李玉斌

(中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所,江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

裝備性能可以分為裝備作戰(zhàn)性能和保障性能。發(fā)揮裝備作戰(zhàn)性能的相關(guān)活動(dòng)稱為運(yùn)用,與保障性能有關(guān)的活動(dòng)稱為保障。裝備訓(xùn)練保障是為使裝備運(yùn)用訓(xùn)練順利實(shí)施而采取的各種措施和進(jìn)行的相應(yīng)活動(dòng)的統(tǒng)稱,主要包括經(jīng)費(fèi)保障、場(chǎng)地保障、器材保障、技術(shù)保障、物資保障、機(jī)務(wù)保障等。武器裝備越先進(jìn),自動(dòng)化程度越高,其對(duì)訓(xùn)練保障的依賴性就越強(qiáng)。要充分發(fā)揮無人直升機(jī)系統(tǒng)艦船使用效能,形成戰(zhàn)斗力,必須依賴龐大而復(fù)雜的無人直升機(jī)艦船使用場(chǎng)景訓(xùn)練保障系統(tǒng),完成對(duì)無人直升機(jī)系統(tǒng)在艦船使用執(zhí)行任務(wù)時(shí)的綜合檢測(cè)、故障檢測(cè)維修、勤務(wù)保障、指揮調(diào)度、模擬訓(xùn)練、轉(zhuǎn)場(chǎng)運(yùn)輸?shù)裙δ?提供無人直升機(jī)系統(tǒng)艦船使用日常維護(hù)。

傳統(tǒng)的保障人員訓(xùn)練方法主要依靠實(shí)裝,不僅耗費(fèi)較大,且無法解決裝備數(shù)量和更新速度不能滿足機(jī)務(wù)人員實(shí)際訓(xùn)練需要的問題。近年來,隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的興起與不斷發(fā)展,以及對(duì)各種飛行器模型、場(chǎng)景等的精確構(gòu)建,以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為手段來進(jìn)行各種有人及無人飛行器操縱的研究成為可能和必要。按照美國(guó)國(guó)防部的定義,虛擬仿真是指“真實(shí)的人在虛擬環(huán)境中操縱虛擬的系統(tǒng)”而進(jìn)行的仿真。在虛擬仿真中,每個(gè)戰(zhàn)爭(zhēng)實(shí)體均以虛擬對(duì)象的形式出現(xiàn),這些虛擬對(duì)象通過虛擬環(huán)境被合成到統(tǒng)一的戰(zhàn)爭(zhēng)空間中,從而達(dá)到戰(zhàn)爭(zhēng)仿真的目的。

我國(guó)無人直升機(jī)裝備建設(shè)起步較晚,在無人直升機(jī)裝備保障、管理和訓(xùn)練方面存在許多不足,與裝備發(fā)展尚不完全匹配,如果不加以解決,將影響到無人直升機(jī)作戰(zhàn)能力的生成與持續(xù)發(fā)揮,阻礙無人直升機(jī)裝備的作戰(zhàn)使用和建設(shè)發(fā)展。

本文以無人直升機(jī)艦船使用為對(duì)象開展訓(xùn)練保障虛擬仿真設(shè)計(jì)研究。無人直升機(jī)艦船使用訓(xùn)練保障虛擬仿真,就是依靠計(jì)算機(jī)創(chuàng)建以大型艦船為背景的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境,包括無人直升機(jī)、運(yùn)輸保障車、測(cè)控車等裝備,相關(guān)設(shè)備和保障人員的真實(shí)仿真,通過人機(jī)交互再現(xiàn)無人直升機(jī)艦船使用保障流程的全過程。在虛擬仿真系統(tǒng)中,可以打破空間、時(shí)間的限制,完全、自由地置身于仿真的訓(xùn)練場(chǎng)景中,獲得逼真的操作感受。利用虛擬仿真系統(tǒng),保障人員可以足不出戶進(jìn)行反復(fù)操作訓(xùn)練,直至完全掌握維護(hù)技能,熟悉操作流程。不會(huì)因設(shè)備、場(chǎng)所、經(jīng)費(fèi)短缺而影響訓(xùn)練,也不會(huì)怕?lián)p壞實(shí)裝而減少訓(xùn)練強(qiáng)度,從一定程度上節(jié)省了訓(xùn)練經(jīng)費(fèi)。

