兩棲裝甲車駕駛模擬器視景系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

謝云開，孟祥輝，張燕燕，劉青峰，嚴(yán) 亮，李江江

（1.海軍研究院特種勤務(wù)研究所，北京 100072；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001）

0 引言

近年來，兩棲裝甲裝備的科技含量越來越高，對(duì)駕駛?cè)藛T的操作技能要求更加嚴(yán)格，訓(xùn)練成本也越發(fā)昂貴。為了提高訓(xùn)練效率，減少裝備損耗，兩棲裝甲車駕駛模擬器成為有效的訓(xùn)練裝備。裝甲車輛駕駛模擬器通過構(gòu)建虛擬的駕駛環(huán)境，仿真在各種天氣條件、路況、海況下戰(zhàn)車的行駛狀態(tài)，使駕駛員能夠基本掌握車輛的各種操作技能，為實(shí)車駕駛提供保障。為此，世界各國都非常重視裝甲裝備模擬訓(xùn)練，為裝甲車輛的操作人員裝備相應(yīng)的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)提供保障［1-2］。

視景系統(tǒng)是兩棲裝甲車模擬器的重要組成部分，用來為駕駛員營(yíng)造一個(gè)真實(shí)的虛擬工作場(chǎng)景，提供訓(xùn)練所需的視覺信息。視景系統(tǒng)直接影響駕駛仿真的逼真性和訓(xùn)練效果。許多學(xué)者和工程技術(shù)人員針對(duì)視景系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法和實(shí)現(xiàn)效果展開了研究。其中，Vega Prime 以其高性能和高效率成為有效的實(shí)時(shí)視景仿真平臺(tái)［3-6］。為此，本文選用Vega Prime 作為兩棲裝甲車駕駛模擬器視景系統(tǒng)的仿真平臺(tái)，研究其實(shí)現(xiàn)方式。

對(duì)于裝甲車輛駕駛模擬器，文獻(xiàn)［7-10］實(shí)現(xiàn)了其視景系統(tǒng)開發(fā)，側(cè)重于陸上駕駛環(huán)境的視景仿真。與普通裝甲車輛相比，兩棲裝甲車輛駕駛模擬器需要同時(shí)滿足水陸兩種駕駛狀態(tài)的需求，要能夠真實(shí)地反映裝甲車輛在各級(jí)海況下水上駕駛以及各種地形條件下陸地駕駛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。為此，水動(dòng)力學(xué)仿真和高效碰撞檢測(cè)成為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。對(duì)于碰撞檢測(cè)，基于包圍盒的檢測(cè)方法較為有效［11-13］，而兩棲裝甲車輛仿真計(jì)算負(fù)載較大，實(shí)時(shí)的碰撞檢測(cè)方法有待進(jìn)一步研究。此外，針對(duì)兩棲裝甲車輛的水動(dòng)力學(xué)仿真直接關(guān)系到系統(tǒng)仿真的真實(shí)性，而相關(guān)研究較少。

鑒于此，本文基于Vega Prime，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了兩棲裝甲車駕駛模擬器視景系統(tǒng)，并針對(duì)兩棲裝甲裝備的特點(diǎn)，研究了水動(dòng)力學(xué)仿真和高效碰撞檢測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)，有效提升了視景仿真的逼真度。

1 視景系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

視景系統(tǒng)由視景生成系統(tǒng)和視景顯示系統(tǒng)兩部分組成。視景生成系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成所需場(chǎng)景圖像的實(shí)時(shí)生成和渲染工作，它包括圖形工作站（成像計(jì)算機(jī)）、視景數(shù)據(jù)庫和視景仿真軟件，決定著視景系統(tǒng)顯示圖像內(nèi)容的豐富程度、逼真度、清晰度等技術(shù)指標(biāo)。視景顯示系統(tǒng)用來將視頻信號(hào)轉(zhuǎn)化成能夠被人眼感知的光學(xué)影像，該部分常使用一些必要的光學(xué)設(shè)備來增加影響的品質(zhì)和逼真度。視場(chǎng)角、亮度、對(duì)比度等技術(shù)指標(biāo)主要由該部分系統(tǒng)決定，它還直接影響著系統(tǒng)的縱深感和沉浸感［1］。整個(gè)系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

Fig.1 Frame structure of visual system圖1 視景系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

