便攜式裝甲射擊訓練模擬器設計

魏國強，朱元武，王 杰，安亞飛，陳 云

(北方自動控制技術研究所，太原 030006)

裝備模擬器是軍事訓練的主要設備，在軍事訓練中發揮著重要的作用。從20世紀70年代開始，某些發達國家的模擬器就初步具備了射擊訓練的能力，到了90年代，隨著計算機網絡技術的發展，部分國家的模擬器已經可以進行戰術對抗和多兵種聯合訓練[4]。目前的模擬器多為艙式半實物模擬器，適應于室內固定使用，可以對武器裝備主要功能進行仿真，成員可以完成各種復雜的操作動作[1][5]。

為解決在室內固定的模擬器進行訓練時間不足的問題，本文提出一種便攜式裝甲裝備射擊訓練模擬器[3]。該模擬器尺寸小、重量輕、可單兵攜帶；同時展開、收納快捷、使用不受空間場地限制，可用于室內和野外訓練；采用半實物方式，能實現武器裝備的主要任務功能，操作手感與實裝具有高逼真度[2]；采用虛擬現實技術，視覺和聽覺感受使人有沉浸感，瞄準鏡和炮長終端等采用虛擬設備，外觀與實裝一致，可以通過觸屏或手勢操作，對作戰人員進行專業技術訓練。

1 便攜式訓練模擬器總體設計思路

根據訓練需求，便攜式裝甲裝備射擊訓練模擬器的功能要求如下：

1)能夠按照專業技術教范要求，實現穩像方式下射擊專業技術訓練，能夠按照訓練課目要求提供練習和考核模式；

2)能夠提供虛擬戰場環境，并提供訓練場地和設施模型，進行目標模擬、氣象模擬、聲效模擬；

3)能夠按照對應裝備，模擬跟蹤、測距、瞄準、制導、擊發等射擊動作過程，進行火炮射擊操作和炮射導彈操作模擬訓練；

4)便攜式模擬器能夠放置在一個箱體結構中，易于展開、收納，方便移動和運輸，可單兵攜行。

便攜式訓練模擬器總體設計思路是：采用虛實結合方式，發揮實裝訓練和虛擬訓練二者的優點，使受訓人員既能通過實物部件機構掌握其操作技能，又能通過計算機軟件生成的虛擬要素，使受訓人員具有良好的操作性和沉浸感。為減輕重量、縮小尺寸，研制中操控部分虛實結合，觀瞄部分以虛為主，炮長操縱臺采用實物部件模擬，以保證操作使用方式、操縱行程、操縱力感等與實裝一致，炮長顯控終端、炮長主瞄鏡等操作部件采用虛擬部件模擬，虛擬部件的外形、空間布局、功能、操作使用方式等與實裝一致[7,9]。出于便攜性的考慮，而且訓練中穩像是基礎的工況模式，因此設計使模擬器工作在穩像工作模式。穩像工作方式可由操縱臺單獨完成。具體思路框圖如圖1。

圖1 基于虛實結合的便攜式射擊訓練模擬器思路框圖

虛擬方面，對訓練場地、環境設施、靶形目標、實體目標進行靜態和動態建模構建虛擬訓練場地，對炮塔配電盒、炮長顯控終端、炮長主瞄鏡等操控設備建模構建虛擬炮長操控環境，按照專業技術教范制定射擊訓練想定，并通過計算機進行實時仿真，兩部分信息疊加綜合后通過顯示屏虛物實化，受訓者通過視覺、聽覺感受到逼真的訓練場景。

實物方面，核心操控部件-炮長操縱臺采用實物部件，受訓者能通過真實的動作和力度發出操控指令，其它操控部件通過顯示屏觸摸交互形成操控信號，操控信號經火控系統模型轉換后，驅動炮長主瞄鏡、炮塔武器系統進行射擊任務仿真，實現對受訓者進行射擊訓練。

2 便攜式射擊訓練模擬器的工作原理與操作流程

便攜式射擊訓練模擬器要為炮長提供高效訓練平臺，使炮長掌握射擊技能和協同動作，強化觀察測距、武器操作、跟蹤發射、規則運用和車內協同五項基本功，使其能迅速發現和識別目標，熟練操作火控系統和武器，準確進行射擊。

便攜式射擊訓練模擬器工作原理框圖如圖2。就是通過虛實結合方式建立虛擬訓練場景和半實物操控環境，通過射擊訓練想定驅動射擊訓練進程，通過實時信息采集和處理將操控動作轉換為計算機指令，通過射擊操作序列模型和射擊任務功能模型進行射擊任務仿真，通過虛擬兵力對藍方目標、同裝備車長和駕駛員進行仿真，訓練進程隨時間節拍驅動虛擬場景更新[5]。在訓練過程中，受訓者通過炮長操縱臺、炮塔配電盒、炮長顯控終端、炮長主瞄鏡等實物部件和虛擬部件對裝備進行操控，完成對目標觀察測距、武器操作、瞄準(跟蹤)發射、火控解算、制導控制等射擊全過程訓練，計算機通過外彈道仿真、毀傷仿真展示射擊效果[8]。模擬器后臺軟件對訓練過程進行全程監控，并實時進行數據記錄，練習模式下可給受訓者進行必要的信息提示，考核模式下能給訓練結果進行考核和成績評定，訓練結束后，能回放訓練過程，便于受訓者分析改進。

