，發(fā)出的激光從視點沿瞄準線方向射向目標，到達目標后經(jīng)目標反射回來，測定其往返的時間，根據(jù)光速就可以確定目標的距離。目標距離D可用公式表示為D=ct/2。式中c為光速（3*108 m/s），t為激光的往返時間。在仿真環(huán)境中，通過構(gòu)造一個沿瞄準線方向運動的模擬射線，并設(shè)定以c/ 2的速度運動，當射線與仿真環(huán)境其他物體發(fā)生碰撞后，返回碰撞點與瞄準點之間的距離，即為目標距離值。

3.2.2 目標角速度

在穩(wěn)像火控系統(tǒng)中，目標角速度傳感器用來測量瞄準線的瞬時角速度，并以瞄準線的速度來代替目標運動角速度。仿真系統(tǒng)以4次/ s的采樣速率，取8次最新值的平均值作為目標參與解算的速度值。

3.2.3 外彈道模型

在進行射擊訓(xùn)練時需要實時顯示炮彈飛行軌跡與炸點，進而對炮彈的命中和毀傷進行分析，所以進行外彈道曲線的仿真是必不可少的部分。由于受到彈丸初速、彈丸旋轉(zhuǎn)角速度、彈丸發(fā)射角度、彈丸質(zhì)量與形狀和重力、空氣阻力、風(fēng)向、風(fēng)速及偏流等諸多因素的影響，炮彈彈丸在空中的飛行軌跡是一條非常復(fù)雜的空間曲線[3]。圖4表示出了典型的標準彈道在發(fā)射平面內(nèi)的投影。

圖4 典型的標準彈道在發(fā)射平面內(nèi)的投影

在已知火炮初速和火炮瞄準角（α0由目標距離查射表數(shù)據(jù)庫得到）的條件下，可以解算下列外彈道微分方程。

式中，C為彈形系數(shù)；H(y)為空氣密度函數(shù)；G(v)為阻力函數(shù)，它是速度v與阻力定律的函數(shù)，其值

4 特殊視覺和音響效果實現(xiàn)

為了使虛擬射擊環(huán)境更加逼真，使受訓(xùn)者更具沉浸感，僅僅靜態(tài)的場景顯示是不夠的，對復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)境描述也是不完整的，例如一些非剛性物質(zhì)(如氣流、尾焰、煙霧、波浪、爆炸等)，它們也是戰(zhàn)場環(huán)境的重要組成部分，同樣可以影響到目標的偵察、識別以及射擊效果等。它們的構(gòu)造方法和一般的剛性實體建模不盡相同，現(xiàn)在通常采用粒子系統(tǒng)的動力學(xué)特性及模型的構(gòu)造和紋理的變換等方法進行描述，具有很強的連續(xù)性和真實感。本文也將用此方法表達虛擬射擊環(huán)境中常見的諸如彈丸爆炸的碎片、煙霧和火光等效果。首先建立各種效果的粒子及運動模型，定義粒子的空間位置、運動速度及加速度、運動方向、顏色、亮度、生存期、運動狀態(tài)等屬性，然后在場景繪制時采用矩形面片代替粒子，結(jié)合OpenGL的紋理映射技術(shù)，將爆炸粒子和煙霧粒子二維紋理圖映射到矩形面片上。為消去矩形明顯的邊界，先把 BMP格式煙霧及爆炸的黑白位圖進行Alpha透明處理，然后在每個矩形上都貼上透明紋理，應(yīng)用OpenGL的Alpha融合功能和深度測試功能，再加上紋理和顏色的調(diào)節(jié)，這些矩形面片在渲染時就可以模擬出特殊效果。

