基于虛擬現實的模擬潛望鏡半實物仿真系統設計?

何曦光 黃 斌 陳 佳

（海軍工程大學艦船動力工程軍隊重點實驗室 武漢 430033）

基于虛擬現實的模擬潛望鏡半實物仿真系統設計?

何曦光 黃 斌 陳 佳

（海軍工程大學艦船動力工程軍隊重點實驗室 武漢 430033）

針對實際裝備訓練經費高、風險大等問題，論文設計了一種應用于某型潛艇訓練模擬器的模擬潛望鏡半實物仿真裝置。該裝置能夠在接收模擬器平臺實時運動姿態數據基礎上，通過虛擬現實技術模擬潛望鏡看到的各類視景；同時，該裝置能夠通過采集受訓人員在設備上完成的各種操作，驅動潛望鏡裝置產生回轉等動作，實現人機交互，使受訓人員能夠通過操作和觀察潛望鏡，產生強烈的觸覺和視覺沉浸感，達到模擬真實裝備訓練的目標。

虛擬現實；半實物仿真；模擬潛望鏡；vega

1 引言

潛艇是一種既可以在水面，又能夠在水下一定深度長時間航行、作戰的艦艇，其作戰技術性能的發揮很大程度上決定于指揮員的指揮和部署；而潛艇指揮員要依靠潛望鏡對潛艇當前所在海域進行觀察，并制訂各類訓練、作戰計劃。虛擬現實（Vir?tual Reality），簡稱VR技術，是利用電腦模擬產生一個三維虛擬空間，提供使用者視覺、聽覺、觸覺等感官模擬，使用者可直接探索仿真對象在所處環境中的作用與變化［1］；而半實物仿真技術就是將控制器和在仿真機上控制對象的仿真模型組合在一起進行仿真和實驗［2］。

針對潛艇出海訓練經費高昂、風險較高等問題，本文設計了一種應用于某型潛艇訓練模擬器中的模擬潛望鏡半實物仿真系統，該系統能夠接收模擬器平臺當前的運動姿態、位置參數、海戰場環境參數等數據，并通過虛擬現實技術模擬潛望鏡各類視景；同時，系統接口可以實時采集受訓人員的各種操作，驅動潛望鏡裝置產生回轉等動作，實現人機交互。訓練過程中，受訓人員能夠通過操作潛望鏡裝置，觀測當前海域情況。裝置能夠讓受訓者從觸覺和視覺上產生強烈的沉浸感，達到模擬真實訓練的目的。

2 國內外研究現狀

目前，基于虛擬現實的半實物仿真技術在軍工領域應用十分成熟，武器系統的仿真已發展到從武器系統研制的局部階段仿真到全生命周期仿真［3］。

國外方面，半實物仿真技術最早應用于軍工產品研制，可在無需實彈的試驗條件下對武器系統進行全方位的性能測試［4］。美國軍方在研發“聯合攻擊戰斗機（JSF）”過程中，利用半實物仿真技術對模擬樣機進行了反復設計和建造，可以實時生成風洞、虛擬現實及飛行仿真模型等，幫助研究人員全面快速對樣機進行測試，及時排除設計缺陷。如今美國已擁有全系列的飛行運動仿真器和高性能、高精度的仿真計算機；俄MMS股份公司利用半實物仿真設備進行了雷達導引頭硬件臺架試驗，大幅度簡化了研發程序架構，降低了試驗方案經費預算，加快了項目的研發進度［5］。

國內方面，1958年我國自主研發了第一臺三軸轉臺，并且將半實物仿真技術應用于導彈和飛機控制系統。20世紀80年代，我國建成了一批半實物仿真系統，而且這些系統均已達到了較高的水平［5］。90年代，我國開始研究和發展較大規模的、復雜的半實物仿真技術以及分布交互仿真、虛擬現實仿真等更加先進的仿真技術。現已建成目前世界上規模最大、技術最先進的仿真工程群體，為我國飛機、運載火箭、艦船、大型水利工程、高科技仿真模型等的研制提供了強大的技術支持，在服務國家重點工程、支持國家經濟建設方面發揮了重要的作用［6］。海軍工程大學肖劍波、高偉等建立了某型潛艇操縱模擬器的潛望鏡視景仿真環境，生成了近似實戰的虛擬海洋環境，并實現了視景環境中的驅動模型［7］；該校楊國志等在肖劍波等的研究基礎上進行了深化，對模擬潛望鏡系統整體進行了構建，為后續研究搭建了思維框架［8］。湖南大學張躍文等實現了一種火炮發射半實物制導設備，系統內部通過無線通信技術進行數據傳輸和交互，實時輸入火炮當前的運動姿態數據，實現位置控制［9］。西安電子科技大學的唐建強等實現了一種水下無人航行載具，系統內部經局域網進行信息交互，最終實現了樣機試驗［10］。王楚清通過在半實物裝置中設置液壓馬達驅動裝置，實現了方位圈的伺服控制［11］。

