基于VR技術(shù)的某型舟橋訓(xùn)練模擬器研究

文建祥， 虞昌君， 劉宗凱， 高亞明

（1.中國人民解放軍31605部隊， 江蘇 南京 210007； 2.陸軍工程大學(xué)， 江蘇 南京 210007）

引言

重型舟橋是我軍研制的新一代骨干舟橋裝備，由于該裝備結(jié)構(gòu)組成復(fù)雜，實裝訓(xùn)練保障人員多、物資消耗大，可實施訓(xùn)練窗口期短，嚴(yán)重影響了操作訓(xùn)練效果，目前部隊急需研制該類裝備的訓(xùn)練模擬器。本文以Unity 3D引擎為平臺設(shè)計研制了用于部隊訓(xùn)練和教學(xué)的重型舟橋訓(xùn)練模擬器。該模擬器既可用于部隊的日常訓(xùn)練，也可用于地方預(yù)備役部隊的訓(xùn)練，以提高我軍針對突發(fā)自然災(zāi)害和國家交通應(yīng)急搶險救援的交通保障能力。

1 重型舟橋訓(xùn)練模擬器總體設(shè)計

1.1 重型舟橋的組成和用途特點(diǎn)

重型舟橋為可變結(jié)構(gòu)舟橋體系，有機(jī)地結(jié)合了帶式舟橋和分置式舟橋的優(yōu)點(diǎn)，使用時可以根據(jù)渡場的具體情況選擇合適的渡河方式以及浮橋類型，具有作業(yè)的機(jī)械化程度高、適應(yīng)流速大、承載能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

該型重型舟橋主要由橋腳動力舟、錨定動力舟、橋跨、運(yùn)載車、連指揮車等組成。橋腳動力舟的功能是為門橋的水上機(jī)動提供動力，同時還給門浮橋提供浮力；錨定動力舟主要用于浮橋架設(shè)和分解時投起錨作業(yè)與浮橋固定；橋跨是浮橋和漕渡門橋的承重結(jié)構(gòu)，既可作為門浮的橋面，還可為帶式橋節(jié)門橋提供浮力；運(yùn)載車是各裝載單元的裝載平臺，具有卸載和裝載功能[1]。

1.2 重型舟橋訓(xùn)練模擬器需求分析與方案設(shè)計

重開舟橋訓(xùn)練模擬器主要用于模擬裝備訓(xùn)練，操縱設(shè)備和實裝的近似程度與訓(xùn)練的效果正相關(guān)。目前，常見的訓(xùn)練模擬器的操縱方式有兩種：其一由軟件提供虛擬操作界面，進(jìn)行模擬訓(xùn)練；其二為設(shè)計實物操縱設(shè)備，通過與仿真計算機(jī)通訊進(jìn)行模擬訓(xùn)練。

綜合考量上述兩種方式各自優(yōu)缺點(diǎn)：虛擬操縱界面購置成本低、維護(hù)便利，但軟件開發(fā)成本高，難以模擬實際操作的力感與回饋，擬實性低；實物操縱設(shè)備操縱手感優(yōu)秀，沉浸感強(qiáng)，能夠為受訓(xùn)人員提供與實裝相近或一致的操縱體驗，提高訓(xùn)練效果，但購置與維護(hù)成本高于軟件虛擬操作界面。為此，綜合考慮訓(xùn)練模擬器的實用性和成本因素，訓(xùn)練模擬器擬采用實物操縱設(shè)備為主，輔以虛擬操作界面的半實物仿真手段進(jìn)行設(shè)計。

1.3 重型舟橋訓(xùn)練模擬器多訓(xùn)練工位架構(gòu)分析

訓(xùn)練工位的定義：“訓(xùn)練模擬器人機(jī)交互過程中，為一名受訓(xùn)人員提供的交互設(shè)備及其布置”。訓(xùn)練模擬器的訓(xùn)練工位設(shè)置依據(jù)模擬裝備的操作實際來確定，一般分為單工位和多工位兩種。

