模擬潛望鏡半實物仿真系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

楊國志，熊先鋒，賈玉柱，張文彬

(1.海軍工程大學(xué)船舶與動力學(xué)院，湖北 武漢 430033;2.海軍92196部隊，山東 青島 266011)

0 引言

系統(tǒng)仿真是利用科學(xué)技術(shù)方法構(gòu)造能反映實際系統(tǒng)表征和基本特性的模型，以達(dá)到對系統(tǒng)實驗、分析、研究的目的［1］，在復(fù)雜系統(tǒng)和裝備研制、生產(chǎn)、訓(xùn)練的各個環(huán)節(jié)都得到廣泛的運用。隨著武器裝備的發(fā)展，潛艇作為一種水下作戰(zhàn)武器，其潛望鏡的戰(zhàn)術(shù)作用不可忽視，被稱作潛艇的“眼睛”，指揮員的航行、作戰(zhàn)等指令決策很大程度上要依靠潛望鏡的觀察情況。依托實際裝備的航行訓(xùn)練、演習(xí)是目前部隊針對潛望鏡使用訓(xùn)練的普遍途徑，而利用仿真手段設(shè)計模擬潛望鏡參與該項訓(xùn)練，將大大降低訓(xùn)練成本和提高訓(xùn)練效果。為此，我們開發(fā)設(shè)計了潛艇模擬潛望鏡仿真系統(tǒng)。

1 模擬潛望鏡仿真系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

針對潛望鏡實際裝備的使用和技術(shù)情況，設(shè)計了模擬潛望鏡本體硬件系統(tǒng)、虛擬視景及控制模塊及潛艇運動控制模塊等為主體的半實物仿真系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 模擬潛望鏡仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of periscope's simulation syatem

模擬潛望鏡本體硬件系統(tǒng)是參訓(xùn)人員操作的物理仿真平臺，硬件接口與信息處理模塊采集和處理潛望鏡操作控制部件電氣信號，并將這些信號傳送給虛擬視景模塊產(chǎn)生相應(yīng)的場景變化;視景控制模塊構(gòu)建虛擬海洋環(huán)境、地理信息、目標(biāo)信息等場景案例;潛艇運動控制模塊提供本艇運動的主要姿態(tài)參數(shù);虛擬視景模塊根據(jù)以上信息渲染潛望鏡視景，并傳送到模擬潛望鏡本體的顯示器終端。系統(tǒng)利用RS-232及以太網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時通信。

2 模擬潛望鏡本體硬件系統(tǒng)

2.1 硬件系統(tǒng)主要技術(shù)設(shè)計

參照潛望鏡實體結(jié)構(gòu)原理，針對潛望鏡操作和使用特點，在保持模擬潛望鏡與實體外觀和基本功能一致的前提下，對其基本硬件部位進(jìn)行了電路設(shè)計，主要的技術(shù)手段包括:

1)視野光路。選用液晶顯示器作為虛擬視景的終端設(shè)備，與潛望鏡目鏡之間使用光學(xué)透鏡構(gòu)造光路，調(diào)整透鏡的位置和方向，構(gòu)建模擬視野光路，并保持目鏡調(diào)焦、單雙目切換等基本功能。

2)基本操作設(shè)備的改造。保持實體外觀一致的情況下，對倍率選擇、濾鏡選擇及俯仰控制等部件，改換適當(dāng)?shù)奈恢瞄_關(guān)接入，應(yīng)用程序采集位置狀態(tài)進(jìn)行操作的識別。

3)潛望鏡轉(zhuǎn)動角度的跟隨。在虛擬潛望鏡中心轉(zhuǎn)軸上固接能同步轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)編碼器，作為潛望鏡轉(zhuǎn)動角度測量的設(shè)備。旋轉(zhuǎn)編碼器的選用主要考慮脈沖計數(shù)輸出范圍、頻率等方面的適用條件，保證跟蹤轉(zhuǎn)動角度準(zhǔn)確、實時。

4)測距及顯示模塊。設(shè)計了矩陣鍵盤和數(shù)碼管顯示電路，作為潛望鏡測距功能部分的模擬設(shè)備。

2.2 硬件系統(tǒng)主要接口設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)需要，專門設(shè)計了硬件采集和驅(qū)動電路，采用RS-232串行通信與虛擬視景模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。主要功能設(shè)計有:

1)采用8255芯片擴展采集旋轉(zhuǎn)編碼器位置。旋轉(zhuǎn)編碼器脈沖計數(shù)芯片選用QA740808R，數(shù)據(jù)寬度為24位，保證數(shù)據(jù)的精度和范圍。