便攜式模擬器采用箱式結構，仿真計算機、顯示屏、炮長操縱臺等所有設備可以收納在箱體內，箱體同時作為模擬器的操作控制臺。

便攜式模擬器易于展開、收納，方便移動和運輸。射擊訓練過程可分為準備、訓練和結束三個階段。訓練流程框圖如圖3。

準備階段包括展開與啟動、訓練課目選擇、訓練條件設置下發；訓練階段，受訓者操作炮長操縱臺，通過顯示屏的視景窗口完成目標搜索、跟蹤和射擊操作；結束階段，根據訓練課目的評分標準和操作過程數據給出訓練成績，結束本次訓練。

圖2 便攜式射擊訓練模擬器的工作原理框圖

圖3 便攜式模擬器射擊訓練流程框圖

3 便攜式模擬器設計方案

3.1 便攜式模擬器硬件方案

便攜式模擬器硬件組成，如圖4所示。包括炮長操縱臺、仿真計算機、觸摸顯示屏、信號采集盒和音響設備和箱體支架組成。

圖4 便攜式射擊訓練模擬器的硬件組成框圖

3.1.1炮長操縱臺

炮長操縱臺用于炮長對主瞄鏡和武器的操作控制，是炮長的重要部件。炮長使用操縱臺可完成在穩像工況下的瞄準射擊動作，具體實現上通過操縱臺控制瞄鏡對目標進行尋找、跟蹤，炮線跟隨瞄線進行運動。操縱臺包括方位操縱機構、高低操縱機構、調零電位器、指示燈、測距按鈕、擊發按鈕等。炮長操縱臺要求操縱力度、操縱角度和瞄鏡運動速度關系與實裝一致，該部件是炮長穩定跟蹤關鍵技能訓練的核心部件。

炮長操縱臺是安裝在炮長前方的二自由度轉角操縱器。外觀及內部結構示意圖如圖5。前、后轉動左右手柄時，操縱臺輸出高低向轉動的控制信號；當左、右轉動操縱臺本體時，操縱臺輸出方位向轉動的控制信號。操縱臺手柄偏轉不同的角度，可獲得不同的高低向和方位向轉動速度。

圖5 炮長操縱臺外觀和內部結構示意圖

訓練中受訓者通過炮長操縱臺操縱炮長主瞄鏡/武器，在虛擬訓練場地內實現對目標的搜索、捕獲、瞄準和跟蹤。炮長操縱臺的操縱力感和輸出控制信號是關鍵指標。操縱力感采用機械方式實現，通過彈簧(見圖5)產生與轉角成正比的回正力矩，具體性能與實裝一致。輸出控制信號決定著主瞄鏡/武器的轉動速度和運動平穩性，對于提升受訓者穩定跟蹤操作技能，實現快速發現目標、跟蹤目標、完成射擊具有重要的作用，輸出曲線采用梯度設計，在左右、前后轉動中，對操縱機構轉動角度與控制信號曲線如圖6。其中，橫坐標表示操縱臺的轉角，縱坐標轉速控制信號控制炮塔轉動的速度，方位向最大為±40(°)/s，高低向最大為±35(°)/s。如圖所示，正轉時，OA段是“死區”段，輸出為0，起到防止誤操作的用途；AB段是高精確調炮段，主要是進行小范圍精確調炮瞄準；BC段是中精度調炮段，主要進行中度范圍調炮瞄準；CD段是快速調炮段，主要完成快速大幅度調炮過程。反轉過程與之對稱。相應函數關系為：

(1)

圖6 操縱臺輸出控制信號曲線

3.1.2仿真計算機和其他硬件

仿真計算機是模擬器所有軟件的安裝和運行載體，也是所有操作動作、訓練流程的邏輯控制中心。該設備部件不僅要求尺寸小巧，運算功能強，而且要求具有強大的圖像顯示功能。其中，處理器采用英特爾第八代i7處理器，顯卡采用英偉達GTX 1070系列，同時在安裝部位貼散熱片，保證計算機良好的散熱性。

觸摸顯示屏是實現人機交互的另一主要部件，用來呈現三維視景、模擬終端設備界面、觀瞄設備界面，顯示分辨率為1 920×1 080，具有良好顯示清晰度和觸摸性能。人機交互界面示意圖如圖7。

