黃海英，朱元武，魏潔英，羅 浩，溫永強(qiáng)

（北方自動(dòng)控制技術(shù)研究所，太原 030006）

0 引言

軍事訓(xùn)練是國(guó)防建設(shè)和軍事斗爭(zhēng)準(zhǔn)備的重要方面，主要有實(shí)裝訓(xùn)練和模擬訓(xùn)練兩種方式［1］。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，模擬訓(xùn)練以其安全、易組織和高費(fèi)效比的優(yōu)勢(shì)成為和平時(shí)期戰(zhàn)斗力生成的主要訓(xùn)練方式，特別是在信息化體系作戰(zhàn)的訓(xùn)練需求下，模擬訓(xùn)練成為面向解決聯(lián)合作戰(zhàn)訓(xùn)練問(wèn)題的一種有效方案［2］。作為聯(lián)合作戰(zhàn)訓(xùn)練下的重要一環(huán)，裝備綜合模擬器設(shè)計(jì)正朝著精益求精的方向發(fā)展，通過(guò)對(duì)裝備操控空間布局、操控流程和武器性能的高度還原，提供與實(shí)裝訓(xùn)練高度貼近的訓(xùn)練體驗(yàn)［3］。在車內(nèi)空間布局三維模型的基礎(chǔ)上，以實(shí)裝為依據(jù)，設(shè)計(jì)大小、功能、力感等特性與實(shí)裝一致的操控硬件，通過(guò)對(duì)車輛運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)，彈丸發(fā)射軌跡研究，構(gòu)建實(shí)裝性能仿真模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)武器裝備性能的模擬，結(jié)合場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)和實(shí)時(shí)生成技術(shù)，可以搭建高逼真“人在環(huán)”戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，提供視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和力感的真實(shí)感受，滿足部隊(duì)訓(xùn)練需要［4-6］。隨著新形勢(shì)下戰(zhàn)爭(zhēng)模式的轉(zhuǎn)變，訓(xùn)練模式也從傳統(tǒng)的單兵、單武器、單平臺(tái)作戰(zhàn)轉(zhuǎn)變成了集偵察、指揮、火力、保障于一體的體系作戰(zhàn)模式，為適應(yīng)龐大的模擬訓(xùn)練體系規(guī)模，綜合經(jīng)濟(jì)效益和靈活訓(xùn)練需要，裝備綜合模擬器朝著更加便攜的方向發(fā)展，裝甲分隊(duì)是陸軍作戰(zhàn)的重要力量，對(duì)裝甲綜合模擬器小型化、輕量化、便攜式設(shè)計(jì)具有重要的意義。

針對(duì)聯(lián)合作戰(zhàn)背景下分隊(duì)訓(xùn)練的發(fā)展需求，提出一種基于虛實(shí)結(jié)合的便攜式裝甲模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用虛實(shí)結(jié)合的方式構(gòu)建空間布局，在實(shí)物操作部件的基礎(chǔ)上，構(gòu)建車內(nèi)結(jié)構(gòu)模型并補(bǔ)齊操控要素，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)裝操控環(huán)境的模擬。系統(tǒng)通過(guò)硬件虛化的方式，減少了硬件的數(shù)量，并在滿足功能和性能需求的基礎(chǔ)上，選擇輕量化材料，控制在單兵可攜帶的范圍，此外，采用VR 頭盔與數(shù)據(jù)手套等虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，可以提供高沉浸訓(xùn)練體驗(yàn)，可支持單兵技能訓(xùn)練和分隊(duì)?wèi)?zhàn)術(shù)訓(xùn)練。

1 總體設(shè)計(jì)原則

便攜式裝甲模擬訓(xùn)練系統(tǒng)能夠合理繼承現(xiàn)有技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在實(shí)現(xiàn)裝備操作流程和性能模擬的基礎(chǔ)上，采用虛實(shí)結(jié)合的方式進(jìn)行操控空間設(shè)計(jì)，同時(shí)，充分考慮通用化、模塊化、輕量化和拓展性要求［7］，通過(guò)統(tǒng)一產(chǎn)品架構(gòu)、接口協(xié)議和通信協(xié)議，在設(shè)計(jì)方案中尋求最佳實(shí)現(xiàn)途徑。