2)采用8255芯片作為數(shù)字量I/O通道，實現(xiàn)控制部件狀態(tài)采集和測距顯示模塊的控制?？刂撇考_關(guān)狀態(tài)直接接入8255數(shù)據(jù)端口，而潛望鏡測距顯示模塊的矩陣鍵盤和數(shù)碼管顯示，設(shè)計了擴展電路進(jìn)行控制。

3)硬件系統(tǒng)采用51系列單片機芯片，使用C語言開發(fā)編程，主要實現(xiàn)對8255芯片擴展功能的控制，以及RS-232串行通信與上位機進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。為了達(dá)到系統(tǒng)實時性的要求，使用了單片機時間中斷和串口中斷進(jìn)行進(jìn)程控制。

3 虛擬視景及控制模塊

3.1 虛擬視景模塊軟件設(shè)計與實現(xiàn)

近年來出現(xiàn)了多種虛擬作戰(zhàn)視景仿真需要的仿真支撐軟件，如OpenGL、Vetree、3Dmax等，而實時三維建模和仿真軟件MultiGen Creator和Vega由于其先進(jìn)的功能在包括軍事的各個工程領(lǐng)域的視景仿真開發(fā)中得以廣泛采用。本系統(tǒng)采用MultiGen Creator實時三維建模工具，高效、優(yōu)化地生成實時三維(RT3D)數(shù)據(jù)庫，與實時仿真軟件Vega緊密結(jié)合，完成潛望鏡虛擬視景的構(gòu)建。

圖2 潛望鏡視景效果截屏Fig.2 Interface of periscope's virtual scene

利用可視化的應(yīng)用程序開發(fā)工具VC++編寫了基于MFC的Vega應(yīng)用程序，實現(xiàn)了潛望鏡視景場景的驅(qū)動和渲染。主要作了如下幾個方面的處理:

1)對object進(jìn)行結(jié)構(gòu)化管理。為了有效管理object的各種信息(靜態(tài)、動態(tài)屬性以及添加/刪除指令、特效等控制信息)，定義了object結(jié)構(gòu)。

2)使用fst模型文件格式載入模型。Vega提供了一種轉(zhuǎn)換工具可以把adf文件里的flt模型文件轉(zhuǎn)換為 fst文件格式［2－3］。Vega的 fst文件格式為系統(tǒng)盡可能快的加載模型到場景中提供了一種有效的途徑。fst文件的數(shù)據(jù)方式與Vega場景里需要的方式非常相似，所以可以非常快的載入。其他的文件格式在加入Vega場景時對系統(tǒng)運行時間沒有什么影響，但在系統(tǒng)需要動態(tài)實時調(diào)入模型數(shù)據(jù)尤其是大規(guī)模模型數(shù)據(jù)時就有很大的延時，影響渲染效果。

3)視景觀察者的控制。潛望鏡作為視景環(huán)境的觀察者，這里采用手動調(diào)整方式來控制它在場景中的位置和姿態(tài)。視景渲染進(jìn)程循環(huán)中實時接收潛望鏡的操縱控制信息和潛艇的運動姿態(tài)數(shù)據(jù)，更新觀察者的位置和姿態(tài)，給出潛望鏡與本艇結(jié)合的動態(tài)效果。

4)創(chuàng)建單獨的線程完成Vega渲染的任務(wù)。MFC把線程分為用戶界面線程和工作者線程:用戶界面線程一般用于處理用戶輸入事件并對事件做出響應(yīng)，實現(xiàn)線程的代碼中含有消息循環(huán);工作者線程與用戶界面無關(guān)，主要用于各種耗時的計算量大的場合［3］。Vega系統(tǒng)需要實時的進(jìn)行渲染循環(huán)，這是個非常耗時的計算過程，顯然創(chuàng)建單獨的工作者線程來完成Vega渲染的任務(wù)是恰當(dāng)?shù)摹?/p>

5)碰撞檢測和特效處理。使用Isector實例與視景中的角色對象綁定，根據(jù)相交測試結(jié)果實時增加爆炸、煙火等特效?？紤]到相交測試的計算量對CPU的占用，這里只選取相交點坐標(biāo)和相交的模型對象名稱2種相交測試的結(jié)果信息進(jìn)行處理，減少相交測試的計算量。

3.2 視景控制功能設(shè)計與實現(xiàn)

