系留氣球升空/回收仿真訓練系統設計

摘 要： 為了降低系留氣球的使用風險，滿足系留氣球升空/回收主絞車操作員的訓練需求，以仿真理論、計算機技術和自動控制原理為基礎，結合訓練系統的功能需求和組成特點，提出了訓練系統的具體實現方案，并由此開發出一套交互式桌面型系留氣球升空/回收訓練系統。經測試，該系統能在預定的條件下完成預定的訓練任務，具有訓練的可重復性、無風險、不受氣象條件限制和場地空間限制的特點，有效滿足了用戶的操作訓練需要。

關鍵詞： 系留氣球； 升空/回收訓練系統； 虛擬仿真； 操作訓練

中圖分類號： TN911?34； TP391 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）20?0041?04

0 引 言

虛擬仿真訓練是將虛擬顯示、虛擬仿真、網絡和信息技術與先進教育和訓練理論相融合，通過營造一種逼真的“人工合成訓練環境”，用于開展交互性的操作和訓練，并能使訓練人員產生一種身臨其境的感受。它以安全、經濟、可控、可多次重復、無風險、不受氣候條件和場地空間限制，既能常規操作訓練，又能培訓處理各種事故（包括災難性事故）的應變能力以及訓練的高效率，高效益等獨特優勢，一直受到各國軍方的高度重視。目前，虛擬仿真技術在軍事領域的研究和應用比較先進的國家是美國、俄羅斯和西歐的一些國家。美國國防部“建模與仿真”MS總計劃的內容從開發用仿真到訓練用仿真，從結構仿真、虛擬仿真到實物仿真，其中虛擬仿真涵蓋了從主戰坦克、導彈、戰斗機、核潛艇到航母戰斗群等一系列裝備的仿真系統，已在士兵的訓練中收到了很好的訓練效果，形成了一套完整的模擬訓練模式[1]。系留氣球作為一種較為新型的航空器，以滯空時間長、覆蓋范圍廣、偵察功能強、生存能力強和使用成本低等獨有的優勢受到了越來越多的關注，廣泛應用于各個領域。然而，在系留氣球的整個運行過程中，升空/回收操縱是一個風險性較大的過程，對主絞車操作員有著比較高的要求。為探索新的培訓模式，提供更為先進、成本更低、效率更高的培訓手段，本文基于仿真技術，采用模塊化設計思想開發了系留氣球升空/回收仿真訓練系統。

1 訓練系統功能

系留氣球升空/回收訓練仿真系統提供了以下四大功能[2]：

（1）模擬放飛場環境和系留氣球實體特性的能力

系統能夠模擬放飛場地形地貌、大氣環境，也能夠模擬系留氣球實體的物理特性和升空/回收運動特性。

（2）仿真運行管理與訓練效果評估能力

系統可實現運行狀態信息顯示與可視化、仿真過程的記錄與再現，可對仿真過程進行實時監控，并能對模擬訓練效果進行評估。

（3）模擬系留氣球升空/回收系統工作過程及特情處置功能

包括模擬氣球升空/回收基礎操作、氣球正常升空/回收操作、各種報警下的升空/回收規程以及特殊情況的處置等。

（4）較好的人機交互能力

系統實現了人在回路的系留氣球升空/回收模擬訓練，訓練中可對訓練系統的性能參數進行人工干預或修改，滿足了系留氣球主絞車操作員的訓練需求。

2 訓練系統組成

系留氣球升空/回收仿真訓練系統主要以Windows XP作為軟件平臺，以操作臺和仿真計算機作為基本硬件結構來實現的。該仿真系統各模塊之間構成見圖1。

操作員通過仿真界面模擬指揮員指令對升空/回收訓練軟件系統進行啟動，主要是進行一些升空/回收前的預設置，包括系統自檢、通電和放飛場氣象設置等。當訓練開始時，操作人員操縱操作臺上的電控手柄，產生操縱指令信息，實時傳給升空/回收訓練軟件系統，仿真模型中的數字系留氣球根據輸入的電控手柄指令實時做出響應，以此來模擬真實環境下系留氣球響應電控手柄輸入的過程。仿真模型接收電控手柄輸入的放纜、收攬行程等指令后，實時解算運動學和動力學方程得出系留氣球位置、姿態等數據。視景驅動模塊周期性從仿真模型獲取數據并實時顯示系留氣球運行及場景運動的三維場景。操作員根據顯示的放纜速度、升空高度、風速等相關數據和接收到的指揮員口令實時調整電控手柄的輸入，保證系留氣球按照預定任務要求進行運行，由此就構成了一個人機閉環的仿真訓練系統。訓練操作平臺示意圖如圖2所示。

2.1 操作臺

操作臺是主絞車操作員的訓練平臺，采用真實件以構建與真實操作臺一致的操作環境。操作員控制面板上可見的指示燈、開關、按鈕和電控手柄，和它們的外觀、尺寸、安裝位置、指示標牌、功能及工作極限條件等與真實件一致；開關、按鈕和電控手柄的操作方法、操縱特性、運動方向、力感及操縱響應與真實件一致，控制面板尺寸、布局、顏色與真實件一致。

2.2 仿真界面的設計

仿真界面的主要功能包括系留氣球升空/回收訓練開始前的升空/回收系統供電和自檢、訓練科目選擇、環境參數設置以及參數顯示等。根據以上功能，仿真界面的設計內容可分為五部分：

