李 劍， 楊小強(qiáng)

（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(xué)， 江蘇 南京 210007）

引言

新型火箭布雷車模擬訓(xùn)練器可以準(zhǔn)確模擬實(shí)裝操作方法、步驟，縮短訓(xùn)練時(shí)間、節(jié)約訓(xùn)練經(jīng)費(fèi)、提高訓(xùn)練效果，并且降低裝備損耗，保持戰(zhàn)備完好率，解決布雷車列裝部隊(duì)后訓(xùn)練水平低、訓(xùn)練手段落后的實(shí)際問題，特別是野戰(zhàn)條件下無法開展的實(shí)裝、實(shí)彈訓(xùn)練科目，也可在模擬訓(xùn)練器中反復(fù)練習(xí)，對(duì)于提高裝備訓(xùn)練水平有著重要的現(xiàn)實(shí)意義和巨大的軍事經(jīng)濟(jì)價(jià)值[1-2]。

1 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)

1.1 火箭布雷車模擬訓(xùn)練系統(tǒng)操作席位布局設(shè)計(jì)

為全面訓(xùn)練炮班成員操作技能，準(zhǔn)確模擬布雷車作業(yè)步驟，必須根據(jù)實(shí)裝合理設(shè)計(jì)操作席位，確定模擬操縱部件與傳感器安裝位置，使操控系統(tǒng)與實(shí)裝布局基本一致，結(jié)合逼真的虛擬三維視景輸出，實(shí)現(xiàn)高度的沉浸感與表現(xiàn)力。

模擬訓(xùn)練器共設(shè)置駕駛席、炮長席、指揮席、半自動(dòng)操作席、操瞄席、監(jiān)控席等六個(gè)操作席位，主要用于布雷作業(yè)考核訓(xùn)練。重點(diǎn)突出“導(dǎo)、控、仿、裁、評(píng)”一體化的布雷作業(yè)模擬仿真訓(xùn)練理念；“導(dǎo)”在模擬訓(xùn)練器的監(jiān)控席上完成布雷作業(yè)訓(xùn)練科目的下達(dá)與過程管理；“控”在布雷車監(jiān)控席上完成對(duì)各席位的監(jiān)控管理；“仿”在模擬器各席位上通過半實(shí)物操作部件完成布雷車各類作業(yè)動(dòng)作的虛擬仿真訓(xùn)練；“評(píng)”通過在各個(gè)席位上設(shè)置過程評(píng)判參數(shù)及評(píng)估指標(biāo)體系，完成對(duì)各個(gè)作業(yè)步驟的準(zhǔn)確性評(píng)判；“裁”通過監(jiān)控席對(duì)布雷彈散步面積是否符合技術(shù)要求給出訓(xùn)練成績，實(shí)現(xiàn)了作業(yè)過程及作用結(jié)果的綜合評(píng)判。

駕駛席用于訓(xùn)練駕駛員的基本駕駛技能，炮長席考核炮長的指揮通信能力，操瞄席與半自動(dòng)操作席實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制系統(tǒng)失效情況下的裝填彈、瞄準(zhǔn)與操炮訓(xùn)練，指揮席屬于輔助操作席位，是整個(gè)操控系統(tǒng)的控制終端，將指揮觀察終端軟件移植到PC機(jī)上，作為系統(tǒng)通信節(jié)點(diǎn)，解算射擊諸元，下達(dá)作戰(zhàn)命令，實(shí)現(xiàn)火箭布雷系統(tǒng)的多車協(xié)同作業(yè)訓(xùn)練。監(jiān)控席，通過切換不同視角，能夠?qū)δM訓(xùn)練器的其他各席位發(fā)布指令并且監(jiān)控器運(yùn)行狀態(tài)。圖1為模擬訓(xùn)練系統(tǒng)席位布局圖。