1 仿真模型與虛擬場(chǎng)景創(chuàng)建

1.1 虛擬環(huán)境的實(shí)現(xiàn)方式

采用基于OpenGL接口的方式來完成虛擬環(huán)境的實(shí)現(xiàn)。OpenGL具有很強(qiáng)的圖形處理能力,是行業(yè)領(lǐng)域中最受廣泛接納的 2D/3D 圖形 API,自誕生至今已催生了各種計(jì)算機(jī)平臺(tái)及設(shè)備上的數(shù)千優(yōu)秀應(yīng)用程序。OpenGL是獨(dú)立于操作系統(tǒng)的,亦是網(wǎng)絡(luò)透明的。

使用OpenGL進(jìn)行開發(fā)具有很強(qiáng)的可移植性。由于它是個(gè)與硬件無關(guān)的軟件接口,可以在不同的平臺(tái)如Windows、Unix、Linux、Mac OS、OS/2之間進(jìn)行移植,因此支持OpenGL的軟件具有很好的移植性,可以獲得非常廣泛的應(yīng)用。由于OpenGL是底層圖形庫(kù),沒有提供幾何實(shí)體圖元,故不能直接用以描述場(chǎng)景,但通過轉(zhuǎn)換程序可以很方便地將AutoCAD、3DS/3DSMAX等3D圖形設(shè)計(jì)軟件制作的模型文件轉(zhuǎn)換成OpenGL的頂點(diǎn)數(shù)組,符合訓(xùn)練保障虛擬仿真系統(tǒng)的開發(fā)需求[1]。

1.2 模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建

根據(jù)虛擬仿真系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的需求,對(duì)零件模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì),采用對(duì)各種模型數(shù)據(jù)信息歸納分類的方式進(jìn)行系統(tǒng)模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組織。其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組成如圖1。將各種模型數(shù)據(jù)信息抽象為五大類,分別是幾何信息、模型位姿信息、行為信息、約束關(guān)系信息和物理屬性信息。幾何信息包括幾何特征信息、幾何要素信息及幾何要素拓?fù)潢P(guān)系信息,即具體加工特征和尺寸參數(shù);模型位姿包括模型位置坐標(biāo)和方向信息,即零件模型的空間位姿矩陣;行為信息包括裝配順序、裝配路徑、運(yùn)動(dòng)方式等;約束關(guān)系包括零件之間的裝配或接觸關(guān)系,如貼合、對(duì)齊、相切、插入等;物理屬性信息則主要包括零件自身的非外形特征屬性,如代號(hào)、技術(shù)要求、設(shè)計(jì)版本、材料、紋理、類型等。上述信息分類對(duì)單個(gè)零件和多個(gè)零件組成的部件同樣有效。

圖1 模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.3 模型的建立

虛擬仿真過程是以保障對(duì)象及其相關(guān)設(shè)備的三維實(shí)體模型為基礎(chǔ),因此,三維建模是虛擬仿真訓(xùn)練保障系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心。三維模型的構(gòu)建可以二維圖紙和測(cè)繪為依據(jù),利用三維建模軟件建模得到,如圖2-圖4。

圖2 無人直升機(jī)模型

模型創(chuàng)建之后,需要對(duì)模型進(jìn)行相關(guān)的配置,搭建起仿真的虛擬場(chǎng)景。在這個(gè)虛擬場(chǎng)景中,對(duì)模型進(jìn)行控制,一般要加入地形效果、海洋、天空、光等等,就是要完善一下模型運(yùn)行環(huán)境,提高虛擬環(huán)境的真實(shí)度,讓觀察者更容易接受。

2 訓(xùn)練保障虛擬仿真系統(tǒng)軟件開發(fā)

采用基于OpenGL接口的方式開發(fā)無人直升機(jī)艦船使用訓(xùn)練保障虛擬仿真系統(tǒng)軟件,實(shí)現(xiàn)場(chǎng)務(wù)準(zhǔn)備、機(jī)務(wù)準(zhǔn)備、測(cè)控車準(zhǔn)備和無人機(jī)起飛降落等訓(xùn)練保障的仿真。其主要功能如下:

1)飛行任務(wù)單參數(shù)輸入:給出滿足無人直升機(jī)起降條件要求的氣象條件,完成訓(xùn)練保障科目所需的設(shè)備等;編制依據(jù),試驗(yàn)/試飛內(nèi)容和步驟以及無人直升機(jī)的準(zhǔn)備流程等。

2)場(chǎng)務(wù)準(zhǔn)備:通過運(yùn)輸保障車內(nèi)的拖車實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的裝卸;場(chǎng)務(wù)人員通過推動(dòng)推機(jī)點(diǎn)將無人直升機(jī)推至艦面甲板的規(guī)定起飛位置。

