坦克嵌入式射击训练仿真系统设计与实现

赵清华，林学华，孙少斌

（蚌埠坦克学院，安徽 蚌埠 233050）

现代战争信息化程度高，对抗强度大，战场环境错综复杂，对坦克乘员特别是坦克射手的专业技能以及生理、心理素质提出了更高的要求。现阶段坦克乘员的专业技能训练多采用实际装备与模拟器训练相结合的方法，但是由于训练成本与训练环境的问题，往往达不到实战的标准和要求，其训练效果也大打折扣。嵌入式仿真技术将实际装备与仿真计算机有效结合，既满足了射手实战化的人机环境需求，又充分利用了仿真计算机对战场环境和战术背景的逼真模拟，增强了训练的沉浸感，降低了训练成本。同时其训练过程可控可测，可随时更换训练科目和战术背景、监测跟进训练进度、反馈训练状态，评估训练效果，可对坦克射手开展有针对性的专项训练，缩短训练周期，提高训练效率。

美国等西方国家很早就开始了嵌入式仿真在武器装备上的应用研究，并广泛开展了嵌入式训练实践，取得了良好的训练效益。我军近年来也逐步在某些武器装备上进行相应的嵌入式改造，取得了一定成效。本文将从坦克的射击系统入手，在不改变现有武器系统内部结构、不影响装备作战性能的前提下进行嵌入式改造，使之具有嵌入式射击训练的功能，为下一步坦克射手的专业技能训练提供新的途径。

1 系统结构和功能

坦克嵌入式射击训练仿真系统主要由嵌入式计算机、信号采集处理系统、显示系统、嵌入式计算机主控系统、音响以及外设装置等几个部分构成。相互之间通过实时通信技术，串口通信技术和A/D、D/A技术相互连接实现信息交互，系统结构如图1所示。

在设计时要充分考虑设备的扩展性和可置换性，便于拆卸、安装和维护，其外形和体积要与实装相匹配，不能改变现有武器系统的内部结构，更不能影响装备的作战性能。坦克射击系统实际部件通过能热插拔的数据接口、传感器与嵌入式仿真系统相连接，其操作信号反馈至嵌入式系统中与仿真数据相融合生成完整的模拟训练环境，受训人员可以根据观察到的目标状态和火炮的射击效果按照射击法则进行射击训练，并通过射击效果评估，进行智能化成绩评定，从而实现实装环境下的训练和演习功能。它有效解决了训练环境不逼真、后勤保障困难等问题，提高了训练效率，保证了训练质量。

1）嵌入式主控计算机。嵌入式主控计算机是嵌入式射击训练仿真系统的核心部件，包含炮长嵌入式仿真计算机、车长嵌入式仿真计算机。它通过信号采集系统与坦克射击系统实际部件相连接，其主要功能是按预设的训练内容与战术背景生成虚拟战场和目标，从采集系统中获取各种操作数据作为仿真系统的驱动信息与之发生交互，并实时将虚拟目标和射击情况等信息输出到显示设备上。在这个过程中，不仅要完成操作数据的融合转换，还要完成炸点、烟雾等粒子特效显示以及爆炸三维音响等的模拟。

2）信号采集处理系统。主要对车、炮长操控部件所传回的数据进行采集和集中处理。火控计算机、控制盒、车长操纵台、炮长操纵台和瞄准镜等部件的相关操作信息将由此传送至车、炮长嵌入式计算机，作为仿真系统的驱动信息。

图1 坦克嵌入式射击训练仿真系统结构图

3）显示系统。由安装在、车炮长瞄准镜上的微型显示器构成，实时显示训练时计算机生成的三维虚拟视景。

4）中央控制台。中央控制台主要用于训练科目和内容选择、仿真初始条件设定、系统检测以及训练成绩评估等。

2 系统硬件设计及实现

2.1 嵌入式计算机

嵌入式计算机是整个仿真系统的核心，为满足车载要求，节省空间，采用一体化设计，体积要适中，安装要牢固，用防震箱固定在坦克内部，使之具有较强的抗震性，并且还要具有足够的抗电磁干扰能力，能在复杂电磁环境下运行。同时它必须要具备较高的仿真运算能力和丰富的外设接口，能实时生成复杂的虚拟战场和目标，支持多接口的数据传输。为了满足逼真的三维虚拟战场环境显示需求，应配有专门的图形处理器（GPU），支持图形加速和 DirectX渲染引擎，以期达到逼真的视场环境效果。

2.2 信号采集处理系统

数据的采集和处理主要通过信号采集控制盒来完成，控制板上配有单片机 8051芯片、模数转换芯片ADC0809、数模转换芯片DAC0804、程序存储器2764芯片以及电源等。具体工作原理如图2所示。

在单片机8051芯片上安装扩展板，扩展出充足的输出输入口，同时扩展8k字节的程序存储器2764芯片，满足程序扩展存储。火控计算机、瞄准镜和操纵台等设备的数据信号通过ADC0809转换成数字信号，经处理后经ISA总线传送至车、炮长嵌入式计算机，作为仿真系统的驱动信息。D/A 转换芯片 DAC0804把仿真系统产生的数据信号转换成模拟信号后完成操作动作和仪表显示，系统在设计时既要满足系统对信号准确性和实时性的要求，又要严格遵循车辆的电气规范。