圖1 模擬訓(xùn)練系統(tǒng)席位布局圖

1.2 硬件系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)的關(guān)鍵問題是準(zhǔn)確、及時(shí)地檢測操縱動(dòng)作順序、力度、行程以及時(shí)間等特性參數(shù)，因此硬件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開發(fā)，其組成包括模擬操縱部件、傳感器、節(jié)點(diǎn)微處理器、通信接口電路、CAN通信總線、視景顯示與運(yùn)動(dòng)控制計(jì)算機(jī)[3]，如下頁圖2所示。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)利用傳感器檢測模擬操縱部件的動(dòng)作信號(hào)，將位置、速度、加速度等物理量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、通信接口電路進(jìn)入單片機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算與處理，單片機(jī)根據(jù)通信協(xié)議向CAN總線發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)報(bào)文，驅(qū)動(dòng)虛擬三維視景與模擬發(fā)射裝置，輸出布雷車行駛、發(fā)射作業(yè)場景。

圖2 硬件系統(tǒng)總體方案

1.3 軟件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

火箭布雷車模擬訓(xùn)練器軟件系統(tǒng)，包括火箭布雷車仿真訓(xùn)練模擬和火箭布雷車訓(xùn)練仿真配置管理系統(tǒng)兩大部分和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，如圖3所示。

1.3.1 虛擬仿真

虛擬仿真是火箭布雷車模擬訓(xùn)練器中的核心模塊，主要包括訓(xùn)練模式模塊、考核模式模塊、教學(xué)模式模塊、成績查詢模塊、進(jìn)度加載模塊、系統(tǒng)配置模塊。

1）訓(xùn)練模式模塊：主要是進(jìn)行火箭布雷車仿真訓(xùn)練，其中包括火箭布雷車駕駛、裝填彈、操炮、火箭布雷車發(fā)射、火箭布雷車撤收等仿真訓(xùn)練科目。

2）考核模式模塊：主要進(jìn)行科目訓(xùn)練考核，考核過程中有時(shí)間限制，并且沒有訓(xùn)練步驟提示。而且訓(xùn)練過程中存在致命錯(cuò)誤，如果訓(xùn)練過程中出差，訓(xùn)練考核立刻結(jié)束。

3）教學(xué)模式：該模塊中分為三部分內(nèi)容：理論學(xué)習(xí)、理論考試和考試成績查詢。

4）成績查詢：對(duì)于各個(gè)科目進(jìn)行的訓(xùn)練成績進(jìn)行查看?？筛鶕?jù)不同條件進(jìn)行查詢，例如：用戶名、科目、訓(xùn)練日期、分?jǐn)?shù)區(qū)間等條件進(jìn)行查詢。

5）進(jìn)度加載：根據(jù)在訓(xùn)練過程中臨時(shí)存檔的記錄進(jìn)行讀檔的操作，并且讀檔后場景、訓(xùn)練步驟、訓(xùn)練分?jǐn)?shù)等都能恢復(fù)之前的操作，可繼續(xù)上次存檔的時(shí)候進(jìn)行訓(xùn)練。

6）系統(tǒng)配置：可定制系統(tǒng)中的聲音是否打開或關(guān)閉、配置水域效果是高級(jí)還是低級(jí)、植被效果的高低配置等[4-5]。

1.3.2 配置系統(tǒng)

1）教學(xué)管理：上傳、修改、刪除教學(xué)文件（包括視頻、音頻）；

2）科目：添加、修改、刪除科目信息（由于科目使定制，此處修改科目，只能修改科目名稱、科目描述信息，目前不能添加科目）；

3）訓(xùn)練規(guī)則：添加、修改、刪除訓(xùn)練規(guī)則，配置訓(xùn)練規(guī)則中的單個(gè)步驟的總分?jǐn)?shù)，及規(guī)則的訓(xùn)練完成時(shí)間等；

4）步驟、條件限制：配置訓(xùn)練規(guī)則中的步驟的分?jǐn)?shù)、限制條件、致命錯(cuò)誤標(biāo)志等。

1.3.3 數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)

