光學(xué)測風(fēng)經(jīng)緯儀模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計

【裝備理論與裝備技術(shù)】

光學(xué)測風(fēng)經(jīng)緯儀模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計

馬林，張本成，郭延松

(沈陽炮兵學(xué)院 電子偵察系，沈陽110867)

摘要：針對光學(xué)測風(fēng)經(jīng)緯儀實(shí)裝訓(xùn)練過程中訓(xùn)練效果差、考核手段匱乏，器材、物資消耗大等問題，設(shè)計了光學(xué)測風(fēng)經(jīng)緯儀模擬訓(xùn)練系統(tǒng)；采用單片機(jī)、傳感器和串口通信等技術(shù)設(shè)計了中央控制模塊、光電轉(zhuǎn)換電路等硬件系統(tǒng)，采用模塊化和視景仿真等技術(shù)設(shè)計了硬件控制軟件、系統(tǒng)管理軟件和視景仿真軟件等軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)測風(fēng)經(jīng)緯儀調(diào)平、測風(fēng)氣球跟蹤等操作的全仿真模擬和成績評判，對提高光學(xué)測風(fēng)經(jīng)緯儀的訓(xùn)練質(zhì)量和效率具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：光學(xué)測風(fēng)經(jīng)緯儀；模擬訓(xùn)練；單片機(jī)；視景仿真

作者簡介：馬林(1983—)，男，碩士，講師，主要從事彈道氣象研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.06.005

中圖分類號：TP391.9

文章編號：1006-0707(2015)06-0018-03

收稿日期：2014-12-20

基金項目：航空

本文引用格式：馬林，張本成，郭延松.光學(xué)測風(fēng)經(jīng)緯儀模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計[J].四川兵工學(xué)報，2015(6):18-20.

Citation format:MA Lin, ZHANG Ben-cheng, GUO Yan-song.Design of Optical Wind-Finding Theodolite Simulation Training System[J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(6):18-20.

Design of Optical Wind-Finding Theodolite Simulation Training System

MA Lin, ZHANG Ben-cheng, GUO Yan-song

(Department of Electronic Reconnaissance, Shenyang Artillery Academy of PLA, Shenyang 110867, China)

Abstract:Aiming at the issues that optical wind-finding theodolite’s training effect is poor and lack of assessment tools, and great equipment, material consumption and other issues, we designed the optical wind-finding theodolite simulation training system. Using single chip microcomputer, sensor and communication technology, we designed the central control module, a photoelectric conversion circuit and other hardware system. Using modular and visual simulation technology, we designed the control software, system management software, the visual simulation software and other software system. And we realized the optical wind-finding theodolite leveling and balloon tracking operation’s the full simulation and performance evaluation. It has important practical significance for improving optical wind-finding theodolite of the training quality and efficiency.

Key words: optical wind-finding theodolite; simulation training; singlechip; visual simulation

光學(xué)測風(fēng)經(jīng)緯儀是跟蹤、測定空中氣球的方位角和仰角，用以計算空中風(fēng)向和風(fēng)速的光學(xué)儀器，通常由光學(xué)望遠(yuǎn)鏡、轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)、讀數(shù)裝置、水準(zhǔn)器以及三腳架等部分組成[1]。由于光學(xué)測風(fēng)經(jīng)緯儀是依靠操作員人工跟蹤目標(biāo)，手動或自動采集角度數(shù)據(jù)，所以對操作員的操作技能要求較高，必須經(jīng)過大量的訓(xùn)練才能有效地使用該儀器進(jìn)行高空風(fēng)觀測。但氣象條件是瞬息萬變的，在操作員進(jìn)行實(shí)裝訓(xùn)練或考核時，由于無法獲得權(quán)威的觀測真值，造成難以對操作員的訓(xùn)練效果進(jìn)行評價和檢驗(yàn)，影響了訓(xùn)練效果，并且實(shí)裝訓(xùn)練中對制氫原料、測風(fēng)氣球等物資器消耗較大，造成培養(yǎng)熟練操作員的周期較長，費(fèi)用較高。因此，開發(fā)基于視景仿真技術(shù)的光學(xué)測風(fēng)經(jīng)緯儀模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，在節(jié)約訓(xùn)練經(jīng)費(fèi)、推廣模擬仿真訓(xùn)練技術(shù)和提高綜合訓(xùn)練效果等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[2]。

1系統(tǒng)組成及工作原理

光學(xué)測風(fēng)經(jīng)緯儀模擬訓(xùn)練系統(tǒng)主要由管理系統(tǒng)和訓(xùn)練終端兩大部分組成，如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)組成