本文在前人的研究成果基礎上，對模擬潛望鏡系統的軟件進行了模塊化設計，并細化了軟硬件模塊的搭載關系，完成了系統設計和試驗。

3 系統組成及工作原理

3.1 系統組成

模擬潛望鏡系統包括硬件和軟件，其中硬件部分由視景控制臺、本體控制臺以及模擬潛望鏡本體三部分組成。視景控制臺安裝視景仿真計算機以及配套顯示器，用于創建海區環境，并生成潛望鏡當前觀測視景；本體控制臺包括控制計算機、配套顯示器、驅動電路以及供受訓人員進行操作的面板，可以用于采集潛艇模擬器運動平臺當前的運動姿態，并實時采集受訓人員的操作信息，經驅動電路輸出驅動信號［12］；模擬潛望鏡本體由顯示器和半實物仿真設備組成，其中半實物仿真設備包括動力單元和反饋單元，動力單元可驅動潛望鏡本體產生各類姿態，反饋單元可將潛望鏡當前姿態數據進行反饋修正［13］。具體組成如圖1所示。

軟件部分由虛擬海區模塊、視景控制模塊、姿態控制模塊、通信模塊構成。

虛擬海區模塊：通過multigen creator軟件將虛擬海區場景進行三維建模，模型采用矩形邊界實現碰撞檢測，建模文件采用OpenFlight數據圖像格式，具備集合層次結構及屬性和實時交互功能。

視景控制模塊：通過vega軟件的lynx界面將虛擬海區場景建模數據進行應用程序定義，生成adf文件，并通過VC++MFC生成應用程序。通過應用程序進行三維建模圖像OpenFlight文件以及adf文件調用，完成三維模型的渲染和驅動，并通過視頻及音頻電纜發送至顯示器及音響裝置輸出。視景具體的生成過程如圖2所示。

姿態控制模塊：通過本體控制計算機編寫姿態控制軟件，通過采集控制面板操作信號并完成數據轉換，驅動半實物仿真設備動力單元工作，帶動模擬潛望鏡本體方位圈轉動，并實時通過反饋單元采集當前數據并進行反饋及修正。

虛擬海區模塊和視景控制模塊安裝在視景仿真計算機，姿態控制模塊設置在本體控制計算機中，通信模塊在本體控制計算機及視景仿真計算機中均有安裝。軟件各模塊及與硬件搭載關系見圖3所示。

3.2 工作原理

系統工作過程如下：受訓人員在控制面板中進行模擬訓練操作，控制信號通過本體控制計算機潛望鏡姿態控制模塊進行姿態解碼，并經過數據接口將驅動信號發送至模擬潛望鏡本體半實物仿真設備，產生相應物理姿態輸出；同時，反饋單元將當前運動姿態數據反饋至姿態控制模塊，完成閉環控制。

另一方面，本體控制計算機通過通信模塊接收潛艇操縱模擬器運動平臺當前姿態，同受訓人員操作信號一同發送至視景仿真計算機，通過視景控制模塊產生相應的場景變化，同時經虛擬海區模塊生成相應的虛擬海洋環境、地理信息、目標信息等場景案例，對場景進行渲染，并最終傳送到模擬潛望鏡本體的顯示器終端。

4 系統軟件設計

本系統操作界面通過Visual C++MFC開發平臺進行設計，三維視景建模采用MutiGen Creator 2.3，三維視景驅動則采用Vega Prime2.0。通過Cre?ator軟件編寫的虛擬海區模塊生成水面艦艇、飛機、貨輪等海域環境以及白天、夜晚等模擬場景，經由Vega軟件編寫的視景控制模塊實現不同級別的海況、聲效等虛擬特效，對海區場景進行渲染和驅動，生成程序定義文件（*.adf）。用戶的操作信號將與潛艇操縱模擬器平臺當前運動姿態參數經通信模塊構成用戶輸入，最后經VC++中的API以及面向對象工具MFC調入程序定義文件（*.adf）及海區模擬場景，并編制代碼對用戶輸入操作進行響應，產生相應視景及音響輸出，形成完整應用程序軟件。整個程序運行流程如圖4所示。