數(shù)據(jù)庫采用目前最流行的SQLSERVER數(shù)據(jù)庫。

2 模擬訓(xùn)練仿真軟件設(shè)計(jì)

2.1 火箭布雷彈彈道模型分析

針對(duì)仿真軟件彈道規(guī)劃及落點(diǎn)確定，需要對(duì)火箭布雷彈進(jìn)行數(shù)值建模分析。某型火箭布雷彈發(fā)射時(shí)，當(dāng)發(fā)射電路接通后，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的電點(diǎn)火具發(fā)火，引燃電點(diǎn)火藥盒，點(diǎn)燃發(fā)射藥，燃燒室內(nèi)產(chǎn)生高溫、高壓氣體，沖開密封罩，形成推力，推動(dòng)火箭布雷彈沿定向器運(yùn)動(dòng)，當(dāng)火箭布雷彈離開定向器依靠穩(wěn)定器沿彈道飛行至預(yù)定時(shí)間，由傳火藥點(diǎn)燃推出發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火藥，引燃發(fā)火藥，產(chǎn)生高溫、高壓氣體，形成推力，并在彈筒后錐部內(nèi)腔中形成燃?xì)鈮毫?，在推力和燃?xì)鈮毫Φ墓餐饔孟拢瓢逋苿?dòng)彈筒內(nèi)的地雷向前運(yùn)動(dòng)，將地雷撒布在空中，進(jìn)而落在地面，形成一定面積的地雷場。上述運(yùn)動(dòng)原理可將布雷彈在空氣中運(yùn)動(dòng)的全彈道分為三大部分研究。

第一部分為火箭彈從發(fā)射出定向管后到開倉與地雷分離。此段彈道模型類似于普通的火箭彈外彈道研究，一般來說，火箭彈在空中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律分為兩個(gè)部分，即主動(dòng)段和被動(dòng)段。記推力加速度/mV，空氣阻力加速度 ax=CH（y）F（v，a），則可得到火箭彈在主動(dòng)段的運(yùn)動(dòng)微分方程組：

在給定的初始條件下，求解該方程組，主要目的是求點(diǎn) k 諸元 vk，θk，xk，yk，繼而求解被動(dòng)段的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對(duì)火箭布雷彈而言，主動(dòng)段不長，只有數(shù)十米，即使xk，yk有些誤差，對(duì)全程的影響不大，而切線傾角θ在全主動(dòng)段變化也很小，一般為3°以下，因此，影響計(jì)算射程準(zhǔn)確性的主要諸元時(shí)vk，它是彈體動(dòng)能的來源，對(duì)射程的大小和準(zhǔn)確性影響較為明顯。

對(duì)公式（1）建立求解方程，采用基于Runge-Kutta公式的模糊仿真法進(jìn)行求解，該方法為較為客觀地描述布雷彈分離點(diǎn)的位置提供了操作性很強(qiáng)的數(shù)學(xué)方法。限于篇幅，本文不詳細(xì)介紹算法的求解過程，具體可參考相關(guān)文獻(xiàn)。

第二段從地雷與火箭彈分離到地雷上的降落傘完全張滿。地雷剛從雷艙推出，仍保持為一直桿狀態(tài)作整體飛行約0.5 s，0.8 s后地雷的傘衣全部張滿。根據(jù)地雷在空中飛行的特點(diǎn)，該段假設(shè)地雷開始保持原來裝配狀態(tài)成一直桿作整體飛行，0.5 s后，系統(tǒng)突然失穩(wěn)，降落傘瞬時(shí)張滿的條件下，由于開艙火藥的加速過程，其速度大于開艙時(shí)火箭彈的速度，并基本保持不變。因此，該段模型認(rèn)為開艙后地雷的速度等于開艙時(shí)布雷彈的速度與地雷的速度之和，并且保持不變。建立外彈道模型。

取n個(gè)不等距節(jié)點(diǎn)為xi（i=0，1，2，…，n），其相應(yīng)的函數(shù)值為yi（i=0，1，2，…，n），利用拋物線插值方法計(jì)算任意點(diǎn)t點(diǎn)的函數(shù)近似值為：

