某型復(fù)雜光電設(shè)備對抗模擬訓(xùn)練倉人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計

謝建華 劉德亮 翟 優(yōu) 何 鵬

（陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)四系 河北·石家莊 050003）

某型復(fù)雜光電設(shè)備現(xiàn)有的模擬訓(xùn)練器材，其仿真的真實感、沉浸感較差，視景顯示往往采用二維圖像的方式，無法模擬真實的三維運用環(huán)境；訓(xùn)練僅限于操作手的操作，沒有車長和駕駛員的訓(xùn)練內(nèi)容，無法實現(xiàn)協(xié)同訓(xùn)練；只能在實裝上進(jìn)行摸索，對實裝損傷較大，而且用實裝進(jìn)行訓(xùn)練受客觀條件的限制，且訓(xùn)練內(nèi)容單一，無法實現(xiàn)復(fù)雜條件下的對抗訓(xùn)練，難以滿足教學(xué)和訓(xùn)練需求。因此，用模擬訓(xùn)練倉進(jìn)行訓(xùn)練，對于提高廣大訓(xùn)練人員的訓(xùn)練質(zhì)量，節(jié)省訓(xùn)練時間，達(dá)到甚至超過實際設(shè)備的訓(xùn)練效果有著重要的作用。

而人機(jī)交互系統(tǒng)作為受訓(xùn)人員進(jìn)行對抗操作訓(xùn)練非常重要的組成部分，對人機(jī)交互系統(tǒng)的感受是否真實直接影響訓(xùn)練效果的好壞。因此，良好的人機(jī)交互系統(tǒng)是訓(xùn)練的重要條件之一。

1 模擬訓(xùn)練倉整體結(jié)構(gòu)

本模擬訓(xùn)練倉功能上具備全方位、全過程的特征：包含全系統(tǒng)操作訓(xùn)練，涵蓋車輛行進(jìn)、展開、對抗等全過程的動作訓(xùn)練。該模擬訓(xùn)練倉的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1：模擬訓(xùn)練倉整體構(gòu)成示意圖

本模擬訓(xùn)練倉由操作手操作訓(xùn)練系統(tǒng)、車長操作訓(xùn)練。

系統(tǒng)、駕駛員操作訓(xùn)練系統(tǒng)、虛擬訓(xùn)練環(huán)境系統(tǒng)、訓(xùn)練評估系統(tǒng)、和教練臺6個系統(tǒng)構(gòu)成，整個模擬訓(xùn)練環(huán)境采用分布仿真高層體系結(jié)構(gòu)（HLA/RTI）構(gòu)建多聯(lián)邦體系結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)車內(nèi)乘員之間的互聯(lián)互操作。

2 人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計

2.1 駕駛員人機(jī)交互子系統(tǒng)設(shè)計

駕駛員人機(jī)交互系統(tǒng)的設(shè)計主要采用物理效應(yīng)設(shè)備和位置跟蹤器相結(jié)合的方式，實現(xiàn)駕駛員駕駛過程中各種操作動作與虛擬訓(xùn)練環(huán)境之間的交互，由物理效應(yīng)設(shè)備代替真實方向盤、剎車、油門，將三自由度的空間位置跟蹤器綁定在駕駛員方向盤上，實時獲取方向盤轉(zhuǎn)動的角度數(shù)據(jù)，同時在油門和剎車上也綁定三自由度的位置跟蹤器，獲取相應(yīng)的角度變化數(shù)據(jù)，根據(jù)相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型和角度變化的數(shù)據(jù)控制與虛擬場景的交互，如：加速、減速、轉(zhuǎn)彎、剎車等動作與場景的交互，該子系統(tǒng)的示意圖如圖2所示。

圖2：駕駛員人機(jī)交互子系統(tǒng)示意圖

2.2 車長人機(jī)交互子系統(tǒng)設(shè)計

人機(jī)交互子系統(tǒng)設(shè)計主要是由應(yīng)用物理效應(yīng)設(shè)備、單目顯示器、三自由度位置跟蹤器等設(shè)備組成，子系統(tǒng)的示意圖如圖3所示。