其中，視景顯示系統(tǒng)主要通過硬件實(shí)現(xiàn)，硬件的顯示方式和性能指標(biāo)根據(jù)具體需求確定。視景生成系統(tǒng)分為硬件與軟件兩部分，軟件部分包括視景數(shù)據(jù)庫和視景仿真軟件，是系統(tǒng)開發(fā)的重點(diǎn)。圖形工作站是軟件部分的載體及開發(fā)和運(yùn)行的硬件環(huán)境，它配合軟件部分共同完成場(chǎng)景的實(shí)時(shí)渲染工作。

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，視景生成系統(tǒng)接收來自仿真計(jì)算機(jī)的位姿數(shù)據(jù)和來自指揮控制臺(tái)的控制指令，遍歷視景數(shù)據(jù)庫，查詢并選擇所需的模型數(shù)據(jù)，或由仿真軟件直接生成、解算仿真模型，然后對(duì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行控制和處理，進(jìn)而交由圖形硬件處理數(shù)據(jù)，最終生成視頻信號(hào)并輸出給視景顯示系統(tǒng)［2-3］。

1.2 系統(tǒng)功能

在駕駛員的視點(diǎn)位置，生成與模擬機(jī)運(yùn)動(dòng)相應(yīng)的動(dòng)態(tài)場(chǎng)景，完成相關(guān)的視覺效果模擬，并將相應(yīng)的圖像送往顯示設(shè)備，為駕駛員提供高沉浸感的視覺信息。同時(shí)，視景系統(tǒng)與實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的數(shù)據(jù)交互，保證運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)與視景系統(tǒng)同步。

根據(jù)兩棲裝甲車自身特點(diǎn)及項(xiàng)目需求，視景系統(tǒng)主要功能如下：①實(shí)時(shí)顯示與模擬機(jī)位姿和場(chǎng)景設(shè)置相關(guān)的不同駕駛環(huán)境下的真實(shí)三維場(chǎng)景；②重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)海上駕駛適應(yīng)各級(jí)海況、陸上駕駛匹配各種地形的高逼真視景仿真；③實(shí)現(xiàn)天氣效果模擬，具有白天、黃昏和夜間等工作模式，提供云霧、能見度、降水等特殊效果，可實(shí)現(xiàn)能見度等的數(shù)量特性變化；④能夠響應(yīng)指揮控制臺(tái)的指令設(shè)置。

1.3 視景顯示分系統(tǒng)

對(duì)于駕駛員閉艙視景顯示分系統(tǒng)，由于其視場(chǎng)角需求較小，擬采用液晶顯示器對(duì)視景系統(tǒng)生成的虛擬場(chǎng)景進(jìn)行顯示，實(shí)現(xiàn)原理如圖2 所示。顯示系統(tǒng)和觀察窗通過錐形密閉框架連接，形成具有一定景深的顯示系統(tǒng)。

Fig.2 Display system scheme圖2 顯示系統(tǒng)原理

閉艙駕駛視景根據(jù)觀察窗的數(shù)量采用三套顯示系統(tǒng)加以實(shí)現(xiàn)，視景系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3 所示，其采用一臺(tái)視景計(jì)算機(jī)和三通道圖形卡實(shí)現(xiàn)，視景系統(tǒng)和其它模擬機(jī)分系統(tǒng)共同連接在以太網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)信息交互。

Fig.3 Display system topology structure圖3 顯示系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.4 視景生成分系統(tǒng)

視景生成分系統(tǒng)主要用于產(chǎn)生模擬所需要的各種場(chǎng)景，完成系統(tǒng)的功能要求，涉及視景數(shù)據(jù)庫建模和視景仿真程序開發(fā)兩個(gè)方面。視景數(shù)據(jù)庫是對(duì)虛擬環(huán)境的描述，是以某種形式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)的環(huán)境數(shù)據(jù)信息。

場(chǎng)地模型的建模流程如圖4 所示。首先根據(jù)需求，確定模型的位置、范圍、屬性等，完成模型規(guī)劃工作；然后根據(jù)模型規(guī)劃確定并獲取所需的原始數(shù)據(jù)源，并對(duì)其進(jìn)行處理和優(yōu)化以滿足建模要求。將原始數(shù)據(jù)源導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫建模工具，完成場(chǎng)地模型的建立與合成。建立后的視景數(shù)據(jù)庫應(yīng)當(dāng)導(dǎo)入視景仿真環(huán)境以驗(yàn)證其是否能夠達(dá)到系統(tǒng)規(guī)定的功能和性能要求，若未達(dá)到則再次利用建模工具對(duì)模型進(jìn)行修正至滿足要求為止。