图2 信号采集控制盒原理图

2.3 瞄准镜显示子系统

根据车、炮长视景的不同特点，分别设计出低倍视场显示系统和高倍视场显示系统以仿真车、炮长昼间指挥观察镜1倍宽视场和高倍小视场，其微型显示器分别安装在车、炮长1倍镜接口以及左右目镜底部。为保证观瞄系统与计算机视景系统一致性工作，采用模拟瞄准镜外部特性，简化内部光路，直接观察计算机视景屏幕，瞄准镜分划指标通过软件直接画在计算机屏幕上。其光路示意图3所示。根据观察需要可实现不同倍率视场的切换。

图3 光路示意图

3 系统软件实现

3.1 视景仿真系统

视景仿真系统由计算机、瞄准镜模拟系统和图形加速显示硬件、图形开发软件等组成。主要用于对训练场地、环境、目标和射击条件的实时仿真，并通过分配器同时将射击场景、目标位置、炮长瞄准点分别显示于中央控制台和射手的瞄准具内，模拟目标被命中、射弹飞行弹道、爆炸效果等情况。视景中的三维地形的生成方法是根据给定真实地形的DEM 数据对网格数据进行剖分，通过按照对角划分网格的方式，利用Direct3D索引三角形网面构建地形的几何模型，然后通过Direct3D编程控制为几何模型添加颜色、材质、纹理、光照、融合等效果，便可逼真地仿真实际作战环境。

三维地形环境由于涉及到一些精度较高的地理数据，占用数据容量较大，同时受机器硬件（嵌入式计算机与普通计算机相比，图形运算性能较低）的限制。为了保证实时性，必须对模型的建立、调度和渲染进行一定的优化处理。一是在三维地形建模时，根据实际的地形数据的比例尺（精度），将整个地形区域划分为一些适当的大小地形装载模块。每个装载模块由地形表面（各种地表特征物）和其上的各种静态对象（如树木、建筑物等）组成。在三维地形环境绘制时，通常只处理观察者视线范围内（即感兴趣区域）的装载模块，一个感兴趣区域由多个装载模块组成。二是动态装载地形环境，采用分块调度的方法，分块将数据调入内存，且内存中只保留仿真实体周围的装载模块。三是通过应用 LOD技术，使三维场景中的模型根据其距观察者距离的不同，显现不同的细节。在图形渲染中，只对最高 LOD层帖纹理的方法，这样可以减少低层LOD的多边形数量，并提高细致程度。

3.2 射击仿真系统

射击仿真系统把训练内容、训练条件进行抽象化，建立射击仿真模型和弹丸外弹道模型，并通过软件设计实现整个射击训练过程仿真。初始条件主要包括激光测距、目标角速度以及耳轴倾斜角度等，然后在此基础上根据火控系统的解算模型，解算出射击诸元，最终命中目标。

3.2.1 激光测距

激光测距仪的工作原理是当按下激光测距仪时，发出的激光从视点沿瞄准线方向射向目标，到达目标后经目标反射回来，测定其往返的时间，根据光速就可以确定目标的距离。目标距离D可用公式表示为D=ct/2。式中c为光速（3*108 m/s），t为激光的往返时间。在仿真环境中，通过构造一个沿瞄准线方向运动的模拟射线，并设定以c/ 2的速度运动，当射线与仿真环境其他物体发生碰撞后，返回碰撞点与瞄准点之间的距离，即为目标距离值。

3.2.2 目标角速度

在稳像火控系统中，目标角速度传感器用来测量瞄准线的瞬时角速度，并以瞄准线的速度来代替目标运动角速度。仿真系统以4次/ s的采样速率，取8次最新值的平均值作为目标参与解算的速度值。

3.2.3 外弹道模型

在进行射击训练时需要实时显示炮弹飞行轨迹与炸点，进而对炮弹的命中和毁伤进行分析，所以进行外弹道曲线的仿真是必不可少的部分。由于受到弹丸初速、弹丸旋转角速度、弹丸发射角度、弹丸质量与形状和重力、空气阻力、风向、风速及偏流等诸多因素的影响，炮弹弹丸在空中的飞行轨迹是一条非常复杂的空间曲线[3]。图4表示出了典型的标准弹道在发射平面内的投影。

