模擬訓(xùn)練在航空牽引與加油中的應(yīng)用

飛機(jī)誘導(dǎo)和加油作為一項(xiàng)技術(shù)要求很高的訓(xùn)練項(xiàng)目，在保證空軍場地外場的保障中發(fā)揮著重要作用。如何利用高科技以最低成本提供訓(xùn)練保障所需的技術(shù)設(shè)備已成為我軍各網(wǎng)站面臨的問題。正因?yàn)槿绱?有效地利用模擬訓(xùn)練設(shè)備組織訓(xùn)練就成了當(dāng)前軍事訓(xùn)練的主要發(fā)展方向。戰(zhàn)爭狀態(tài)下,飛機(jī)的起降間隔時(shí)間要求短、牽引技術(shù)要求高,因此,勤務(wù)保障訓(xùn)練中對(duì)特種車輛的訓(xùn)練要求也特別高。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),飛機(jī)、導(dǎo)彈等牽引車在訓(xùn)練中稍有不慎易造成牽引車碰撞飛機(jī)等重要目標(biāo)、在牽引中目標(biāo)翻倒等現(xiàn)象,對(duì)牽引訓(xùn)練都進(jìn)行了十分嚴(yán)格的規(guī)范。但戰(zhàn)爭是沒有規(guī)定模式的,加之,對(duì)先進(jìn)飛機(jī)保密要求高、不宜頻繁進(jìn)出,為減少出動(dòng)頻率,降低訓(xùn)練費(fèi)用,特種車輛牽引仿真器呼之欲出。在飛機(jī)的外場后勤保障車輛中,牽引車不僅功能獨(dú)特,性能穩(wěn)定,而且對(duì)駕駛?cè)藛T的要求也很高。這些特點(diǎn)決定了牽引車結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、耗油多、維護(hù)困難,相應(yīng)的訓(xùn)練成本也很高,使用高級(jí)牽引車訓(xùn)練模擬器不僅能增強(qiáng)訓(xùn)練效果,而且較好地解決了這一矛盾。據(jù)了解,國外同類產(chǎn)品大多運(yùn)用的是沙盤成像原理,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,價(jià)格昂貴,每臺(tái)套的價(jià)格在數(shù)百萬元,且視景顯示系統(tǒng)未采用計(jì)算機(jī)三維成像,道路上場景簡單,情況少,訓(xùn)練效果一般。更為重要的是該系統(tǒng)穩(wěn)定性差,每臺(tái)套每年的維修費(fèi)用就達(dá)近10萬元人民幣,使用成本很高,不適合我國國情。為適應(yīng)打贏高技術(shù)條件下局部戰(zhàn)爭的要求,戰(zhàn)備訓(xùn)練須進(jìn)一步加強(qiáng)。因而,立足我國的基本國情,開發(fā)自己的功能獨(dú)特、價(jià)格適中、能滿足部隊(duì)多種需要的模擬訓(xùn)練產(chǎn)品勢在必行,這也是由我國的基本國情所決定的。1仿真系統(tǒng)模塊本系統(tǒng)由駕駛模擬座艙(操縱系統(tǒng))、加油模擬裝置、信號(hào)采集控制系統(tǒng)、三維成像視景系統(tǒng)、儀表顯示系統(tǒng)、語音提示和音效系統(tǒng)、飛機(jī)牽引與加油仿真模型等模塊組成。全視景飛機(jī)牽引與加油訓(xùn)練仿真器既可以單機(jī)運(yùn)行,也可基于網(wǎng)絡(luò)讓多個(gè)駕訓(xùn)者加入同一視景中進(jìn)行交互式訓(xùn)練,每個(gè)駕訓(xùn)者在同一虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中,通過計(jì)算機(jī)與其它用戶進(jìn)行交互,并共享信息,使仿真器的訓(xùn)練變得更加逼真有效,提高訓(xùn)練效果。1.1數(shù)字麻黃的系統(tǒng)流程本系統(tǒng)共配置一套駕駛模擬座艙、一套加油管道系統(tǒng)模擬裝置、一套中、高檔計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和三維跟蹤式數(shù)字頭盔等。系統(tǒng)流程框圖如圖1所示。系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成能在3種模式下運(yùn)行:①單獨(dú)作為汽車駕駛訓(xùn)練仿真器使用;②單獨(dú)作為牽引車訓(xùn)練模擬器使用;③單獨(dú)設(shè)計(jì)成加油車訓(xùn)練仿真器使用。