1）自頂向下原則：充分分析系統(tǒng)的功能需求和工作方式，采用頂層設(shè)計(jì)思想，自頂向下逐層分解系統(tǒng)的專業(yè)技術(shù)訓(xùn)練、單車合練和分隊(duì)?wèi)?zhàn)術(shù)訓(xùn)練使用方式和功能需求，進(jìn)行軟硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)和模塊劃分；

2）硬件設(shè)計(jì)原則：硬件設(shè)計(jì)遵循相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)結(jié)構(gòu)化、可復(fù)用的設(shè)計(jì)原則，對(duì)具有相似功能的部件采用標(biāo)準(zhǔn)化和互換性設(shè)計(jì)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，在保證整體強(qiáng)度和可靠性的基礎(chǔ)上減少冗余結(jié)構(gòu)，做簡(jiǎn)做精。在材料選擇上，選擇重量較輕的替代材料，盡可能降低重量；

3）可拓展原則：交互設(shè)計(jì)中預(yù)留充足的接口，接口用途和定義明確，建立具有較強(qiáng)擴(kuò)展性、兼容性和可靠性的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，明確通信傳輸協(xié)議中的語(yǔ)法、語(yǔ)義、定時(shí)規(guī)則，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)之間高實(shí)時(shí)性、低丟包率的數(shù)據(jù)交互；

4）虛實(shí)結(jié)合原則：以虛實(shí)結(jié)合的方式構(gòu)造與實(shí)裝一致操控空間，基于系統(tǒng)的功能需求和使用情況，對(duì)影響沉浸感的關(guān)鍵要素進(jìn)行實(shí)物設(shè)計(jì)，如駕駛員操縱臺(tái)（轉(zhuǎn)向、油門、制動(dòng)、變速操縱裝置）、炮手操縱臺(tái)和車長(zhǎng)操縱臺(tái)等，其他操控元素以虛擬控件的形式補(bǔ)齊，通過(guò)虛實(shí)結(jié)合的設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練裝備的小型化、輕量化。

2 實(shí)裝性能仿真建模

2.1 駕駛性能仿真建模

駕駛性能是武器裝備的核心性能之一，其仿真程度直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的逼真度和沉浸感，駕駛性能仿真主要實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)、起車、換擋、變速、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、停車、熄火等操作過(guò)程模擬，基于高逼真的車輛三維模型和實(shí)裝的性能參數(shù)，建立車輛運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真模型，能夠真實(shí)模擬車輛動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、行駛系統(tǒng)和車身運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

針對(duì)裝甲車輛的性能特點(diǎn)，結(jié)合車輛結(jié)構(gòu)分析和仿真功能實(shí)現(xiàn)，兼顧模型構(gòu)建和實(shí)時(shí)解算的需求，將駕駛模型分為發(fā)動(dòng)機(jī)模型、傳動(dòng)系統(tǒng)模型、行駛系統(tǒng)模型、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型和車身動(dòng)力學(xué)模型5 個(gè)部分構(gòu)建，其解算過(guò)程如下頁(yè)圖1 所示，發(fā)動(dòng)機(jī)模型將油門信號(hào)轉(zhuǎn)化為發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩，通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)中一系列的齒輪嚙合形成不同的傳動(dòng)比來(lái)增加從發(fā)動(dòng)機(jī)傳到驅(qū)動(dòng)車輪的轉(zhuǎn)矩并降低轉(zhuǎn)速，通過(guò)左右輪驅(qū)動(dòng)力矩的分配，可以實(shí)現(xiàn)兩側(cè)車輪轉(zhuǎn)速不同，車輛運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，車輪輪胎與地面的摩擦力可以控制車輛的加速、減速和轉(zhuǎn)向等運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制。將換擋、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)等信息輸入到模型，可以實(shí)時(shí)解算為車輛實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)車身位置、方位及其速度變化模擬功能和車身對(duì)路面響應(yīng)模擬的功能。