3)機(jī)務(wù)準(zhǔn)備:按照各檢查站位點(diǎn)順次完成無人直升機(jī)的各部位的飛行前檢查;飛行前檢查結(jié)束后加注燃油/滑油。

4)測(cè)控準(zhǔn)備:無人機(jī)準(zhǔn)備就緒后,一名飛行指揮員用電腦通過串口通信與無人機(jī)連接,從而獲取起飛點(diǎn)位置坐標(biāo),加載航路點(diǎn)。

5)飛行:無人直升機(jī)在做好場(chǎng)務(wù)準(zhǔn)備、機(jī)務(wù)準(zhǔn)備和測(cè)控準(zhǔn)備后,隨即從艦面上起飛,在測(cè)控車內(nèi)測(cè)控人員的控制或監(jiān)控下進(jìn)行飛行訓(xùn)練。

2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與詳細(xì)設(shè)計(jì)

采用自頂而下的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其任務(wù)是設(shè)計(jì)系統(tǒng)的框架和概貌,主要工作包括:根據(jù)系統(tǒng)需求分析,確定整個(gè)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)并劃分子系統(tǒng);確定子系統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu);配置軟件開發(fā)和運(yùn)行的軟、硬設(shè)備;確定數(shù)據(jù)(三維模型和其他相關(guān)信息)的存貯方式;對(duì)整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的規(guī)劃等。詳細(xì)設(shè)計(jì)主要包括處理過程設(shè)計(jì)、代碼設(shè)計(jì)、界面設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)、輸入輸出設(shè)計(jì)等。

2.2 數(shù)據(jù)接口的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)需要的模型文件從其它三維設(shè)計(jì)軟件中導(dǎo)入。導(dǎo)入的數(shù)據(jù)主要可以分為三部分:模型圖形信息、模型特征信息和裝配信息。

模型圖形信息的導(dǎo)入,由于三維設(shè)計(jì)軟件自身的文件格式都是保密的,必須通過中性文件進(jìn)行轉(zhuǎn)換操作,因此在系統(tǒng)中,需要開發(fā)相應(yīng)的中性文件導(dǎo)入接口。

模型特征信息的識(shí)別和獲取,這個(gè)過程無法在模型導(dǎo)入后完成,但可以在建模軟件中進(jìn)行。具體方法是對(duì)建模軟件進(jìn)行一定程度的二次開發(fā),生成特征識(shí)別功能,并將特征信息按照一定格式輸出。在進(jìn)行模型導(dǎo)入的時(shí)候,圖形信息和特征信息必須同時(shí)導(dǎo)入,并進(jìn)行可靠性校驗(yàn)。

裝配信息的導(dǎo)入可以采用兩種方法:一種是采用對(duì)建模軟件進(jìn)行二次開發(fā)的方法,直接進(jìn)行裝配信息讀取,優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單,但在實(shí)際過程中,可能產(chǎn)生兼容性錯(cuò)誤;另一種方法是,將零件模型導(dǎo)入系統(tǒng)之后進(jìn)行重新裝配,在系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行裝配記錄,優(yōu)點(diǎn)是靈活準(zhǔn)確[2]。

2.3 人機(jī)交互

人和虛擬環(huán)境的交互主要包括以下三個(gè)方面:

1)可視性:交互動(dòng)作能夠在虛擬環(huán)境下生成和顯示。

2)可感知性:虛擬環(huán)境能感覺到人的存在和交互動(dòng)作。

3)可理解性:虛擬環(huán)境能夠理解輸入的交互操作,并據(jù)此做出符合規(guī)則、規(guī)范的反應(yīng)。

其中第一方面在虛擬環(huán)境生成時(shí)已經(jīng)部分實(shí)現(xiàn);其他兩方面的實(shí)現(xiàn),其關(guān)鍵是序列檢索識(shí)別、模型空間變換、模型空間拾取和模型碰撞檢測(cè)。

序列檢索識(shí)別是對(duì)輸入的鼠標(biāo)鍵盤序列進(jìn)行識(shí)別,并與預(yù)定義的標(biāo)準(zhǔn)操作序列進(jìn)行比較和匹配,從而理解用戶輸入意圖,執(zhí)行相應(yīng)的處理程序。

模型空間變換是指模型相對(duì)固定空間進(jìn)行任意旋轉(zhuǎn)、縮放操作,使之產(chǎn)生期望中的變化,可以通過Open GL實(shí)現(xiàn)。