車長所要進(jìn)行交互的目標(biāo)主要是車長鏡，因此對于車長鏡的仿真主要是應(yīng)用物理效應(yīng)設(shè)備，物理效應(yīng)設(shè)備的外觀和車長鏡完全一致，包括觀察孔的位置、大小和光學(xué)觀瞄鏡；在圖3所示的車長鏡觀察孔的位置，在車長鏡等效物理效應(yīng)設(shè)備內(nèi)部設(shè)置一部單目顯示器，用于顯示虛擬訓(xùn)練環(huán)境，以模擬真實訓(xùn)練中車長通過車長鏡觀察外部訓(xùn)練環(huán)境，如圖3中虛線的矩形方框所示。

圖3：車長人機(jī)交互子系統(tǒng)示意圖

而圖3中所示位置跟蹤器的作用主要是用來實時測量車長鏡等效物理效應(yīng)設(shè)備的三自由度角度數(shù)據(jù)，實時刷新車長所觀察到的虛擬訓(xùn)練環(huán)境。

2.3 操作手人機(jī)交互子系統(tǒng)設(shè)計

操作手在該系統(tǒng)中所要參與的人機(jī)交互動作是最多的，操作手在整個訓(xùn)練過程中要在車長的指引下完成復(fù)雜的操作動作，因此操作手人機(jī)交互子系統(tǒng)的交互也是該系統(tǒng)中最復(fù)雜的。操作手人機(jī)交互子系統(tǒng)主要分成兩部分，分別是操作手操作控制面板的仿真和控制系統(tǒng)的仿真。

首先介紹操作手操作控制面板的仿真，操作控制面板的仿真如圖4所示。

圖4：控制面板人機(jī)交互示意圖

操作控制面板采用等效物理效應(yīng)設(shè)備，開關(guān)、按鈕采用大小、力度與原物理系統(tǒng)相同的部件，同時應(yīng)用由專用數(shù)據(jù)采集電路實時采集控制面板操作數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理后，通過RS232口將數(shù)據(jù)送入圖形處理計算機(jī)，數(shù)據(jù)經(jīng)圖形處理計算機(jī)處理后驅(qū)動虛擬訓(xùn)練環(huán)境進(jìn)行刷新。

接下來，介紹控制系統(tǒng)的仿真，控制系統(tǒng)的仿真如圖5所示。

圖5

光學(xué)瞄準(zhǔn)具采用與車長鏡人機(jī)交互子系統(tǒng)類似的裝置供操作手在虛擬訓(xùn)練環(huán)境中搜索和跟蹤目標(biāo)，控制桿采用綁定三自由度位置跟蹤器的物理效應(yīng)設(shè)備，工作中通過三自由度位置跟蹤器實時采集相應(yīng)的角度數(shù)據(jù)，輸入到計算機(jī)中進(jìn)行處理，并和相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行匹配，真實模擬目標(biāo)飛行的參數(shù)數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成視景驅(qū)動信息，從而控制虛擬訓(xùn)練環(huán)境的更新。

3 技術(shù)途徑

該人機(jī)交互系統(tǒng)的物理效應(yīng)設(shè)備的制作主要通過自主設(shè)計，委托生產(chǎn)的方式進(jìn)行。該人機(jī)交互系統(tǒng)的軟件部分需在VC++集成開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行開發(fā)。在VC++集成開發(fā)環(huán)境中實時讀入位置跟蹤裝置采集的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)采集卡采集的操作信息，對數(shù)據(jù)進(jìn)行實時處理，在匹配數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，轉(zhuǎn)換成視景驅(qū)動信息，驅(qū)動虛擬訓(xùn)練環(huán)境的刷新。

4 結(jié)束語

本文詳細(xì)闡述了復(fù)雜光電設(shè)備對抗模擬訓(xùn)練倉人機(jī)交互系統(tǒng)的設(shè)計，并對各個分系統(tǒng)的具體人機(jī)交互行為給出了實現(xiàn)方案，為該模擬訓(xùn)練倉的研制打下了堅實的基礎(chǔ)。