真正做到了一機(jī)多用,資源共享。1.2模擬操縱機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)操縱模擬系統(tǒng)是模擬訓(xùn)練設(shè)備的關(guān)鍵部件之一,它的模擬效果將直接關(guān)系到整個(gè)模擬系統(tǒng)的訓(xùn)練效果。為此,我們對(duì)現(xiàn)有的牽引、加油車輛操縱機(jī)構(gòu)進(jìn)行充分研究,建立操縱機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)模型,然后運(yùn)用機(jī)構(gòu)力學(xué)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)等先進(jìn)手段設(shè)計(jì)模擬機(jī)構(gòu)。這樣設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)不僅結(jié)構(gòu)合理,而且模擬效果令人滿意。模擬操縱系統(tǒng)由駕駛座艙、方向盤模擬系統(tǒng)、腳操縱機(jī)構(gòu)模擬系統(tǒng)(離合器、制動(dòng)、油門)、模擬檔位系統(tǒng)、儀表模擬顯示系統(tǒng)等組成,座艙內(nèi)的各操縱桿、方向盤、儀表等之間的位置關(guān)系和力感與實(shí)車相似。而加油操縱模擬裝置采用與實(shí)際加油車管路及各類閥門一致的模擬機(jī)構(gòu),其操作力感也與真實(shí)加油車完全相符,飛機(jī)牽引與加油仿真外形見圖2所示。1.3非接觸式傳感器信號(hào)采集控制系統(tǒng)主要由傳感器系統(tǒng)和接口電路組成,傳感器系統(tǒng)是仿真器的“神經(jīng)系統(tǒng)”,由于我們采用了自行研制的高靈敏度、低功耗的非接觸式傳感器,傳感精度、穩(wěn)定性大大提高。它們主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換。它接收從操縱系統(tǒng)發(fā)來的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),如加速器、離合器、制動(dòng)器等實(shí)時(shí)量,經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后發(fā)送給計(jì)算機(jī)處理;同時(shí)把飛機(jī)牽引仿真模型和飛機(jī)加油仿真模型處理的數(shù)據(jù)(如速度、點(diǎn)火狀態(tài)和轉(zhuǎn)向燈狀態(tài)、駕駛操縱的錯(cuò)誤信息等)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換發(fā)送到操縱系統(tǒng)的模擬儀表盤上。1.4汽車駕駛過程中仿真模型的建立在模擬訓(xùn)練器材的研制過程中,模型的建立一直是非常關(guān)鍵的工作。美國是開展模擬訓(xùn)練研究較早的國家之一,在美國,建模被列入“關(guān)鍵技術(shù)”,其原因就在于它是模擬訓(xùn)練器材得以實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ),模擬訓(xùn)練效果的好壞在很大程度上取決于模型的準(zhǔn)確與否。通用駕駛動(dòng)力學(xué)仿真模型包括汽車的直線行駛仿真模型、轉(zhuǎn)向行駛仿真模型、汽車的制動(dòng)模型等,根據(jù)駕駛?cè)藛T的操作,仿真出汽車的各種運(yùn)動(dòng)參數(shù)。而對(duì)牽引車和加油車來說,仿真模型將區(qū)分不同的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)產(chǎn)生不同的運(yùn)動(dòng)特性。汽車牽引飛機(jī)后,由于飛機(jī)載荷較大,其慣性大,汽車的起步、行駛與空載時(shí)完全不同。另一方面,由于汽車是通過牽引桿牽引飛機(jī)的,因而汽車的轉(zhuǎn)向特性也發(fā)生了變化,這時(shí),汽車—牽引桿—飛機(jī)組成了含有兩個(gè)鉸接的多剛體運(yùn)動(dòng),其運(yùn)動(dòng)規(guī)律較復(fù)雜,此時(shí)我們就分別對(duì)三剛體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究,最后得出牽引飛機(jī)轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)的仿真模型。