界面中，主瞄鏡中顯示的是炮長的視景，視景中包含虛擬生成的環境、分劃、敵方目標以及測距瞄準時反饋的顯示數據。除此之外，還可以切換顯示彈種選擇界面、火力解算界面、彈道解算界面。在射擊標定諸元的時候，還會顯示諸元解算界面，從而在提供良好操控手感的同時全面、智能、數字化的顯示各界面。

圖7 觸摸顯示屏人機交互界面示意圖

箱體支架是便攜式模擬器的載體和操作平臺。所有組成部件布置在箱體支架上，展開時箱體支架是便攜式模擬器的操作平臺，收納時箱體支架是便攜式模擬器的收納箱。箱體支架配有小車，移動時小車可作為載運便攜式，訓練時小車可轉換為受訓者座椅。

3.2 便攜式模擬器軟件組成

便攜式模擬器軟件采用模塊化設計方法，根據射擊任務功能和流程，進行模塊化劃分并確定軟件模塊集成關系，各軟件模塊之間通過統一制定的協議進行數據通信和傳輸，實現了“高凝聚、低耦合”的運行系統。各軟件模塊功能相互獨立，保證了軟件模塊開發時的獨立性和易修改性，集成軟件通過各模塊之間數據的輸入輸出關系實現了系統集成，通過模塊調用實現系統按流程運行[10]。

便攜式模擬器軟件采用多層體系架構，其組成如圖8所示。最底層為支撐層，為軟件運行提供支撐環境，包括操作系統，三維視景平臺等。第二層為基礎層，提供軟件運行的模型和數據庫等；第三層為業務層，是軟件中使用的基礎軟件構件，能夠支持各類模擬器和不同應用軟件；最上層為應用層，實現模擬器需要的各項具體功能，應用層軟件包括視景仿真軟件、炮長視窗仿真軟件、火控仿真軟件、終端模擬軟件、車內協同訓練、彈道仿真軟件、訓練控制軟件以及成績評定軟件。

圖8 便攜式射擊訓練模擬器的軟件組成框圖

1)視景仿真軟件

采用視景生成技術，通過三維建模軟件，建立戰場地形模型(包括類型、坡度、干擾物等)、氣象模型(包括雨、雪、風、沙塵等)、目標和對象行為模型(包括敵我單位、位移、轉向、射擊、戰術隊形等)，通過視景引擎構建虛擬訓練訓練場地，并輔以特效、聲音等。采用計算機生成兵力技術，建立藍軍智能行為模型，生成敵方兵力。

2)炮長視窗仿真軟件

根據炮長主瞄鏡視窗顯示效果，采用視景仿真軟件進行模擬顯示，炮長視窗的倍率、視角以及分劃與實裝保持一致。

3)火控仿真軟件

實現對操縱臺信號采集和處理，驅動視景仿真軟件和炮長視窗仿真軟件，進行火控解算，按照射擊操作序列模型，開展觀察測距、瞄準發射訓練。

4)終端模擬軟件

根據炮長操作控制設備情況，提供炮長顯控終端、炮長主瞄鏡、炮塔配電盒等操作界面，其功能響應、操作反饋、操作序列和實裝交互界面一致。

5)車內協同訓練

采用計算機生成兵力技術，建立車長和駕駛員自治行為模型和操縱控制模型，根據訓練時間和訓練內容的推進設置AI的訓練動作，進行車長和駕駛員的操作動作模擬，實現車內協同訓練。

6)彈道仿真軟件

采用彈道仿真技術，將炮彈射表數據庫錄入到彈道仿真軟件中作為彈道計算的數據庫，采用視景軟件在虛擬戰場環境中實現逼真的可視化彈道仿真。

7)訓練控制軟件

能夠對訓練準備進行設置，實現訓練模式選擇、訓練條件設置、訓練任務下發；能夠對訓練過程進行控制，可以實現訓練開始、暫停、繼續、結束等過程控制。

8)成績評定軟件

能夠對訓練結果進行成績評定，按照專業技術教范設定的訓練科目定制評定指標的量化參數和權重系數，根據訓練科目的評分標準和操作過程數據給出訓練成績，能夠對操作快速性、操作準確度和操作步驟正確性給出客觀的評價。

4 結論

本便攜裝甲模擬器使成員可以實現射擊技能訓練，能夠實現炮長裝彈、測距、跟蹤、瞄準、擊發等操作動作過程模擬；實現導彈裝彈、校準、擊發、制導、復位等動作過程模擬，涵蓋射擊基礎訓練和應用訓練科目的相應內容。同時因其獨特的便攜特性，使大規模聯網組隊變得更加經濟易實現。

在戰術訓練方面，便攜模擬器可以加入到別的仿真系統進行訓練。接入綜合式模擬器訓練系統后，可以實現綜合式、便攜式模擬器協同訓練，有利于充分發揮不同種類模擬器的優勢。接入實裝的訓練系統后，可以實現在實裝數量不足的條件下進行的大規模分隊訓練。戰術訓練結束后，還可以通過評估軟件對仿真訓練過程通過校驗、驗證和確認來進行系統的仿真可信度評估。