图4 典型的标准弹道在发射平面内的投影

在已知火炮初速和火炮瞄准角（α0由目标距离查射表数据库得到）的条件下，可以解算下列外弹道微分方程。

式中，C为弹形系数；H(y)为空气密度函数；G(v)为阻力函数，它是速度v与阻力定律的函数，其值

4 特殊视觉和音响效果实现

为了使虚拟射击环境更加逼真，使受训者更具沉浸感，仅仅静态的场景显示是不够的，对复杂的战场环境描述也是不完整的，例如一些非刚性物质(如气流、尾焰、烟雾、波浪、爆炸等)，它们也是战场环境的重要组成部分，同样可以影响到目标的侦察、识别以及射击效果等。它们的构造方法和一般的刚性实体建模不尽相同，现在通常采用粒子系统的动力学特性及模型的构造和纹理的变换等方法进行描述，具有很强的连续性和真实感。本文也将用此方法表达虚拟射击环境中常见的诸如弹丸爆炸的碎片、烟雾和火光等效果。首先建立各种效果的粒子及运动模型，定义粒子的空间位置、运动速度及加速度、运动方向、颜色、亮度、生存期、运动状态等属性，然后在场景绘制时采用矩形面片代替粒子，结合OpenGL的纹理映射技术，将爆炸粒子和烟雾粒子二维纹理图映射到矩形面片上。为消去矩形明显的边界，先把 BMP格式烟雾及爆炸的黑白位图进行Alpha透明处理，然后在每个矩形上都贴上透明纹理，应用OpenGL的Alpha融合功能和深度测试功能，再加上纹理和颜色的调节，这些矩形面片在渲染时就可以模拟出特殊效果。

听觉信息是仅次于视觉信息的第二传感通道，战场中的轰鸣声、爆炸声等都是影响射手心理状态的重要因素。在虚拟射击环境中加入虚拟声音，不仅可以为视景实时伴音，还能为射手提供重要的信息，带来强烈的沉浸感和临场感。构建虚拟声音时，一方面要将战场环境中的各种声音融人到视景环境中；另一方面，要使射手在虚拟战场环境中准确地判断出声源的位置 、速度等属性，以符合在真实世界中的听觉习惯和方式。这其中涉及距离、空间位置、相对速度和与多普勒频移以及方向等重要属性。在本系统中主要对弹丸的飞行和爆炸等加入了声音特效，我们这里选择微软DirectX 中的DirectSound组件为开发平台，其开发的关键步骤如下：1、创建声音设备对象；2、显式创建主缓冲区对象；3、创建辅助声音缓冲区对象；4、从 wav文件或资源读取声音数据到私有缓冲区；5、将数据放人辅助声音缓冲区中；6、通过辅助缓冲区对获取三维声音缓冲区对象；7、为三维声音缓冲区对象和聆听者对象设置合适的相关属性值；8、播放三维声音缓冲区数据。

5 系统互连及使用流程

在对坦克射击训练系统进行嵌入式改造，不仅要建立嵌入式仿真系统与武器装备之间统一的接口规范，以扩展系统的通用性和复用性，同时还要考虑到在一定战术背景下进行坦克分队及以上射击训练时多系统的互联、互操作问题。

图5显示的是一种多系统嵌入式仿真互联方案。其中，B-Kit是嵌入在坦克武器平台的嵌入式仿真系统，其硬件由嵌入式计算机、存储器、控制器以及采集系统等组成，软件主要由CGF、渲染引擎、数据库等组成。A-Kit是将B-Kit应用于武器系统所必须的硬件和软件，一般使用网络、视频线、音频线、控制线等与之相连。由于在进行嵌入式训练时，要保证实车武器系统与仿真系统的实时交互，仿真系统之间的互联通常使用实时CORBA来实现。

图5 一种多系统嵌入式仿真互联方案

设备装入实车后，即可开展相应的嵌入式射击训练。主要包括以下几个方面的训练流程：

1）仿真系统主控计算机初始化，测试与实车部件的连接，转载初始化各部件传感器参数；

2）根据训练需求主控计算机注入训练剧情，设置战术背景等训练条件，并按战场预设和训练内容生成虚拟战场和目标；

3）射手操控火控系统，信号采集系统将各传感器参数收集传入至主控计算机，计算机根据预设条件生成虚拟战场环境，显示虚拟目标并解算虚拟目标的射击诸元；

4）射击后，计算机对弹着点进行计算，实时将射击情况等信息输出到显示设备，模拟出整个射击效果，并对成绩进行评定。

6 结束语

本文采用嵌入式设计思想，提出了一种对现有装备进行嵌入式改造，实现在实装环境下进行模拟训练的新型嵌入式仿真系统的设计方法。该系统能为成员提供逼真的人机环境和训练环境，且不受天候、地理环境等条件的影响，训练的灵活性、科学性大大提高，使用该系统训练可以快速有效地提高射手技战术水平。同时，可大大节约训练经费，具有良好的经济效益和军事效益。

[1]樊世友,朱元昌.嵌入式仿真研究[J].计算机仿真,2005,22(12):10-13.

[2]荣明,王春忠,王钦钊,等.坦克嵌入式车场射击训练系统仿真技术研究[J].装甲兵工程学院学报,2008,22(6):11-14.

[3]王润岗,华传杰,韩志军,等.虚拟环境中坦克射击训练仿真系统[J].火力与指挥控制,2007,32(1):88-90.

[4]罗伟,张永亮,赵荣建,等.基于虚拟现实的炮兵分队射击训练仿真研究[J].计算机仿真,2006,23(9):10-13.

[5]仇小光,陶建锋,张秦,等.雷达系统嵌入式仿真研究[J].现代防御技术,2009,37(1):143-148.