Fig.4 Site model modeling flow圖4 場(chǎng)地模型建模流程

基于Vega Prime 的仿真應(yīng)用程序原理結(jié)構(gòu)如圖5 所示。仿真應(yīng)用程序用來完成實(shí)時(shí)場(chǎng)景的生成和管理，響應(yīng)實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)傳遞的車體位姿信息、車輛操控信息等，依據(jù)視景數(shù)據(jù)庫，自動(dòng)生成與模擬機(jī)運(yùn)動(dòng)相對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)視景，并將相關(guān)參數(shù)反饋給對(duì)應(yīng)的子系統(tǒng)［4］。程序的具體作用包括虛擬場(chǎng)景構(gòu)建、場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)與渲染、模型動(dòng)態(tài)調(diào)度和管理、碰撞檢測(cè)及其響應(yīng)、維護(hù)系統(tǒng)性能的加速算法實(shí)現(xiàn)等。仿真驅(qū)動(dòng)程序應(yīng)該能夠高速逼真地再現(xiàn)仿真環(huán)境，實(shí)時(shí)響應(yīng)交互操作。

Fig.5 Principle structure of simulation application based on Vega Prime圖5 基于Vega Prime 的仿真應(yīng)用程序原理結(jié)構(gòu)

為保證開發(fā)的速度、質(zhì)量和可維護(hù)性，視景仿真程序借助于商業(yè)軟件開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)。具體開發(fā)方法取決于特定的平臺(tái)，該系統(tǒng)程序?qū)⒒赩ega Prime 完成。MPI的Vega Prime 是世界上領(lǐng)先的應(yīng)用于實(shí)時(shí)視景仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域的軟件環(huán)境，用于渲染戰(zhàn)場(chǎng)仿真、訓(xùn)練模擬器等的視景數(shù)據(jù)庫。它提供跨平臺(tái)、可擴(kuò)展的開發(fā)環(huán)境，可用于高效的視景仿真應(yīng)用開發(fā)，包括Lynx Prime 圖形用戶界面配置工具和Vega Prime 的基礎(chǔ)VSG（Vega Scene Graph，底層為OpenGL）高級(jí)跨平臺(tái)場(chǎng)景圖形API［5-6］。Vega Prime 具有許多特性，包括自動(dòng)的異步數(shù)據(jù)庫調(diào)用、碰撞檢測(cè)與處理、對(duì)延時(shí)更新的控制和代碼的自動(dòng)生成、可擴(kuò)展可定制的文件加載機(jī)制、環(huán)境效果模擬等。配合其增強(qiáng)模塊可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的特定功能。

2 關(guān)鍵技術(shù)與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 水動(dòng)力學(xué)仿真建模

兩棲車輛在海上行駛時(shí)，車體與海水之間的相互作用是車輛在海面漂浮、搖擺的主要因素，要仿真車輛在各種海況下的運(yùn)動(dòng)，必須掌握車輛水動(dòng)力學(xué)的建模仿真技術(shù)。車輛水動(dòng)力建模的準(zhǔn)確性將直接影響到整個(gè)模擬器的逼真度，為此在建立車輛的水動(dòng)力學(xué)模型時(shí)，需要對(duì)模型的建立方法、建立措施進(jìn)行必要研究，同時(shí)根據(jù)實(shí)車設(shè)計(jì)參數(shù)采用CFD 軟件進(jìn)行仿真，實(shí)現(xiàn)二者互補(bǔ)，保證模型建立的準(zhǔn)確性和正確性。

（1）車輛水上運(yùn)動(dòng)受力分析。車輛在水中行駛時(shí)，所受外力如圖6 所示，本文重點(diǎn)關(guān)注水動(dòng)力和波浪力。

Fig.6 External force taken by the vehicle on water圖6 車輛水上運(yùn)動(dòng)所受外力

（2）水動(dòng)力（滑行平板理論）。由于兩棲車輛在海上行駛時(shí)，首尾均有滑板進(jìn)行車輛運(yùn)動(dòng)控制，因此運(yùn)用滑行理論，建立平板或微彎曲板在流體中滑行時(shí)的動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)滑板操作對(duì)車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的仿真，使得車輛水動(dòng)力學(xué)模型更加逼真，更加貼近實(shí)車的操作規(guī)律。