聽覺信息是僅次于視覺信息的第二傳感通道，戰(zhàn)場中的轟鳴聲、爆炸聲等都是影響射手心理狀態(tài)的重要因素。在虛擬射擊環(huán)境中加入虛擬聲音，不僅可以為視景實時伴音，還能為射手提供重要的信息，帶來強烈的沉浸感和臨場感。構(gòu)建虛擬聲音時，一方面要將戰(zhàn)場環(huán)境中的各種聲音融人到視景環(huán)境中；另一方面，要使射手在虛擬戰(zhàn)場環(huán)境中準確地判斷出聲源的位置 、速度等屬性，以符合在真實世界中的聽覺習(xí)慣和方式。這其中涉及距離、空間位置、相對速度和與多普勒頻移以及方向等重要屬性。在本系統(tǒng)中主要對彈丸的飛行和爆炸等加入了聲音特效，我們這里選擇微軟DirectX 中的DirectSound組件為開發(fā)平臺，其開發(fā)的關(guān)鍵步驟如下：1、創(chuàng)建聲音設(shè)備對象；2、顯式創(chuàng)建主緩沖區(qū)對象；3、創(chuàng)建輔助聲音緩沖區(qū)對象；4、從 wav文件或資源讀取聲音數(shù)據(jù)到私有緩沖區(qū)；5、將數(shù)據(jù)放人輔助聲音緩沖區(qū)中；6、通過輔助緩沖區(qū)對獲取三維聲音緩沖區(qū)對象；7、為三維聲音緩沖區(qū)對象和聆聽者對象設(shè)置合適的相關(guān)屬性值；8、播放三維聲音緩沖區(qū)數(shù)據(jù)。

5 系統(tǒng)互連及使用流程

在對坦克射擊訓(xùn)練系統(tǒng)進行嵌入式改造，不僅要建立嵌入式仿真系統(tǒng)與武器裝備之間統(tǒng)一的接口規(guī)范，以擴展系統(tǒng)的通用性和復(fù)用性，同時還要考慮到在一定戰(zhàn)術(shù)背景下進行坦克分隊及以上射擊訓(xùn)練時多系統(tǒng)的互聯(lián)、互操作問題。

圖5顯示的是一種多系統(tǒng)嵌入式仿真互聯(lián)方案。其中，B-Kit是嵌入在坦克武器平臺的嵌入式仿真系統(tǒng)，其硬件由嵌入式計算機、存儲器、控制器以及采集系統(tǒng)等組成，軟件主要由CGF、渲染引擎、數(shù)據(jù)庫等組成。A-Kit是將B-Kit應(yīng)用于武器系統(tǒng)所必須的硬件和軟件，一般使用網(wǎng)絡(luò)、視頻線、音頻線、控制線等與之相連。由于在進行嵌入式訓(xùn)練時，要保證實車武器系統(tǒng)與仿真系統(tǒng)的實時交互，仿真系統(tǒng)之間的互聯(lián)通常使用實時CORBA來實現(xiàn)。

圖5 一種多系統(tǒng)嵌入式仿真互聯(lián)方案

設(shè)備裝入實車后，即可開展相應(yīng)的嵌入式射擊訓(xùn)練。主要包括以下幾個方面的訓(xùn)練流程：

1）仿真系統(tǒng)主控計算機初始化，測試與實車部件的連接，轉(zhuǎn)載初始化各部件傳感器參數(shù)；

2）根據(jù)訓(xùn)練需求主控計算機注入訓(xùn)練劇情，設(shè)置戰(zhàn)術(shù)背景等訓(xùn)練條件，并按戰(zhàn)場預(yù)設(shè)和訓(xùn)練內(nèi)容生成虛擬戰(zhàn)場和目標；

3）射手操控火控系統(tǒng)，信號采集系統(tǒng)將各傳感器參數(shù)收集傳入至主控計算機，計算機根據(jù)預(yù)設(shè)條件生成虛擬戰(zhàn)場環(huán)境，顯示虛擬目標并解算虛擬目標的射擊諸元；

4）射擊后，計算機對彈著點進行計算，實時將射擊情況等信息輸出到顯示設(shè)備，模擬出整個射擊效果，并對成績進行評定。

6 結(jié)束語

本文采用嵌入式設(shè)計思想，提出了一種對現(xiàn)有裝備進行嵌入式改造，實現(xiàn)在實裝環(huán)境下進行模擬訓(xùn)練的新型嵌入式仿真系統(tǒng)的設(shè)計方法。該系統(tǒng)能為成員提供逼真的人機環(huán)境和訓(xùn)練環(huán)境，且不受天候、地理環(huán)境等條件的影響，訓(xùn)練的靈活性、科學(xué)性大大提高，使用該系統(tǒng)訓(xùn)練可以快速有效地提高射手技戰(zhàn)術(shù)水平。同時，可大大節(jié)約訓(xùn)練經(jīng)費，具有良好的經(jīng)濟效益和軍事效益。

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