與普通汽車駕駛員相比,飛機(jī)牽引車駕駛?cè)藛T除了要掌握汽車駕駛的各項(xiàng)操作要領(lǐng)、遵守交通規(guī)則外,還應(yīng)遵守飛機(jī)牽引的一些特殊規(guī)定,同時(shí),飛機(jī)加油也有相應(yīng)的程序和規(guī)定。我們?cè)诔浞终{(diào)研的基礎(chǔ)上,將這些規(guī)則、程序編制成相應(yīng)的邏輯模型,在飛機(jī)牽引與加油的各個(gè)過程中,對(duì)駕駛?cè)藛T的各種操作進(jìn)行監(jiān)控,并與標(biāo)準(zhǔn)操作對(duì)照,發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)通報(bào)。系統(tǒng)的總控流程,見圖3所示。1.5景觀視覺特性視景系統(tǒng)是汽車駕駛模擬器的重要組成部分,它給駕駛學(xué)員實(shí)時(shí)提供一個(gè)與地理位置相對(duì)應(yīng)的連續(xù)的駕駛室外景。在整個(gè)駕駛訓(xùn)練過程中,視景系統(tǒng)將提供道路、路旁的建筑、車輛、山川、田野等景象。視景系統(tǒng)能提供白晝、夜間和雨霧、冰雪天氣等工作模式,還應(yīng)能體現(xiàn)出景物的紋理、濃淡、陰影、光照、能見度等視覺特性。本系統(tǒng)采用DirectxSDK中的Direct3D來實(shí)時(shí)生成三維圖象。視景系統(tǒng)由視景數(shù)據(jù)庫(地景文件)、控制管理模塊、3D渲染模塊、顯示模塊組成,我們運(yùn)用普通計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了以往大型工作站才能完成的復(fù)雜駕駛場景,經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理,得出的帶紋理的虛擬路面、外景均與實(shí)際情況一致,這樣就給駕駛?cè)藛T提供了熟悉的環(huán)境,同時(shí)也給有關(guān)部門編制訓(xùn)練科目提供了方便,而未來模擬訓(xùn)練結(jié)束轉(zhuǎn)入實(shí)車訓(xùn)練時(shí),學(xué)員也會(huì)自然地很快適應(yīng)環(huán)境,有效消除他們的緊張心理。1.6引物內(nèi)的dircsond組件當(dāng)學(xué)員在操縱過程中出現(xiàn)失誤或違反交通規(guī)則時(shí),語音提示系統(tǒng)負(fù)責(zé)相應(yīng)的語音警告;音響系統(tǒng)由汽車動(dòng)力學(xué)模型根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài),模擬發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和各種運(yùn)行時(shí)的聲音以及喇叭、剎車等聲音,牽引與加油仿真器效果見圖4。為了讓模擬器訓(xùn)練人員有身臨其境的感覺,必須在一個(gè)充滿發(fā)動(dòng)機(jī)轟鳴聲的環(huán)境里,同時(shí)發(fā)出剎車聲、喇叭聲、錯(cuò)誤報(bào)警聲等,我們引入了DirectXSDK中的DirectSound組件。DirectSound中的基本操作單元是聲音緩沖區(qū)對(duì)象,每一個(gè)“從聲音緩沖區(qū)(SecondarySoundBuffer)”對(duì)象播放一種聲音,所有“從聲音緩沖區(qū)”對(duì)象都在“主緩沖區(qū)”中進(jìn)行混音,具有速度快,可控制性強(qiáng),當(dāng)硬件空閑時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)硬件加速,而且聲源混音數(shù)量不受限制。1.7視覺、聲音效果的應(yīng)用以往我國的陸地車輛模擬訓(xùn)練設(shè)備普遍存在視角小的缺點(diǎn),難以完成倒車等復(fù)雜駕駛過程的仿真。