視景控制模塊在VC++環(huán)境下開發(fā)，主要任務(wù)包括:

1)海圖信息的處理。加載海圖信息，并完成海圖信息的提取、計算、顯示等工作;

2)環(huán)境設(shè)置。以菜單形式進(jìn)行海況(風(fēng)浪等級)、天氣(陰晴雨雪)、時間(晨午夜)、光線(明暗)、能見度等自然環(huán)境的選擇設(shè)置;

3)目標(biāo)設(shè)置。可使用鼠標(biāo)對目標(biāo)進(jìn)行增減、移動、改變屬性等控制，進(jìn)行目標(biāo)方位、航向、航速、航線等信息的設(shè)置，并在海圖中實時更新。

電子海圖用于圖形化實時反映仿真環(huán)境的態(tài)勢變化，通過讀取地理信息數(shù)據(jù)文件并進(jìn)行判斷處理后繪制地圖，除了經(jīng)緯度標(biāo)定、測距、測角等功能外，還可以實現(xiàn)對地圖的縮放、移動等靈活操作。艦船、島嶼等目標(biāo)信息的態(tài)勢變化通過坐標(biāo)映射、動態(tài)繪圖的方法在以海圖為背景的界面上以線條圖標(biāo)的形式顯示。

圖3 視景控制程序主界面Fig.3 Main interface of scene control program

4 潛艇運動控制模塊

潛艇可視為一個剛體，其運動可以分解成沿通過潛艇重心G的三根垂直相交軸方向的移動及繞各軸的轉(zhuǎn)動，即六自由度的運動。根據(jù)使用目的和實驗條件不同，潛艇操縱方程的形式較多，這里選用潛艇運動線性方程［4］，利用狀態(tài)空間矢量法建立仿真模型。根據(jù)實艇操縱經(jīng)驗，通過對各水動力系數(shù)的分析，忽略一些次要水動力系數(shù)的作用，同時還充分考慮了各自由度運動之間的耦合影響。

垂直面運動線性方程:

水平面運動線性方程:

式中:m，P，V分別為潛艇質(zhì)量、重力和航速;Iy和Iz為對動系坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動慣量;u，v，w分別為縱向速度、橫向速度和垂向速度;p，q，r分別為橫傾角速度、縱傾角速度和回轉(zhuǎn)角速度;Z0和M0分別為零升力和零升力矩;Zw，，Zδb，，Yv，，Yr，Yδ，，Nr等為對應(yīng)的水動力系數(shù)。

采用狀態(tài)空間法求解潛艇運動空間矢量方程，利用Matlab/Simulink工具箱建立潛艇運動仿真模型，解算出本艇運動的主要參數(shù)(位置、深度、航速、航向、縱傾、橫傾等姿態(tài)信息)，實現(xiàn)潛望鏡與本艇的動態(tài)姿態(tài)匹配。

圖4 系統(tǒng)運行信息流程Fig.4 Flow chart of system running information

5 系統(tǒng)運行流程及測試

整個仿真系統(tǒng)的運行以模擬潛望鏡為物理實物，計算機仿真系統(tǒng)實時解算、控制。系統(tǒng)主要的信息流程如圖4所示。從系統(tǒng)運行情況來看，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、實時性好，能滿足訓(xùn)練要求。

6 結(jié)語

該半實物仿真系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)，為潛望鏡系統(tǒng)的使用訓(xùn)練提供了方便、經(jīng)濟的方法，能在保證物理操作感覺真實、虛擬視景逼真的前提下，反映潛望鏡使用的基本工作原理。該系統(tǒng)已經(jīng)成功運用到某型潛艇操縱模擬器系統(tǒng)，與潛艇操縱訓(xùn)練結(jié)合(提供操縱、運動姿態(tài)信息)開展?jié)撏R系統(tǒng)使用訓(xùn)練，并取得較好的仿真訓(xùn)練效果。該系統(tǒng)軟件接口開放，還可以與導(dǎo)航、對抗、魚攻等訓(xùn)練模塊結(jié)合，形成綜合仿真訓(xùn)練系統(tǒng)。

［1］單家元，孟秀云，丁艷.半實物仿真［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2008.

［2］葉疊，仲梁維，羅云.基于Vega/MultiGen的三維仿真漫游系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)［J］.計算機工程與設(shè)計，2005，26(2):362－363.

［3］龔卓容.Vega程序設(shè)計［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2002.

［4］邢繼峰，林俊興，戴余良.潛艇操縱［M］.武漢:海軍工程大學(xué)出版社.2003.