滑行理論：研究平板或微彎曲板在流體中滑行時(shí)的受力情況，進(jìn)而解決各種實(shí)際滑行問題。有限滑行平板的滑行狀態(tài)如圖7 所示。

Fig.7 Sliding state of finite plate圖7 有限平板滑行狀態(tài)

其中，l表示平板長(zhǎng)度；B 表示平板寬度；α表示沖角，即來流相對(duì)于滑行平板的運(yùn)動(dòng)角度；v0表示平板運(yùn)動(dòng)速度。

有限滑行平板沿寬度方向垂直于滑行平板任意截留的流動(dòng)狀態(tài)不完全相同，沿寬度方向平板兩端的水流直接與大氣接觸，壓力等于大氣壓力，而平板的底部壓力大于大氣壓力，由此形成沿板寬方向的橫向擾流。橫向擾流導(dǎo)致平板底部壓力損失，相當(dāng)于有效沖角α減小，所減小的角稱為下洗角αi。橫向擾流的大小與浸濕長(zhǎng)寬比λ=l/B有密切關(guān)系。浸濕長(zhǎng)寬比越大，對(duì)橫向擾流的影響越大，則下洗角αi越大。由于滑行平板下表面的水流流動(dòng)和受力狀態(tài)與薄翼下表面極為相似，受平板有限寬的影響，可采用機(jī)翼理論：對(duì)于無限翼展的平板薄機(jī)翼的升力系數(shù)Cyw=2πα，則有限翼展的下洗角為表示機(jī)翼展弦比。有限滑板的升力系數(shù)為Cy=πα，有限滑行平板的展弦比為下洗角為得出有限滑行平板升力系數(shù)為：

（3）波浪力和力矩計(jì)算。海浪基本分為兩種：涌浪和風(fēng)浪。由海浪模型可得到對(duì)浪高ξ 的描述。依據(jù)波浪理論得到相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型：

平面行進(jìn)波（涌浪）：

計(jì)算波浪力和力矩需要將海浪模型轉(zhuǎn)換到車體坐標(biāo)系中進(jìn)行描述，由此給出車輛在海浪中的航行狀態(tài)如圖8所示。

Fig.8 State of vehicle sailing in waves圖8 波浪中航行車輛狀態(tài)

其中，c表示波速，即波浪傳播速度γ表示航速v0與波浪傳播速度c方向的夾角，順浪γ=0°，逆浪γ=180°，斜浪γ=30°，橫浪γ=90°；AB 表示波浪傳播的波峰位置；v0表示車輛航速；λ表示波長(zhǎng)。

運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系中對(duì)海浪的描述：

ce表示波峰相對(duì)于車輛的傳播速度，即波浪在車體坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)速度，成為波浪的表觀傳播速度：

Te表示在車體坐標(biāo)系中觀察到的作用于車輛上的波周期，稱為遭遇周期，與波浪的自然周期T相對(duì)應(yīng)：

k表示波數(shù)，對(duì)于深水重力波，由海浪線性波動(dòng)理論的深水彌散關(guān)系可得：

ω表示圓頻率，ωe表示波的遭遇頻率，與波浪的自然頻率ω相對(duì)應(yīng)，有：

可得車體坐標(biāo)系下，涌浪遭遇波面升高?e(t)和遭遇波傾角αe(t)仿真計(jì)算模型為：

隨機(jī)海浪遭遇波面升高?e(t)和遭遇頻率αe(t)的時(shí)域模型為：

根據(jù)仿真模型可得到各自由度的波浪力和力矩為：

同理可得到其他自由度的力和力矩。

2.2 地形匹配與碰撞檢測(cè)技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)車輛在陸地上的駕駛仿真，必須解決實(shí)時(shí)碰撞檢測(cè)和地形匹配問題。地形匹配即保持運(yùn)動(dòng)實(shí)體與地面的相對(duì)位置關(guān)系正確，是一類特殊的碰撞檢測(cè)和碰撞處理問題。運(yùn)載實(shí)體（如汽車、裝甲車等）在運(yùn)動(dòng)時(shí)，其姿態(tài)應(yīng)隨地形變化而高低起伏和左右傾斜，進(jìn)而始終與地面保持合乎常理的相對(duì)位置關(guān)系。地形匹配問題主要是解決如何快速、準(zhǔn)確地求解出運(yùn)載實(shí)體和地面接觸點(diǎn)的問題，以避免出現(xiàn)部分陷于地下或懸于空中等違背自然規(guī)律的現(xiàn)象，這屬于碰撞檢測(cè)的范疇［11-12］。為保證檢測(cè)效率，本文采用基于射線的碰撞檢測(cè)方法，即使用一組射線近似表示運(yùn)動(dòng)的物體，如圖9 所示。