圖1 駕駛模型運(yùn)行流程Fig.1 Operation process of driving model

2.2 射擊性能仿真建模

射擊性能是主戰(zhàn)裝備的關(guān)鍵性能，是其主要的戰(zhàn)斗力體現(xiàn)，射擊性能仿真是對(duì)射手射擊操作流程及其特點(diǎn)的仿真，實(shí)裝真實(shí)性能與仿真結(jié)果的擬合程度不僅影響操作過(guò)程中的沉浸感，而且直接影響系統(tǒng)的訓(xùn)練效果。射擊性能仿真包括：搜索目標(biāo)、瞄準(zhǔn)、激光測(cè)距、裝彈、射擊等操作過(guò)程模擬，以及對(duì)火炮飛行軌跡效果仿真等。通過(guò)構(gòu)建與實(shí)裝一致的操縱速度曲線，模擬實(shí)裝上射手操縱瞄線時(shí)的真實(shí)感受，基于控制面板裝置實(shí)現(xiàn)射擊控制過(guò)程，通過(guò)基于射表的差值擬合方法，求出火炮高低和方位射角等射擊諸元，并結(jié)合彈道仿真模型，完成對(duì)火炮飛行軌跡的仿真。

2.2.1 構(gòu)建與實(shí)裝一致的操縱速度曲線

在裝甲裝備上，射手通過(guò)操縱臺(tái)控制瞄線和火線轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)搜索可疑目標(biāo)，為了還原這一操作過(guò)程的真實(shí)感受，系統(tǒng)建立了與實(shí)裝一致的操縱速度曲線，曲線按照操縱臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)角度與瞄準(zhǔn)速度的關(guān)系可分為4 個(gè)區(qū)，分別為死區(qū)、精瞄區(qū)、調(diào)轉(zhuǎn)火力區(qū)和最大調(diào)炮區(qū)。精瞄區(qū)內(nèi)瞄線轉(zhuǎn)動(dòng)速度隨操縱臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的變化速度慢，用于射手精確瞄準(zhǔn)目標(biāo)并對(duì)目標(biāo)進(jìn)行射擊；調(diào)轉(zhuǎn)火力區(qū)內(nèi)瞄線轉(zhuǎn)動(dòng)速度隨操縱臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的變化速度快，用于射手快速調(diào)轉(zhuǎn)火力，搜索發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，操縱速度曲線如圖2 所示。其中，vmin為最小瞄準(zhǔn)速度；vmax為最大調(diào)炮速度，最小瞄準(zhǔn)速度和最大調(diào)炮速度與實(shí)裝一致。

圖2 操縱速度曲線圖Fig.2 Control speed curve

圖3 彈丸飛行距離-高度曲線Fig.3 Flight distance-height curve of projectile

圖4 彈丸飛行時(shí)間-高度曲線Fig.4 Flight time-height curve of projectile

圖5 彈丸飛行時(shí)間-速度曲線Fig.5 Flight time-speed curve of projectile

2.2.2 基于射表的插值擬合方法計(jì)算射擊諸元

諸元解算用于目標(biāo)測(cè)距后計(jì)算火炮高低、方位射角和彈丸飛行時(shí)間等信息，其思路是根據(jù)彈丸坐標(biāo)、測(cè)距距離、彈種、裝藥、氣象條件等，得到火炮與目標(biāo)的綜合距離，通過(guò)對(duì)射表進(jìn)行插值擬合的方法，結(jié)合橫風(fēng)、目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度等，最終得到當(dāng)前目標(biāo)測(cè)距下的火炮高低和方位射角。其計(jì)算過(guò)程如表1所示。根據(jù)氣溫修正、海拔修正的公式得到當(dāng)前射擊條件下的綜合距離，根據(jù)綜合距離能夠從射表中插值擬合彈丸在有效射程內(nèi)的射擊諸元。

