火控訓練模擬器的設計與開發

李 劍， 楊小強， 劉宗凱

（1.南京安爾瑞電子科技有限公司， 江蘇 南京 210000； 2.陸軍工程大學， 江蘇 南京 210007）

引言

隨著軍事斗爭的進程演變，火控系統已經運用在了軍事領域的各個方面。火控系統的操作人員必須通過專門的訓練，才能正確操作。采用特別設計的艦炮火力控制系統模擬訓練裝置對艦船作戰人員進行火炮操控訓練，既能降低艦炮實裝操作訓練的安全風險、減少艦炮傳動機構的機械損耗和精度降低，又能降低訓練成本、提高培訓效率和操控效果。本文以艦船側炮的火控系統為研究對象，應用軟件技術、虛擬現實技術、面向對象技術等，設計開發了某艦炮火力控制系統的操作訓練模擬裝置，解決了該型艦炮操作訓練成本高、危險性強和訓練時機受限等困難。

1 模擬訓練裝置技術方案設計

艦炮火力控制模擬訓練裝置是在室內的環境，利用半實物仿真技術和虛擬現實技術來模擬火炮的操作流程。而整個操作環境的逼真程度取決于操作員的感覺是否真實，這就要求模擬器的操縱部件設計必須符合人機工程學的要求，硬件的數據采集與反饋必須實時真實，場景必須與實際操作情況相符合。

1.1 結構組成

火控模擬訓練裝置主要由操控工作臺（含操作手柄、撥碼開關、琴鍵開關、虛擬面板、顯示儀表和指示燈等）、狀態參數采集系統、場景信號處理計算機和虛擬現實軟件等組成，模擬訓練裝置的總體布局如圖1所示。其中操控工作臺是系統主要的人機交互機構，全部按實裝的機件進行設計配置，以達到與實裝的高度近似和真實感模擬。操作平臺以實物化硬件進行模擬；火控系統中央處理機顯示為虛擬仿真軟件，可以顯示陀螺儀狀態和火控系統的狀態；信號數據采集系統主要由各類傳感器、數據采集電路、通信總線組成；視景軟件在模擬器前方液晶顯示屏中實時顯示。

圖1 操控臺總體布局

1.2 工作原理

該模擬訓練裝置的工作原理如下：在訓練器臺架結構中，依據艦炮位置布局設置模擬器操縱人員的操縱席位，為培訓人員提供與真實環境完全一致的模擬操控環境。模擬訓練裝置的立體顯示屏幕上，能夠實時動態地顯示炮彈發射后的動態運行軌跡參數及其他戰場參數。受訓人員通過操控平臺上的手柄、按鈕等發送交互信息與模擬器進行實時信息交互。主控計算機接收到相關的信息后，經過運算處理，將數據信息和指通過CAN通信總線下發至各個操作節點。在主控視景計算機中，操縱人員的操縱參數和訓練結果參數被實時接收和處理，視景處理軟件根據這些信息實時生成訓練效果的二維及三維場景視圖，模擬顯示射擊狀態，包括目標是否命中、戰場戰術、信息態勢等信號，這些信號經過通信總線同步發送給虛擬儀表、指示燈和其他顯示報警裝置，受訓人員可以通過虛擬顯示儀表和三維場景顯示裝置所提供的數據和圖像了解操作的過程，從而做出相應的操作判斷。

2 模擬操縱機構設計

艦炮火力控制操作臺主要由控制計算機、液晶顯示器、操作手柄、各種開關等組成，整體設計完全依照實裝進行，其逼真程度完全模擬實際裝備，以此直接達到較好的模擬效果。

操控系統通過檢測操縱桿的偏向信號，實現實時數據生成。由機械的扭矩產生偏轉變量，再由串口總線傳輸至計算機進行采集，生成方位角或者高低角的偏轉速度。以程序中的當前高低角，方位角數值進行累計，完成方位角、高低角模擬量的仿真。實裝方位轉動角度±180°，高低轉向機構-20°～+60°（含制動角）。限位條件如表1所示。

表1 限位條件（右舷）

3 基于CAN總線的數據采集系統設計

CAN總線是目前應用最為廣泛的車載數據總線，是由德國博士力士樂公司發明并推廣的，具有傳輸可靠、實時性強、使用方便、魯棒性強、適用范圍廣等突出特點。因此，該火控訓練模擬器采用了基于CAN總線的數據采集系統設計方案，實現了對數據的采集和對視景軟件的通信控制功能。

3.1 信號采集系統的硬件平臺

模擬訓練器硬件系統是整個系統的基礎平臺，既包括信號的采集器件，如傳感器、變送器和其他的參數測量設備，又包括信號調理電路、接口電路和A/D轉換電路等數據采集相關電路。在電路設計中應該注意兩點：一是傳感器的選型、安裝與精確定位，以及電纜的屏蔽、接口固定和輸入、輸出的隔離與去耦等；二是數據采集系統設計，既采樣頻率、AD轉換器的分辨率、信號輸入輸出范圍等。只有充分考慮這些因素，并進行精心設計，才能保證硬件平臺的可靠運行。