鑒于重型舟橋訓(xùn)練模擬器本身的技術(shù)特點(diǎn)，電控操作適宜使用半實物仿真方式進(jìn)行模擬，例如駕駛動力舟、使用移動控制盒操作等內(nèi)容。而對于手工作業(yè)適宜采用軟件模擬，例如連接油路、拔插銷等內(nèi)容，可通過實時三維動作的形式進(jìn)行表現(xiàn)。

模擬動力舟時，宜將主、副駕駛的作業(yè)內(nèi)容通過半實物仿真形式模擬，作業(yè)手手工作業(yè)內(nèi)容通過輔訓(xùn)機(jī)由指定操作人員在固定的兩個工位上輪流操作；模擬運(yùn)載車時，駕駛員的操作通過半實物仿真形式模擬，作業(yè)手作業(yè)內(nèi)容通過軟件模擬。即在運(yùn)載車模式下，只訓(xùn)練駕駛員，動力舟模式下，訓(xùn)練主、副駕駛和作業(yè)手。

訓(xùn)練模擬器充分利用自身多監(jiān)視器、運(yùn)算能力強(qiáng)的優(yōu)勢，將每輛虛擬運(yùn)載車獨(dú)立對應(yīng)一臺屏幕，保證最多可同時訓(xùn)練四名運(yùn)載車作業(yè)手?？杀ＷC在最少的裝備數(shù)量下訓(xùn)練更多的學(xué)員[2]。

因此，重型舟橋訓(xùn)練模擬器需設(shè)計7個訓(xùn)練工位，即對應(yīng)7塊顯示屏和供7人使用的操縱設(shè)備。

2 重型舟橋模擬器硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 設(shè)計需求分析

根據(jù)調(diào)研和需求分析，將訓(xùn)練模擬器設(shè)計為4個機(jī)柜，分別布置相應(yīng)工位的仿真計算機(jī)和操縱設(shè)備，如圖1所示。

仿真一號機(jī)布置1、2號工位，由機(jī)柜、仿真計算機(jī)、采集設(shè)備、供電系統(tǒng)等組成。機(jī)柜是安裝其他分系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體，外形設(shè)計參考該型重型舟橋動力舟駕控臺，設(shè)備布局與實裝相近；仿真二號機(jī)布置3、4號工位，由機(jī)柜、監(jiān)視器、采集設(shè)備、供電系統(tǒng)等組成；監(jiān)控機(jī)布置7號工位，由機(jī)柜、監(jiān)控計算機(jī)、供電系統(tǒng)等組成；輔訓(xùn)機(jī)布置5、6號工位，由機(jī)柜、監(jiān)視器設(shè)備、采集設(shè)備、供電系統(tǒng)等組成。

圖1 訓(xùn)練模擬器實裝圖

2.2 訓(xùn)練模擬器數(shù)據(jù)采集網(wǎng)設(shè)計

基于設(shè)計需求，結(jié)合某型重型舟橋液壓系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)的工作原理、結(jié)構(gòu)組成，共計有10臺CAN總線控制設(shè)備和260個開關(guān)量輸入，根據(jù)系統(tǒng)需要，制定了分布式結(jié)構(gòu)中重型舟橋訓(xùn)練模擬器的采集方案，使用10塊采集設(shè)備組成采集網(wǎng)采集（如圖2所示），每塊采集設(shè)備可采集32個開關(guān)量和處理兩路CAN總線[3]。

圖2 數(shù)據(jù)采集網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)系統(tǒng)工作的環(huán)境和訓(xùn)練模擬器的工作特點(diǎn)，訓(xùn)練模擬器面板上所有器件都要模擬原車操控元件，保證操舵手柄、模擬油門等操縱設(shè)備盡量與該型重型舟橋?qū)嵮b接近，并且要具有一定的可靠性。根據(jù)訓(xùn)練模擬器上的開關(guān)、手柄的信號輸出類型，對操控臺所有輸出信號進(jìn)行采集處理，所有輸入量直接通過嵌入式微處理器的多功能I/O口進(jìn)行采集。嵌入式處理器選用LPC1768，為整個訓(xùn)練模擬器硬件的核心單元，受訓(xùn)人員所有的操作信息通過該處理器處理后，依據(jù)通訊協(xié)議，編碼后通過CAN隔離收發(fā)模塊轉(zhuǎn)換為CAN總線數(shù)據(jù)，最后通過CAN總線電纜傳送至仿真計算機(jī)[4]。