表1 射擊諸元計(jì)算列表Table 1 Calculation list of firing data

2.2.3 基于動(dòng)力學(xué)的彈道仿真

外彈道仿真大量應(yīng)用于作戰(zhàn)仿真和模擬訓(xùn)練中，其仿真算法性能和精度高低直接影響系統(tǒng)的訓(xùn)練效果。由于受到彈丸初速、旋轉(zhuǎn)角速度、發(fā)射角度、質(zhì)量、形狀、重力、空氣阻力、風(fēng)力及偏流等諸多因素的影響，彈丸的飛行軌跡是一條非常復(fù)雜的空間曲線。為了提高彈道仿真的可信度，系統(tǒng)采用解彈道方程組的方法建立彈道仿真模型，充分考慮彈丸出膛后各種擾動(dòng)因素，并依據(jù)射擊時(shí)的氣象報(bào)文、射擊諸元等信息，實(shí)時(shí)調(diào)整彈道解算動(dòng)力學(xué)模型。以直瞄類武器彈道仿真為例，建立彈丸局部坐標(biāo)系和大地坐標(biāo)系，運(yùn)用文獻(xiàn)［8］的方法進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，由于直瞄類武器的有效射程大都在4 000 m以內(nèi)，在彈道解算過(guò)程中，不考慮科氏慣性力、地球自轉(zhuǎn)、地表曲率等因素的影響。非標(biāo)準(zhǔn)氣象條件下，外彈道模型的彈丸質(zhì)心運(yùn)動(dòng)微分方程為：

其中，vx、vy、vz為彈丸在三坐標(biāo)軸方向的速度分量；Cb為彈道系數(shù)；H1（y）為空氣密度函數(shù)；g 為重力加速度；G（vr，C1）為阻力系數(shù)；vr為彈丸飛行速度；C1為聲速；wx、wy、wz為風(fēng)的速度分量。通過(guò)輸入彈丸初速、初始射角、溫度、氣壓以及炮口坐標(biāo)等信息，定義時(shí)間步長(zhǎng)，可以得到不同時(shí)間彈丸存速和坐標(biāo)信息，結(jié)果表明，基于動(dòng)力學(xué)的彈道仿真模型與現(xiàn)實(shí)彈丸飛行軌跡高度擬合，算法簡(jiǎn)便易行，符合實(shí)時(shí)解算的需求，在模擬訓(xùn)練領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用效果。

2.3 指揮通信仿真建模

隨著信息化的發(fā)展，指揮通信發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。對(duì)于具有車長(zhǎng)射擊功能的裝甲裝備來(lái)說(shuō)，指揮通信仿真建模包括對(duì)車長(zhǎng)獨(dú)立觀察、指示目標(biāo)、超越射擊和指揮通信等操作過(guò)程的模擬。系統(tǒng)通過(guò)兩個(gè)方面來(lái)實(shí)現(xiàn)指揮通信性能的模擬：一是通過(guò)虛實(shí)結(jié)合的方式，對(duì)車長(zhǎng)操縱臺(tái)、車長(zhǎng)綜合顯控終端、車長(zhǎng)操控面板和車長(zhǎng)顯控終端等操縱部件進(jìn)行模擬，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)與實(shí)裝一致的操控邏輯控制；二是通過(guò)采用Okumura-Hata 信道質(zhì)量計(jì)算模型，綜合考慮了氣象環(huán)境、地形、通信距離、電磁干擾等因素對(duì)通信的影響，實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)過(guò)程中通信效果模擬。其功能實(shí)現(xiàn)如下頁(yè)圖6 所示。車長(zhǎng)通過(guò)操作虛擬模型（車長(zhǎng)綜合顯控終端、車長(zhǎng)操控面板和車長(zhǎng)顯控終端）和實(shí)物模型車長(zhǎng)操縱臺(tái)等操控部件，將操控信息通過(guò)訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)發(fā)送給射擊控制軟件和視景仿真軟件，其中，射擊控制軟件根據(jù)操控信息實(shí)現(xiàn)與實(shí)裝一致的火控系統(tǒng)邏輯控制，視景仿真軟件提供訓(xùn)練所需的終端界面仿真、視景仿真和通信仿真，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)車長(zhǎng)指揮通信操控過(guò)程的模擬。