模擬管理系統(tǒng)為一臺式計算機(jī)，在其中部署系統(tǒng)管理軟件和視景仿真軟件。進(jìn)行模擬訓(xùn)練時，通過系統(tǒng)管理軟件生成一系列代表測風(fēng)氣球坐標(biāo)的仰角、方位角和高度數(shù)據(jù)，并通過進(jìn)程通信方式發(fā)送給視景仿真軟件。視景仿真軟件通過可視化視景仿真技術(shù)對氣象觀測環(huán)境進(jìn)行模擬仿真，根據(jù)測風(fēng)氣球坐標(biāo)數(shù)據(jù)實(shí)時更新測風(fēng)氣球在虛擬場景中的空間坐標(biāo)位置，并通過投影儀投射到屏幕上進(jìn)行顯示。

訓(xùn)練終端在外形機(jī)械結(jié)構(gòu)上同光學(xué)測風(fēng)經(jīng)緯儀實(shí)裝相同，當(dāng)參訓(xùn)人員操作與俯仰、方位光電轉(zhuǎn)換電路相連接的俯仰、方位傳動機(jī)構(gòu)時，俯仰、方位光電轉(zhuǎn)換電路會測量出當(dāng)前訓(xùn)練終端的俯仰和方位角度，并發(fā)送給中央控制模塊，經(jīng)中央控制模塊處理后通過串口發(fā)送給視景仿真軟件，視景仿真軟件根據(jù)訓(xùn)練終端的俯仰和方位角度調(diào)整虛擬場景的視角，從而實(shí)現(xiàn)對測風(fēng)氣球的模擬跟蹤訓(xùn)練。通過比較系統(tǒng)管理軟件產(chǎn)生的測風(fēng)氣球坐標(biāo)數(shù)據(jù)和訓(xùn)練終端測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤技能評判，通過傾角傳感器測量訓(xùn)練終端的水平情況進(jìn)行調(diào)平技能評判。

2硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1中央控制模塊

中央控制模塊由微處理器和現(xiàn)場可變成邏輯門陣列(FPGA)組成。微處理器芯片選用TI公司的MSP430-149型16位單片機(jī)，其具有12位200 kb/s的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，60 KB內(nèi)部程序存儲器(Flash-ROM)和2 KB數(shù)據(jù)存儲器(RAM)[3]。FPGA選用低功耗ACEX1K50器件，該器件由邏輯陣列塊、嵌入式陣列塊、快速互聯(lián)以及I/O單元構(gòu)成[4]。

當(dāng)俯仰、方位轉(zhuǎn)換電路和傾角傳感器送入角度信號后，MSP430-149單片機(jī)通過FPGA內(nèi)設(shè)的方位、俯仰和傾角測量接口等邏輯接口采集角度數(shù)據(jù)，并利用內(nèi)置的ADC12模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的模/數(shù)轉(zhuǎn)換，通過兩個相互獨(dú)立的發(fā)送、接收緩沖器和移位寄存器來實(shí)現(xiàn)與管理系統(tǒng)的串口通信。

2.2光電轉(zhuǎn)換電路

硬件系統(tǒng)中設(shè)置了方位和俯仰兩套光電轉(zhuǎn)換電路，都由光電編碼器和角度信號處理電路組成。光電編碼器是用光電方法把被測角位移轉(zhuǎn)換成以數(shù)字代碼形式表示的電信號的轉(zhuǎn)換部件[5]，光電編碼器的轉(zhuǎn)軸與訓(xùn)練終端的傳動機(jī)構(gòu)連接，當(dāng)傳動機(jī)構(gòu)帶動轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時，光電編碼器內(nèi)部的碼盤與指示光柵產(chǎn)生相對位移，產(chǎn)生幅度與轉(zhuǎn)動角度成正比的連續(xù)波電信號，送入角度信號處理電路。角度信號處理電路將光電編碼器送入的角度信號放大、整形，輸出相位差為90°的A、B兩路矩形波信號。經(jīng)過判向后，得到符合角度測量精度的脈沖信號，送入中央控制模塊。

2.3傾角傳感器

傾角傳感器采用RION公司的SCA1900型雙軸傾角模塊。該傳感器采用VTI MEMS控制單元，通過測量靜態(tài)重力場變化，轉(zhuǎn)換成傾角變化，分辨率為0.002 5°。傾角傳感器固定在訓(xùn)練終端內(nèi)部剛性好、不易變形的基準(zhǔn)面上，并和訓(xùn)練終端水平保持一致。工作時傾角傳感器實(shí)時測量當(dāng)前的姿態(tài)傾角數(shù)據(jù)，并以0～5 V直流電壓的方式送入中央控制模塊。

2.4按鍵電路

根據(jù)系統(tǒng)功能，設(shè)置了開機(jī)、關(guān)機(jī)、放球和實(shí)時4個按鍵，鍵盤通過具有中斷的I/O接口直接和單片機(jī)連接，并通過680 kΩ的上拉電阻和3.3 V電源連接。利用I/O接口的中斷功能，當(dāng)有按鍵按下時，P1口相應(yīng)中斷標(biāo)志位置1，并向單片機(jī)申請中斷，這時單片機(jī)轉(zhuǎn)入中斷子程序?qū)Π存I進(jìn)行處理。