模型的拾取是指通過輸入設(shè)備(鼠標(biāo)、鍵盤)在虛擬環(huán)境中選取某個(gè)模型,以作為后續(xù)操作對(duì)象的過程。其主要技術(shù)思路是根據(jù)輸入設(shè)備的屏幕坐標(biāo),通過投影矩陣和觀察矩陣把該坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為通過視點(diǎn)和輸入設(shè)備的一條射入場(chǎng)景的光線,與該光線最先相交的模型,即為拾取對(duì)象。

碰撞檢測(cè)主要應(yīng)用于模型的裝配過程,用以判斷兩模型之間是否存在形狀干涉。目前常用的方法包括頂點(diǎn)干涉檢查法和包圍盒法等。這些方法都存在不同的缺點(diǎn),或者檢測(cè)速度不夠理想,或者存在誤差。可以綜合采用多種方法進(jìn)行碰撞檢測(cè),在兼顧效率的情況下,盡量提高檢測(cè)精度[3]。

2.4 仿真界面的設(shè)計(jì)和功能設(shè)置

界面設(shè)計(jì)是應(yīng)用程序的重要部分,是進(jìn)行人機(jī)交互的主要通道。界面設(shè)計(jì)得是否合理是衡量視景仿真功能的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。合理的設(shè)計(jì)可以讓觀察使用者最大程度地發(fā)揮出系統(tǒng)的效用。

仿真界面的布局可分為三部分:左側(cè)為指令控制區(qū),指令包括飛行任務(wù)單、飛行準(zhǔn)備(場(chǎng)務(wù)準(zhǔn)備、機(jī)務(wù)準(zhǔn)備和測(cè)控準(zhǔn)備)、無人機(jī)至起飛點(diǎn)、飛行、視角(現(xiàn)場(chǎng)總指揮、機(jī)務(wù)人員、場(chǎng)務(wù)人員、飛機(jī)和全景等)和退出命令等;右側(cè)設(shè)有即時(shí)信息顯示窗口,顯示人員崗位說明及資源配置信息;指令區(qū)和信息顯示窗口可以在鼠標(biāo)操作下進(jìn)行拖動(dòng);剩下的整個(gè)區(qū)域?yàn)橐暰罢故緟^(qū)域。

仿真界面可以實(shí)現(xiàn)如下功能:

1)觀察視角的變化

主要是控制視景展示區(qū)域內(nèi)視角位置的變化,在訓(xùn)練保障仿真流程進(jìn)行的同時(shí),使用者可以切換到以下視角分別進(jìn)行觀察和交互操作:現(xiàn)場(chǎng)總指揮、飛行指揮員、測(cè)控指令員、飛行操作員、任務(wù)監(jiān)控員、機(jī)務(wù)人員、場(chǎng)務(wù)人員、飛機(jī)以及全景(見圖5)。

圖5 視角操作菜單

2)訓(xùn)練保障仿真流程實(shí)現(xiàn)

打開無人直升機(jī)艦船使用虛擬仿真系統(tǒng)后,如圖6所示,通過依次點(diǎn)擊指令控制區(qū)的各按鈕,交互操作,可以實(shí)現(xiàn)以下功能:飛行任務(wù)指令的下達(dá),飛行準(zhǔn)備中的場(chǎng)務(wù)準(zhǔn)備、機(jī)務(wù)準(zhǔn)備和測(cè)控車準(zhǔn)備,飛行仿真演示(見圖6)。

圖6 指令菜單

3 訓(xùn)練保障虛擬仿真試驗(yàn)

3.1 飛行任務(wù)下達(dá)

打開訓(xùn)練保障虛擬仿真系統(tǒng)后,點(diǎn)擊指令中的飛行任務(wù)單,下達(dá)飛行任務(wù)指令,生成此次任務(wù)的飛行任務(wù)單。飛行任務(wù)單中選項(xiàng)包括:飛行需要條件、完成科目所需設(shè)備、儀器、編制依據(jù)、試驗(yàn)/ 試飛內(nèi)容和步驟以及無人直升機(jī)的準(zhǔn)備流程。

圖7 飛行任務(wù)單

3.2 場(chǎng)務(wù)準(zhǔn)備

1)從運(yùn)輸保障車上卸下無人直升機(jī),場(chǎng)務(wù)人員通過拖車將無人直升機(jī)從運(yùn)輸保障車中卸下,如圖8所示(前視圖)。