圖6 指揮通信仿真運(yùn)行流程Fig.6 Operation process of command and communication simulation

3 總體方案設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)思路

便攜式裝甲模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路是：采用虛實(shí)結(jié)合的方式，構(gòu)建基于實(shí)物操縱部件和虛擬控制面板相結(jié)合的操控環(huán)境，根據(jù)系統(tǒng)的功能需求和使用情況進(jìn)行主要操縱的設(shè)計(jì)，并使其外形、功能和力感與實(shí)裝保持一致，主要包括駕駛員操縱臺(tái)（轉(zhuǎn)向、油門、制動(dòng)、變速操縱裝置）、炮手操縱臺(tái)和車長(zhǎng)操縱臺(tái)，其余操縱要素以虛擬控件的形式呈現(xiàn)，并通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備（VR 頭盔和數(shù)據(jù)手套）提供所需要的聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)和人機(jī)交互感受，用于沉浸式操作流程體驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)。為了滿足單兵攜行需要，所有硬件設(shè)備可布置在同一攜行箱中，其中，實(shí)物操縱部件與攜行箱為一體化設(shè)計(jì)，訓(xùn)練過(guò)程中，實(shí)物操縱裝置通過(guò)伸縮結(jié)構(gòu)形成與實(shí)裝一致的位置布局，所需的高度通過(guò)折疊裝置實(shí)現(xiàn)。其駕駛員席位示意圖如圖7 所示。

圖7 駕駛員席位示意圖Fig.7 Sketch map of driver's seat

3.2 系統(tǒng)組成

3.2.1 硬件設(shè)計(jì)

便攜式模擬訓(xùn)練系統(tǒng)由導(dǎo)調(diào)控制端、駕駛員席位、射手席位和車長(zhǎng)席位組成，可以分成實(shí)物操縱部件和虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備兩種，采用背負(fù)式便攜的方式，將設(shè)備放到便攜箱內(nèi)可單兵攜帶使用，支持單席位技能專業(yè)訓(xùn)練、單車合練和分隊(duì)組網(wǎng)訓(xùn)練。其硬件組成和連接如圖8 所示。

圖8 硬件連接關(guān)系圖Fig.8 Diagram of hardware connection relationship

圖9 駕駛操縱裝置、射手操縱臺(tái)Fig.9 Driving control device and gunner’s console

1）實(shí)物操縱部件

實(shí)物操縱部件包括駕駛員操縱臺(tái)、射手操縱臺(tái)、車長(zhǎng)操縱臺(tái)。在操作使用方式、力感以及外形上與實(shí)裝盡可能接近的情況下，做小做輕，使其更加方便攜帶。

駕駛員操縱臺(tái)包括轉(zhuǎn)向操縱裝置、油門、制動(dòng)操縱裝置和變速操縱手柄，具有與實(shí)裝一致的外形和尺寸，用于模擬實(shí)裝駕駛操縱臺(tái)的主要操作流程，可以實(shí)現(xiàn)變速、換擋、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)等操作動(dòng)作過(guò)程模擬。

射手操縱臺(tái)模擬設(shè)備由左右手柄、殼體、水平回位機(jī)構(gòu)、俯仰回位機(jī)構(gòu)、水平信號(hào)傳感器、俯仰信號(hào)傳感器、模擬開(kāi)關(guān)、指示燈及專用信號(hào)處理板組成，用于模擬實(shí)裝射手操縱臺(tái)的主要功能和操作動(dòng)作過(guò)程，具有上電、方位向電動(dòng)調(diào)炮、高低向電動(dòng)調(diào)炮、火炮方位調(diào)零、火炮高低調(diào)零、擊發(fā)保險(xiǎn)、裝彈、測(cè)距、槍擊發(fā)、炮擊發(fā)以及狀態(tài)指示等功能。