通過射線與虛擬場(chǎng)景的相交狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)判斷，當(dāng)相交檢測(cè)距離為0 時(shí)，則運(yùn)載實(shí)體在地面上。如果該距離大于0，實(shí)體與虛擬場(chǎng)景沒有接觸；反之，當(dāng)距離小于0，陷入環(huán)境中。碰撞處理依據(jù)該距離值完成，如果距離大于0，則使實(shí)體向下運(yùn)動(dòng)；反之，使實(shí)體向上運(yùn)動(dòng)。依此即可實(shí)現(xiàn)地形匹配。

Fig.9 Ray based collision detection圖9 基于射線的碰撞檢測(cè)

此外，為運(yùn)載實(shí)體與虛擬環(huán)境其它部分的碰撞檢測(cè)，需要對(duì)相關(guān)的幾何模型進(jìn)行相交性測(cè)試。為提高檢測(cè)效率，采用基于包圍盒的檢測(cè)方法［13］，即將運(yùn)載實(shí)體和虛擬環(huán)境簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)單幾何體形式。為了進(jìn)一步提高檢測(cè)效率，采用層次碰撞檢測(cè)進(jìn)行加速，即使用包圍體為每個(gè)模型創(chuàng)建一個(gè)層次表示形式。層次構(gòu)建采用自上而下的方法，首先找到模型所有圖元的包圍體，作為樹節(jié)點(diǎn)，然后分割成k（或者更?。﹤€(gè)部分，即為k叉樹的結(jié)構(gòu)，如圖10 所示。該檢測(cè)算法采用遞歸調(diào)用的方式逐層檢測(cè)。

Fig.10 Hierarchical structure of bounding volume圖10 包圍體層次結(jié)構(gòu)

3 視景系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

視景系統(tǒng)硬件配置如下：HPxw9400 系列，四核酷睿英特爾5420 至強(qiáng)處理器；12MB 二級(jí)高速緩存；300GB（15 000 rpm）SAS 硬盤驅(qū)動(dòng)器；NVIDIA Quadro FX 系列顯卡，2G DDR-2 667MHz ECC 全緩沖內(nèi)存。

視景系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效果如圖11—圖13 所示。圖11 為駕駛過程中通過駕駛員觀察窗觀察到的視覺效果，駕駛場(chǎng)景為海灘，駕駛環(huán)境為陸地駕駛，圖12—圖13 為水上駕駛過程中觀察到的虛擬場(chǎng)景效果。為更清晰地呈現(xiàn)水上駕駛場(chǎng)景，可將觀察視點(diǎn)由駕駛員觀察窗移至裝甲車輛體外?？梢钥吹剑暰跋到y(tǒng)能夠真實(shí)模擬裝甲車輛水上駕駛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，包括海浪和行進(jìn)過程中的浪花特效。視景系統(tǒng)能夠滿足裝甲車輛行進(jìn)過程中的虛擬視覺環(huán)境仿真需求，并且具有較好的真實(shí)感和沉浸感。

Fig.11 Observation effect of observation window圖11 觀察窗觀察效果

Fig.12 Ocean simulation rendering圖12 海洋模擬效果

Fig.13 Carrier entity in the process of moving圖13 行進(jìn)過程中的運(yùn)載實(shí)體

4 結(jié)語

本文針對(duì)兩棲裝甲車輛駕駛模擬器，基于Vega Prime實(shí)現(xiàn)了其視景系統(tǒng)開發(fā)。針對(duì)兩棲車輛的駕駛特點(diǎn)，研究了水動(dòng)力學(xué)仿真和高效碰撞檢測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)，解決了兩棲裝甲車輛適用各級(jí)海況、陸上匹配各種地形等多樣性駕駛需求帶來的仿真難題，有效提升了其視景仿真的逼真度。該系統(tǒng)已應(yīng)用于實(shí)際的駕駛模擬設(shè)備，對(duì)相關(guān)模擬器視景系統(tǒng)開發(fā)具有借鑒價(jià)值。