該模擬訓練系統的數據采集系統由分散式CAN總線系統組成，總線上掛載有CAN收發器、MCF2515模塊、Intel PXA270微控制器、開關量輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊（含A/D轉換功能）等器件。通過這些CAN器件，將手柄位置、開關狀態、油門位移等模擬/數字信號經調理轉換后輸入到微控制器中，由微控制器進行信號的預處理后，再通過CAN總線發送到三維場景處理計算機中，由視景處理軟件生成虛擬現實畫面，逼真地演示艦炮的射擊效果，同時由虛擬儀表和顯示器顯示艦炮的射擊諸元，受訓人員和教員均可同步掌握訓練效果。數據采集系統的分散式拓撲結構圖如圖2所示。

圖2 模擬器拓撲結構框圖

數據采集系統參數類型及傳感器選型如表2所示。

表2 傳感器及參數配置表

3.2 數據通信協議制定

模擬訓練裝置各個CAN節點之間的信息交互依據CAN通信協議進行。要保證該裝置能夠逼真地模擬艦炮的射擊過程、射擊效果、射擊諸元的設定與動態刷新，各節點之間的數據必須能夠實時、可靠、靈活、有序地傳遞。因此，通信協議的制訂必須考慮采集參數通道數目、信號類型（數字、模擬、單精度、雙精度、整型量、字節量等）、信號傳輸速率等，CAN報文幀的類型、幀標識符分配、優先級定義、報文源地址編碼方式、目標地址編碼方式、報文長度、保留位的確定等也是應該考慮的。為了優化傳輸進程，減少數據發送延遲，對字節域空間的分配進行了優化。下頁表3所示是5個CAN信號指令，代表了操縱桿、啟動旋鈕、恢復型按鍵、開關、按鈕5個節點向模擬訓練裝置主控計算機發送的指令數據。根據協議制定規則，5個操縱部件的源地址統一編碼為B0，再用2位（bit）數據分別確定各個節點。主控制計算機（目標地址）為E4，設定該系列指令的優先級為00110。指令傳輸方式為點對點（Point-to-Point），選擇01為幀類型數值。數據長度碼DLC設為4位，指令中的數據域（data field）長度取為8字節，因而DLC編碼數值為0x08。

表3 操控臺操作器件發送指令格式

4 軟件系統設計

軟件系統的開發主要包含兩個方面，一是基于Delphi開發的底層虛擬儀表仿真軟件的設計與開發；二是基于VC的顯示器模擬系統的開發。虛擬儀表軟件開發的重點在于與顯示器模擬軟件數據交互的實時性,因為在新型裝備中按鈕的鍵入時間有嚴格的區分。顯示器模擬軟件系統是該火控訓練模擬器設計的關鍵，是營造受訓人員沉浸感的主要因素。

4.1 基于C#的虛擬儀表盤設計

艦炮模擬訓練器火控系統虛擬儀表盤設置有狀態指示燈、各種開關、操縱手柄、油門控制桿等器件，信號類型有數字信號、模擬信號、脈沖信號和電平信號等多種類型信號的輸入輸出。訓練平臺采用與原車同型號的實裝儀表盤，通過串口的數據傳輸，將實時硬件的模擬值傳遞給導演臺和顯示器仿真軟件。

虛擬儀表的工作原理為，利用串口讀取函數讀取操控臺各種操作元件所發送的串行數據，對指令字符串進行命令解析與數據轉換，獲取油門踏板行程、火炮操作方向盤轉角、火炮俯仰角、艦體側傾角等相關信息，再將這些信息經處理后驅動虛擬儀表盤上的相應部件進行顯示，如圖3所示。

4.2 顯示器仿真軟件系統設計

該火力控制系統模擬訓練裝置的三維視景軟件采用C++語言結合OpenGL圖形處理引擎開發。根據使用需求和任務類型，對火控系統的VxWorks嵌入式系統進行仿真。通過獲取儀表盤的模擬操縱數據，進行三維模型的調度、算法分析、渲染處理和場景生成等操作，實現模擬訓練與仿真功能。整個軟件系統基于先進的火控模型設計開發，陀螺儀轉動變化技術性能仿真度較高。虛擬顯示器程序框圖如圖4所示。

圖3 虛擬儀表盤數據采集面板

圖4 虛擬儀表盤數據采集面板

根據新型火控系統的控制系統，我們模擬仿真了其戰術運用，增加了目標提前量的運算，針對空中與海上目標進行了不同運算機制，模擬了火控系統在艦船遭遇風浪時，所進行的穩定操作。同時，模擬器具備聯網功能，能夠連接導演控制臺，獲取當前海面的情況，并能根據導演臺設置的目標進行命中的判斷，最大程度的復現訓練全景。

5 結論

本文研究采用半實物仿真技術、圖像處理技術和三維虛擬成像技術相結合，構建火控系統仿真模擬訓練設備，能夠為受訓人員提供一個逼真度高、沉浸感強的仿真訓練環境。研究過程中，充分考慮了模擬訓練裝置的實用性、可靠性、逼真性和經濟性，兼顧了仿真訓練裝置與實裝操作的差異性的平衡，使得開發出的模擬訓練裝置具有較好的實用性和推廣性，又具有了較高的先進性，可為同類模擬器的開發提供參考。

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