2.3 訓(xùn)練模擬器通信接口模塊設(shè)計

仿真計算機(jī)與訓(xùn)練模擬器之間的通信采用CAN總線，采集系統(tǒng)經(jīng)電纜將CAN數(shù)據(jù)傳送至仿真計算機(jī)，采用PCIE-CAN信號轉(zhuǎn)換模塊，將CAN信號轉(zhuǎn)換為PCIE總線信號，以實現(xiàn)控制虛擬訓(xùn)練軟件的目的。

為了完成CAN總線傳輸，需設(shè)計CAN總線接口。數(shù)據(jù)采集模塊采用CTM8251ATL模塊。該模塊是一種高速隔離型CAN收發(fā)器，內(nèi)部集成了電源電路、隔離電路、總線保護(hù)等功能。該模塊具有DC2500V隔離，ESD和總線過壓（CTM1050T）保護(hù)功能，電磁輻射低，抗電磁干擾能力強(qiáng)，無需外加其他元件可直接使用以及高低溫特性好等特點(diǎn)，符合ISO11898標(biāo)準(zhǔn)，可以和符合ISO11898標(biāo)準(zhǔn)的CAN收發(fā)器產(chǎn)品互連。

3 重型舟橋模擬器軟件系統(tǒng)開發(fā)

3.1 軟件架構(gòu)設(shè)計

基于訓(xùn)練模擬器軟件系統(tǒng)的需求分析，根據(jù)功能要求和Unity 3D開發(fā)特點(diǎn)，分為表現(xiàn)、驅(qū)動、數(shù)據(jù)、交互四個層面開展研制，如圖3所示。

圖3 軟件系統(tǒng)架構(gòu)

3.2 模擬訓(xùn)練界面設(shè)計與開發(fā)

重型舟橋訓(xùn)練模擬器的用戶界面的設(shè)計如下頁圖4所示。整個系統(tǒng)軟件界面可分為訓(xùn)練模式、考核模式、教學(xué)模式和成績查詢四個模塊，除成績查詢外的三個模塊均含有層級菜單。

圖4 界面整體設(shè)計框架圖

以三維視景界面為例闡述界面窗口的實現(xiàn)過程。三維視景是界面上用于顯示三維場景的窗口。在軟件設(shè)計中，訓(xùn)練模塊用于顯示重型舟橋作業(yè)動作的窗口[5]，如圖5所示。該窗口的實現(xiàn)步驟如下：

1）建立一個空白的場景作為三維視景的顯示基礎(chǔ)，并創(chuàng)建視角。

2）將模型、地形、布景等導(dǎo)入到場景中，調(diào)整至合適的位置。

3）切換到視角視圖，調(diào)節(jié)視角范圍，使模型的顯示處于界面中的合適位置，并且保證其完全顯示在UI界面內(nèi)。運(yùn)行程序，即可觀察到重型舟橋模型在三維視景窗口中的作業(yè)演示及駕駛室內(nèi)場景在三維視景窗口中的演示。

4 結(jié)論

1）采用虛擬現(xiàn)實引擎實現(xiàn)了重型舟橋訓(xùn)練模擬器開發(fā)。根據(jù)重型舟橋組成與功能特點(diǎn)，確定了重型舟橋各機(jī)構(gòu)間的父子層級，優(yōu)化了配置執(zhí)行機(jī)構(gòu)的連接關(guān)系。

圖5 三維視景窗口

2）對重型舟橋作業(yè)進(jìn)行運(yùn)動分析后，連接配置、層級綁定導(dǎo)入的實體模型，添加驅(qū)動、配置訓(xùn)練流程，調(diào)用所設(shè)計的數(shù)據(jù)庫，從而實現(xiàn)裝備作業(yè)運(yùn)動仿真，完成訓(xùn)練模擬任務(wù)。

3）采用攝像機(jī)跟隨及成景原理，連接數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)工作回路動態(tài)仿真功能。

4）在符合軍用軟件管理規(guī)定的基礎(chǔ)上，增加訓(xùn)練模擬器軟件的開發(fā)性，大幅提升了軟件通用性，更好地滿足部隊模擬訓(xùn)練的需求。