車長(zhǎng)操縱臺(tái)與射手操縱臺(tái)設(shè)計(jì)基本一致，在必要的時(shí)候?qū)崿F(xiàn)超越射擊功能，模擬實(shí)裝車長(zhǎng)操縱臺(tái)的主要功能和操作動(dòng)作過(guò)程。

2）虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備

VR 頭盔、數(shù)據(jù)手套是主要的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，共同完成與虛擬環(huán)境的交互。經(jīng)過(guò)對(duì)市場(chǎng)上虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備進(jìn)行比對(duì)分析，結(jié)合經(jīng)濟(jì)效益和系統(tǒng)功能需要，選用HTC 的VIVE Pro 型頭盔和VRTRIX 數(shù)據(jù)手套。VR 頭盔與數(shù)據(jù)手套本身不具備空間定位的功能，因此，需要與追蹤器和定位器配套使用，可以實(shí)時(shí)捕捉頭盔和雙手的空間位置。訓(xùn)練過(guò)程中，包括訓(xùn)練場(chǎng)景和虛擬控件的虛擬操作空間通過(guò)VR 頭盔反饋給參訓(xùn)人員，通過(guò)數(shù)據(jù)手套遍布全手的高性能傳感器實(shí)時(shí)采集各指頭關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，以獲取操作時(shí)雙手的動(dòng)作姿態(tài)、開(kāi)關(guān)按鈕、掛擋摘擋、握緊方向盤等動(dòng)作，結(jié)合定位器和追蹤器，將操縱結(jié)果準(zhǔn)確投影到相應(yīng)虛擬控件上，實(shí)現(xiàn)與虛擬環(huán)境中各種設(shè)備的交互，其交互實(shí)現(xiàn)原理如圖10 所示。

3.2.2 軟件設(shè)計(jì)

便攜式模擬訓(xùn)練系統(tǒng)主要由訓(xùn)練管控軟件、訓(xùn)練管控客戶端軟件、駕駛視景仿真軟件、炮長(zhǎng)視景仿真軟件、車長(zhǎng)視景仿真軟件、射擊控制軟件、通信仿真軟件、VR 設(shè)備管理軟件和信號(hào)采集軟件組成。分別部署在基于Windows 7 系統(tǒng)運(yùn)行的總控臺(tái)計(jì)算機(jī)和各仿真計(jì)算機(jī)上，其功能和部署如下頁(yè)圖11 所示。

圖11 軟件功能及部署Fig.11 Software functions and deployment

在軟件的實(shí)際應(yīng)用中，要模擬裝備在場(chǎng)景中的運(yùn)動(dòng)并實(shí)時(shí)顯示，不僅要對(duì)開(kāi)關(guān)、按鈕、火控指令和通信信息等進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和處理，還要模擬訓(xùn)練過(guò)程中儀表、終端面板、指示燈等參數(shù)變化并實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)根據(jù)車輛參數(shù)、運(yùn)行姿態(tài)等參數(shù)進(jìn)行戰(zhàn)場(chǎng)場(chǎng)景的實(shí)時(shí)渲染。各軟件之間運(yùn)行機(jī)制和信息交互如圖12 所示。

圖12 軟件信息交互Fig.12 Interaction of software information

圖13 戰(zhàn)術(shù)模擬訓(xùn)練應(yīng)用模式Fig.13 Application mode of tactical simulation training