3軟件系統(tǒng)設(shè)計

3.1硬件控制軟件

目前，各種類型軟件的使用無處不在[6]，光學(xué)測風(fēng)經(jīng)緯儀模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的單片機(jī)中也部署著硬件控制軟件，軟件采用面向?qū)ο蟮腃語言編制，模塊化設(shè)計結(jié)構(gòu)，軟件編寫時針對MSP430-149型單片機(jī)硬件特點(diǎn)和各寄存器的特性進(jìn)行編程，程序主流程如圖2所示。

圖2　硬件控制軟件主流程

3.2系統(tǒng)管理軟件

系統(tǒng)管理軟件部署在模擬管理系統(tǒng)中，運(yùn)行環(huán)境為Windows XP操作系統(tǒng)，采用Visual C++6.0作為開發(fā)平臺。系統(tǒng)管理軟件能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能：

1) 對登陸的用戶進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證的內(nèi)容包括用戶名和密碼的正確性、用戶的權(quán)限。

2) 對模擬訓(xùn)練習(xí)題庫進(jìn)行添加、刪除、修改等管理，結(jié)合分布開放式數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)探測資料向模擬訓(xùn)練習(xí)題的自動轉(zhuǎn)化。

3) 能夠通過曲線擬合方法生成測風(fēng)氣球?qū)崟r坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并能通過動態(tài)參數(shù)設(shè)置控制模擬訓(xùn)練的難度。

4) 能夠判斷操作員調(diào)平及跟蹤操作的準(zhǔn)確性，并可進(jìn)行訓(xùn)練成績評估。

5) 完成成績檔案查詢、調(diào)用和打印功能。

6) 對管理人員和操作人員的用戶名、密碼和所屬單位等信息進(jìn)行添加、刪除、修改等管理操作。

系統(tǒng)管理軟件流程如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)管理軟件流程

3.3視景仿真軟件

視景仿真軟件部署在模擬管理系統(tǒng)中，用于光學(xué)測風(fēng)經(jīng)緯儀模擬訓(xùn)練系統(tǒng)虛擬場景的構(gòu)建。軟件采用Visual C++6.0作為開發(fā)平臺，通過3D MAX軟件進(jìn)行測風(fēng)氣球等模型建模，同時結(jié)合三維圖形語言O(shè)penGL進(jìn)行設(shè)計。

虛擬場景采用基于OpenGL的天空盒的方法進(jìn)行建立，該方法通過對六邊形方盒進(jìn)行紋理貼圖，從而建立仿真環(huán)境。虛擬場景構(gòu)建過程中，先建立地面所在平面，然后在此平面上建立其他5個平面，并貼上天空背景圖片。用于天空背景的圖片要求4面圖的邊與頂圖的邊相連，4面圖前后相連。

為了能夠使虛擬場景中的視角隨著訓(xùn)練終端的仰角、方位角變化而變化，采用OpenGL中的gluLookAt()函數(shù)實(shí)時更新視角。gluLookAt()函數(shù)定義如下：

gluLookAt(GLdouble eyex,GLdouble eyey,GLdouble eyez,GLdouble centerx,GLdouble centery,GLdouble centerz,GLdouble upx,GLdouble upy,GLdouble upz)

前3個變量用于指定光學(xué)測風(fēng)經(jīng)緯儀模型在虛擬場景中的位置，中間3個變量用于確定光學(xué)測風(fēng)經(jīng)緯儀視角的朝向，最后3個變量用于確定哪個方向是朝上的。視景仿真軟件根據(jù)模擬終端發(fā)送來的角度數(shù)據(jù)，實(shí)時更新gluLookAt()函數(shù)中的中間3個變量即可實(shí)現(xiàn)虛擬場景視角的變換。

為了避免視角更新及測風(fēng)氣球模型運(yùn)動過程中出現(xiàn)的“抖動”問題，在像素格式中定義雙緩存模式，這樣OpenGL就會選擇在后臺緩存進(jìn)行繪制，再在繪制函數(shù)中通過SwapBuffers()函數(shù)[7]實(shí)現(xiàn)雙緩存圖像的刷新。視景仿真軟件構(gòu)建的虛擬場景如圖4所示。

圖4　模擬訓(xùn)練虛擬場景

4結(jié)束語

本文采用單片機(jī)、傳感器和視景仿真等技術(shù)，對光學(xué)測風(fēng)經(jīng)緯儀模擬訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計合理、集成度高、模擬效果逼真，成績評定科學(xué)，可解決光學(xué)測風(fēng)經(jīng)緯儀訓(xùn)練考核評判客觀性、準(zhǔn)確性差等問題，有利于提高訓(xùn)練效率、縮短培訓(xùn)周期、節(jié)約訓(xùn)練經(jīng)費(fèi)，具有良好的軍事經(jīng)濟(jì)效益和廣闊的推廣前景。

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(責(zé)任編輯周江川)