第三段從地雷降落傘張滿到地雷落地。由于地雷采用了降落傘減速裝置，在戰(zhàn)斗部未打開之前，受阻力較小，開傘后飛行阻力增大，彈道偏離原彈道線，加之氣動(dòng)力特性及降落傘增阻過程的復(fù)雜性，因此，降落傘張滿到地雷落地這一段將雷—傘作為一個(gè)整體，進(jìn)行外彈道模型研究。

根據(jù)前面建立的三段不同彈道計(jì)算模型，針對(duì)新型火箭布雷車布雷彈的特性參數(shù)，編寫了通用計(jì)算程序[6]。該程序能夠在任何大氣條件下進(jìn)行彈道解算計(jì)算。根據(jù)給定的彈道初始條件以及彈道特征參數(shù)，利用上面給出的彈道模型和彈道軟件計(jì)算射角為48°的彈道曲線，如圖4所示。

圖4 射角為48°時(shí)的彈道曲線

2.2 仿真系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.2.1 仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖5為仿真系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)。駕駛席與炮長席公用一臺(tái)主機(jī)，操瞄席和半自動(dòng)操作席公用一臺(tái)主機(jī)，指揮席與監(jiān)控席公用一臺(tái)主機(jī)，通過分屏技術(shù)，每臺(tái)主機(jī)外接兩臺(tái)顯示器，席位與顯示器一一對(duì)應(yīng)。

三臺(tái)主機(jī)分別接入以太網(wǎng)，駕駛席與炮長席主機(jī)作為客戶端1，操瞄席和半自動(dòng)操作席主機(jī)作為客戶端2，指揮席與監(jiān)控席主機(jī)作為服務(wù)器端，主機(jī)之間數(shù)據(jù)交互通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行傳輸，駕駛席與炮長席的數(shù)據(jù)交互、操瞄席和半自動(dòng)操作席的數(shù)據(jù)交互、指揮席與監(jiān)控席的數(shù)據(jù)交互都是進(jìn)程內(nèi)部數(shù)據(jù)傳遞。每個(gè)席位都對(duì)應(yīng)硬件操作臺(tái)，通過串口對(duì)硬件數(shù)據(jù)進(jìn)行采集發(fā)送[7]。

圖5 仿真系統(tǒng)框架

2.2.2 三維場景仿真

三維視景仿真以Unity 3D游戲引擎為開發(fā)平臺(tái)，以視景仿真數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，通過3D技術(shù)逼真地生成布雷車駕駛操作過程、布雷裝備發(fā)射過程和火箭布雷彈的布雷過程等場景[8]。包括地面環(huán)境模擬、裝備及火箭彈運(yùn)行模擬、火箭彈發(fā)射效果、動(dòng)態(tài)布雷效果等。

3 結(jié)語

新型火箭布雷車模擬訓(xùn)練系統(tǒng)解決了目前工程兵部隊(duì)受場地、經(jīng)費(fèi)、安全性等因素導(dǎo)致的實(shí)裝訓(xùn)練無法開展的技術(shù)難題，為工程兵部隊(duì)開展新型火箭布雷車的訓(xùn)練與教學(xué)提供了一種貼近實(shí)戰(zhàn)的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)。模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)置了駕駛席、炮長席、操瞄席、半自動(dòng)操作席、指揮席、監(jiān)控/導(dǎo)調(diào)席等角色席位的模擬，可用于布雷班組按照布雷車實(shí)際作業(yè)過程，提供滿足布雷班組協(xié)同作業(yè)需要的布雷車戰(zhàn)術(shù)作業(yè)模擬訓(xùn)練環(huán)境。該模擬訓(xùn)練系統(tǒng)對(duì)于提高火箭布雷裝備訓(xùn)練技能、提高士兵訓(xùn)練積極性、節(jié)約裝備訓(xùn)練成本有重要意義。