訓(xùn)練準(zhǔn)備階段，訓(xùn)練管控軟件將訓(xùn)練課目、訓(xùn)練條件、訓(xùn)練人員等基本想定信息發(fā)送到各訓(xùn)練席位的訓(xùn)練管控客戶端軟件，管控客戶端軟件接收、存儲(chǔ)和處理數(shù)據(jù)發(fā)送給相應(yīng)的視景仿真軟件，課目加載成功。訓(xùn)練過(guò)程中，視景仿真軟件接收信號(hào)采集軟件采集的操縱臺(tái)和VR 設(shè)備的硬件操縱信息，調(diào)用仿真模型和資源，解算車輛速度、運(yùn)動(dòng)姿態(tài)及火力狀態(tài)信息，實(shí)時(shí)渲染車輛狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)場(chǎng)下裝備性能仿真，將相關(guān)性能參數(shù)發(fā)送到各席位客戶端并在顯控終端顯示，訓(xùn)練結(jié)束后，采集成績(jī)?cè)u(píng)估信息，通過(guò)成績(jī)?cè)u(píng)估模型解算，進(jìn)行成績(jī)?cè)u(píng)估并下發(fā)。

4 應(yīng)用模式

在一體化聯(lián)合作戰(zhàn)的訓(xùn)練背景下，以單專業(yè)技能訓(xùn)練為依托，牽引單車戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練和分隊(duì)訓(xùn)練。在單專業(yè)技能訓(xùn)練層面，系統(tǒng)在實(shí)裝的依據(jù)下構(gòu)建駕駛員、射手、車長(zhǎng)3 個(gè)席位，支持單個(gè)席位進(jìn)行專業(yè)技能訓(xùn)練，主要培養(yǎng)駕駛、射擊、通信專業(yè)的技術(shù)能力；在單車戰(zhàn)術(shù)模擬訓(xùn)練層面，將駕駛員、射手、車長(zhǎng)3 個(gè)席位通過(guò)訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)，單車合練通常以建制單位組織協(xié)同訓(xùn)練，在編輯訓(xùn)練想定時(shí)帶有一定的戰(zhàn)術(shù)背景，主要培養(yǎng)射手、車長(zhǎng)和駕駛員之間的作戰(zhàn)協(xié)同能力；在分隊(duì)?wèi)?zhàn)術(shù)模擬訓(xùn)練層面，將多個(gè)裝甲單車單元連接起來(lái)組成局域網(wǎng)，在訓(xùn)練過(guò)程中，組訓(xùn)人員可以根據(jù)訓(xùn)練內(nèi)容和訓(xùn)練目的，設(shè)置作戰(zhàn)地形、訓(xùn)練條件、兵力編成、武器裝備以及虛擬兵力等構(gòu)成訓(xùn)練想定，實(shí)現(xiàn)裝甲分隊(duì)?wèi)?zhàn)術(shù)訓(xùn)練，進(jìn)一步可以增加炮兵、偵察兵、防空兵、工程兵等不同兵種的虛擬兵力資源，實(shí)施合成戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練背景下的裝甲分隊(duì)模擬訓(xùn)練。

5 結(jié)論

針對(duì)聯(lián)合作戰(zhàn)背景下訓(xùn)練裝備小型化、輕量化的需求，提出一種便攜式裝甲綜合模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，通過(guò)虛實(shí)結(jié)合的方式，提供實(shí)裝一致的操作流程和力感體驗(yàn)，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，補(bǔ)齊操控元素的同時(shí)提供高沉浸感，不僅提高了經(jīng)濟(jì)效益，還有效提升了訓(xùn)練質(zhì)量。研究證明，該模擬訓(xùn)練系統(tǒng)更貼近實(shí)裝戰(zhàn)技能特點(diǎn)，結(jié)合VR 頭盔和數(shù)據(jù)手套等虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的設(shè)計(jì)可以提供更高的沉浸感，對(duì)下支持不同環(huán)境單兵、單車戰(zhàn)技能訓(xùn)練，對(duì)上牽引分隊(duì)?wèi)?zhàn)術(shù)演練，通用化、模塊化、輕量化和便攜式的設(shè)計(jì)具有更加廣泛的應(yīng)用價(jià)值。