在VC環境中應用面向對象編程工具MFC編程，充分利用其菜單、對話框等資源，可以改變Ve?ga應用程序的外觀，使之更加符合Windows操作系統用戶的習慣。

其中，開發基于MFC的vega視景控制模塊具體運行需經過以下三個步驟：第一步，初始化，即創建公用共享內存區和信號區；第二步，程序進行定義，即創建一系列事件和類（*.adf文件）；第三步，系統配置，即將adf文件中的定義與函數調用結合。最后使用vgConfigSys函數完成vgSyncFrame和vgFrame函數的主循環調用。在應用程序中，筆者使用RunvegaApp函數來創建線程，在函數中實現vega程序的初始化、程序定義和系統配置。具體運行過程如圖5所示。

5 系統試驗及仿真

該仿真初步建立了基于某型潛艇操縱訓練器的潛望鏡半實物仿真系統，生成了近似實戰的虛擬海洋環境，并實現了視景環境的驅動控制，生成了逼真的航行軌跡和環境效果，為受訓者提供了交互式的仿真環境，實現了受訓者與仿真環境的自然交互，具有很高的逼真度，達到了預期的效果。圖6、7分別為生成的潛望鏡虛擬視景以及電子海圖。

6 結語

本文搭建了一種應用于某型潛艇操縱模擬器的模擬潛望鏡半實物仿真系統框架，并在Visual C++MFC編程工具中設計了基于虛擬現實技術的視景仿真軟件。在裝備訓練中，潛望鏡裝置能夠接收模擬器平臺當前的運動姿態、位置參數、海戰場環境參數等數據，并模擬各類視景；同時，設備可以實時響應受訓人員的各種操作，并通過數據采集接口轉換為控制指令，實現人機交互。日后，隨著計算機圖形技術、數學仿真建模技術的發展，將會有更為優良的解決方案應用于模擬潛望鏡的研制中，從而進一步逼真模擬實際裝備訓練科目及視景場景，為潛艇部隊的戰斗力快速生成助力。

［1］黃鍵，宋曉，薛順虎.RTX平臺下實時仿真系統的設計方法［J］.計算機應用與軟件，2009，26（4）：168-170.

［2］姚新宇，黃柯棣.半實物仿真系統中的實時控制技術［J］.計算機仿真，2010，17（1）：34-35.

［3］李伯虎.現代建模與仿真技術發展中的幾個焦點［J］.系統仿真學報，2009，13（9）：70-72.

［4］王健.控制系統數字化仿真技術［J］.上海航天，2011，14（4）：62-64.

［5］王松輝.基于dSPACE的無人機飛行控制系統半實物仿真研究［D］.南京：南京航空航天大學.2008：78-80.

［6］王利強，彭月祥，寧可慶.計算機測控系統與數據卡采集應用［M］.北京：機械工業出版社，2007：61-74.

［7］肖劍波，胡大斌等.基于vega的潛望鏡視景系統設計與實現［J］. 北京：中國艦船研究，2008（3）：63-66.

［8］楊國志，賈玉柱等.模擬潛望鏡半實物仿真系統設計與實現［J］. 北京：艦船科學技術，2011（9）：99-104.

［9］趙經成.虛擬仿真訓練系統設計與實踐［M］.北京：國防工業出版社，2013：134-138.

［10］張躍文等.某型號火炮發射制導系統半實物仿真平臺的研究［D］.長沙：湖南大學碩士學位論文，2013：45-48.

［11］唐建強等.水下無人航行器半實物仿真系統設計與實現［D］.西安：西安電子科技大學碩士學位論文，2014（10）：67-70.

［12］王楚清.潛望鏡方位控制系統的設計［J］.中國艦船研究，2006（4）：79-80.

［13］楊平利.在Vega環境下開發虛擬現實應用程序［J］.計算機仿真，2005，22（5）：165-168.

Design of Semi-physical Periscope Simulation System Based on Virtual Reality

HE Xiguang HUANG Bin CHEN Jia
（Key Laboratory of Military Marine Engineering of Naval University of Engineering，Wuhan 430033）

According to the present situation，now in actual navy training should be in the sea with expensive training fund，long period and high venture.In this article，a kind of periscope simulation apparatus is designed，which can receive the real move?ment characters of the submarine simulation plat and simulate all kinds of sights by VR technology.At the same time，the trainees can manipulate the apparatus and all manipulations can be converted into controlling signals which will drive the periscope output different kinds of actions.So，the trainees can complete manipulation training and will see the scopes under different situations of the sub through this apparatus，which will realize the simulation of real training course.

virtual reality，semi-physical simulation，periscope simulation system，vega

U666.1

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.11.018

Class Number U666.1

2017年5月10日，

2017年6月21日

軍隊科研計劃項目（編號：裝計2016第246號）資助。

何曦光，男，碩士，講師，研究方向：艦艇機電控制技術。黃斌，男，博士，講師，研究方向：船舶操縱技術。陳佳，男，博士，講師，研究方向：艦艇機電控制技術。