2)場(chǎng)務(wù)人員通過推動(dòng)推機(jī)點(diǎn)將無人直升機(jī)推至艦面甲板上的規(guī)定起飛位置,如圖9所示。

3.3 機(jī)務(wù)準(zhǔn)備

機(jī)務(wù)準(zhǔn)備主要是負(fù)責(zé)完成無人直升機(jī)試飛前后的安全檢查,就是按機(jī)務(wù)檢查站位圖及檢查內(nèi)容完成飛行前檢查。要求按圖10所示檢查工作站位順次檢查無人直升機(jī)各部位。飛行前檢查仿真過程如圖11所示。飛行前檢查結(jié)束后,可以按飛行任務(wù)要求加注燃油/滑油。

圖10 檢查工作站位示意圖

圖11 飛行前檢查仿真

3.4 測(cè)控準(zhǔn)備及飛行仿真

測(cè)控準(zhǔn)備及飛行仿真包括二部分內(nèi)容,分別是獲取起飛點(diǎn)坐標(biāo)和加載航路點(diǎn)。無人直升機(jī)準(zhǔn)備完畢后,測(cè)控車內(nèi)的飛行操作人員操作控制無人直升機(jī)起飛。

3.5 試驗(yàn)結(jié)論

訓(xùn)練保障虛擬仿真試驗(yàn)證明,該仿真系統(tǒng)具有以下功能:

1)可實(shí)現(xiàn)打開訓(xùn)練保障演示仿真系統(tǒng)后,按飛行任務(wù)指令要求生成飛行任務(wù)單;

2)可實(shí)現(xiàn)場(chǎng)務(wù)準(zhǔn)備,包括運(yùn)輸保障車卸下無人直升機(jī)和推動(dòng)無人直升機(jī)至起飛點(diǎn);

3)可實(shí)現(xiàn)機(jī)務(wù)準(zhǔn)備,即按機(jī)務(wù)檢查站位圖及檢查內(nèi)容完成飛行前檢查;

4)可實(shí)現(xiàn)測(cè)控車準(zhǔn)備,包括獲取起飛點(diǎn)坐標(biāo)和航路點(diǎn)加載;

5)可實(shí)現(xiàn)當(dāng)無人機(jī)各項(xiàng)準(zhǔn)備完畢后,演示在測(cè)控車內(nèi)飛行操作人員的操作下,控制無人直升機(jī)的起飛。

試驗(yàn)結(jié)果也證明該系統(tǒng)具有良好的人機(jī)交互界面、導(dǎo)航和在線幫助功能,對(duì)無效操作具有拒絕功能,運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。

4 結(jié)束語(yǔ)

利用訓(xùn)練保障虛擬仿真系統(tǒng)進(jìn)行無人機(jī)操作訓(xùn)練,能夠有效克服實(shí)裝訓(xùn)練中存在的問題,且經(jīng)濟(jì)、智能、可重用。與傳統(tǒng)訓(xùn)練方法相比,虛擬訓(xùn)練保障方法具有如下優(yōu)點(diǎn):

1)展示直觀:與傳統(tǒng)講解方式比較,虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)更易于理解,使用三維仿真環(huán)境并通過各種交互操作能夠真實(shí)再現(xiàn)訓(xùn)練保障流程的全過程。

2)訓(xùn)練效果好:虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)包括無人機(jī)訓(xùn)練保障流程的全過程,受訓(xùn)人員可以不受次數(shù)限制地反復(fù)熟悉訓(xùn)練保障流程,訓(xùn)練效果將大大提高。

3)使用方便、維護(hù)簡(jiǎn)單,受訓(xùn)人員數(shù)量和操作時(shí)間可以得到充分保證:虛擬系統(tǒng)沒有場(chǎng)地要求,可以供培訓(xùn)學(xué)員隨時(shí)使用,在系統(tǒng)完成之后,只需要少量的系統(tǒng)維護(hù)人員即可持續(xù)使用。

4)安全性高:訓(xùn)練保障虛擬仿真系統(tǒng)不會(huì)發(fā)生人員或設(shè)備事故,訓(xùn)練的安全性非常高。

5)訓(xùn)練成本低:作為綠色維修系統(tǒng),所需的一次性投入為系統(tǒng)設(shè)計(jì)和PC機(jī)購(gòu)買費(fèi)用,后續(xù)的消耗和維護(hù)費(fèi)用極低。

系統(tǒng)同時(shí)具有數(shù)據(jù)和功能兩方面的可擴(kuò)展性,可以根據(jù)培訓(xùn)使用過程中出現(xiàn)的新需求進(jìn)行后續(xù)升級(jí),添加新的功能,具有廣闊的應(yīng)用前景。