而飛機(jī)牽引中的掛鉤、脫鉤等操作難度較大,運(yùn)用以往的模擬訓(xùn)練器材難以實(shí)現(xiàn)。由于運(yùn)用了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),使飛機(jī)牽引仿真器不受視角的控制,視角為360°的范圍內(nèi)隨意調(diào)整,再配合數(shù)字音響,使人產(chǎn)生完全進(jìn)入虛擬環(huán)境的感覺。本系統(tǒng)采用的視景顯示裝置采用了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),計(jì)算機(jī)產(chǎn)生了一個(gè)三維的虛擬環(huán)境(如機(jī)場、道路、建筑等),通過人的視覺、聽覺、觸覺等作用于人,使人產(chǎn)生身臨其境的感覺。這主要由三維圖像視覺效果和聲音效果來實(shí)現(xiàn)的。三維圖像顯示輸出設(shè)備能將計(jì)算機(jī)數(shù)字信號(hào)變成三維圖像。本系統(tǒng)中運(yùn)用的顯示輸出設(shè)備是我們自行研制的虛擬數(shù)字頭盔系統(tǒng),該系統(tǒng)由頭盔顯示器和位置跟蹤器組成,頭盔顯示器與計(jì)算機(jī)相連,在雙眼的前面各裝有一個(gè)微型顯示器,對(duì)同一景物計(jì)算機(jī)在每個(gè)微型顯示器上分別產(chǎn)生一個(gè)獨(dú)立圖像,以每秒60次以上的頻率交替出現(xiàn),人的大腦將兩幅圖像組合成一幅立體視圖。聲音效果包括音響和語音效果,通過音頻卡和立體聲設(shè)備將電子信號(hào)變成立體聲。虛擬物體配上了聲音,人的耳朵根據(jù)聲音可判斷其大致距離和方向;這樣虛擬物體的圖像、聲音信息同時(shí)傳到大腦,再加上位置跟蹤器可以跟蹤頭部的運(yùn)動(dòng),計(jì)算機(jī)根據(jù)頭部位置的變化輸出變化的圖像,這樣訓(xùn)練者就可以象在真實(shí)世界中一樣,從不同的觀察角度可以看到不同的圖像,從而大大增強(qiáng)了臨境訓(xùn)練效果。2飛機(jī)牽引訓(xùn)練系統(tǒng)在飛機(jī)牽引運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力學(xué)建模與仿真、全紋理計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)三維成像、頭盔全方位跟蹤器等關(guān)鍵技術(shù)上取得了突破性進(jìn)展。(1)研制了飛機(jī)牽引與加油的綜合仿真模型;(2)視景系統(tǒng)的開發(fā)與研制。利用普通PC機(jī)進(jìn)行三維實(shí)時(shí)紋理圖像處理,圖像標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到了工作站標(biāo)準(zhǔn),三維視景系統(tǒng)采用了特定機(jī)場的實(shí)物實(shí)景,大大增強(qiáng)特定機(jī)場保障人員的訓(xùn)練效果。運(yùn)用該模擬器進(jìn)行飛機(jī)牽引訓(xùn)練,既可避免實(shí)車、實(shí)機(jī)訓(xùn)練中出現(xiàn)的事故,同時(shí)又可以對(duì)飛機(jī)牽引進(jìn)行規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化訓(xùn)練,縮短了訓(xùn)練周期;(3)自主開發(fā)了高精度數(shù)據(jù)頭盔。它由新型視景顯示系統(tǒng)和高精度位置傳感器組成。它的研制成功使得我們能在較低的成本下使場景視野達(dá)到了360°,運(yùn)用該裝置在國內(nèi)首先實(shí)現(xiàn)了牽引駕駛員全方位視景轉(zhuǎn)向,進(jìn)行牽引掛鉤、脫鉤等訓(xùn)練,從而實(shí)現(xiàn)飛機(jī)牽引、加油模擬訓(xùn)練的突破。3飛機(jī)牽引與加油由于采用了與實(shí)物接近的操作機(jī)構(gòu),仿真程序與實(shí)機(jī)的操作完全一致,因此經(jīng)過飛機(jī)牽引與加油模擬訓(xùn)練器訓(xùn)練的人員,再經(jīng)過簡單的實(shí)車訓(xùn)練就可進(jìn)行實(shí)際操作,同時(shí)還增強(qiáng)了飛機(jī)牽引與加油訓(xùn)練的隱蔽性、經(jīng)濟(jì)