（1）訓練開始前的系統通電和自檢。訓練開始前應對升空/回收系統進行通電檢查和訓練軟件系統進行自檢。通電檢查是對操作臺控制面板上指示燈狀態的檢測，是升空/回收系統工作的前提。自檢為升空/回收訓練軟件系統的自檢。

（2）訓練科目選擇。在訓練開始前，通過對話框對當前的訓練科目進行選擇，包括基礎操作、正常升空/回收操作、故障情況操作等選項。

（3）環境參數設置。環境參數設置主要是氣象環境的設置，包括白天、黑夜、溫度、風速以及加入風的時間等設置。

（4）纜繩張力、長度、氣球姿態、纜繩收放速度以及風速的參數顯示。各參數的顯示畫面、布局同實裝軟件相同。

（5）其他。包括音量調節、操作員信息等。

2.3 升空/回收訓練軟件系統

升空/回收訓練軟件系統是訓練仿真系統的核心，其包括人機交互模塊、視景驅動模塊和仿真模型。

2.3.1 人機交互模塊

人機交互模塊的主要任務是通過虛擬界面完成軟件與受訓人員的交互，包括仿真訓練控制、參數設置和訓練總結管理：

（1）仿真訓練控制

仿真訓練控制用于訓練過程控制，包括訓練科目設置、重新設置、訓練開始/停止、系統凍結/解凍、故障與處理、記錄/重放等。

（2）仿真參數設置

主要包括系留氣球運行參數的初始化、仿真時間和環境參數的設置。系統運行參數初始化包括系留氣球的海拔高度、俯仰角角和滾轉角的初始化設置。

（3）訓練總結管理

完成受訓人員各項參數操作的記錄、保存、回放以及綜合評價等功能。

2.3.2 視景驅動模塊

視景驅動模塊的主要任務是以聲、光和三維視景動畫的形式，直觀的展現系留氣球升空和回收操作過程中可能出現的各種地景、氣象效果圖像、氣球的運行效果圖以及各種聲音，并通過顯示裝置顯示給操作員，讓操作員有身臨其境的感覺。包括放飛場及氣象條件建模、氣球與錨泊車的建模、聲音環境模擬和視景驅動。

（1）放飛場及氣象條件建模

放飛場及氣象條件建模分別采用了Multigen?Paradigm公司的Creator軟件和Vega Prime軟件。放飛場建模采用Creator建模工具，通過Creator提供的組件模塊進行了三維放飛場的建模，包括放飛場的地形、地貌、空間、放飛場設施以及燈光等。通過Vegar Prime中LynX Prime的功能模塊建立了具有白天和夜間的模式，具有云、雨雪、陰晴和晝夜等天氣特征，用于復雜氣象科目訓練[4]。

（2）氣球與錨泊車的建模

創建氣球與錨泊車的三維模型幾何表面不能過于精細，否則圖形渲染負擔過重，影響仿真的實時性。但模型也不能太粗糙，以免影響在外形上的逼真度。為了滿足仿真訓練系統的需要，利用三維軟件Catia V5進行系留氣球和錨泊車的幾何建模。建立的氣球和錨泊車模型在結構、外形等均與實裝一致。在建模過程中，對模型進行了適當簡化，并進行了材質、貼圖處理。

（3）聲音環境模擬

系留氣球在升空/回收整個操作過程中的聲音環境模擬包括環境噪音、指揮員下達指令音、操作員信息匯報音、設備和系統告警音等。聲音環境模擬實現考慮了天氣環境的特征，采用了數字式音響仿真方法。

其實現方法為：首先錄制真實環境中的相關聲音存儲為聲音文件，對于無法獲得的聲音文件，通過對相近的聲音信號處理或者利用各種信號處理方法以及音效編輯軟件生成，并建立聲音文件庫。然后在離線情況下根據真實升空/回收過程中各種聲音的屬性（包括頻率、幅值、方位）對聲音文件進行配置，再將配置好的聲音文件存儲為一個聲音屬性配置文件庫。

在系統運行階段，音響軟件根據接收到氣球當前的運行狀態選擇相應的聲音播放，根據規則文件中保存的聲音配置信息通過聲卡設備進行聲音播放[4]。

（4）視景驅動

利用Vega Prime提供的API函數進行編程驅動。該系統通過初始化Vega Prime并創建共享內存以及信號量、通過函數調用來創建三維模型和配置設置Vega系統等步驟來實現三維視景渲染驅動[5]。

2.3.3 仿真模型

仿真模型[6?10]用來完成系留氣球的位置姿態計算和相關狀態的解算，包括氣球動力學模型、風場模型、故障模型和告警模型等。

（1）氣球動力學模型

氣球動力學模型是整個仿真訓練系統的基礎，為了創建一個接近于實裝的模型，必須建立氣球動力學模型。該仿真模型通過氣球的幾何布局、基本幾何參數、質量、轉動慣量、氣動數據、氦氣質量以及系留纜繩的相關參數等數據進行氣球六自由度非線性運動方程的建立，完成氣球位置和姿態的計算。

（2）風場（大氣）模型

系留氣球升空/回收運行受大氣特性的變化影響較大，是一個不可忽略的重要因素。大氣特性影響包括大氣壓力、溫度的變化以及風的影響。為了較真實的模擬大氣特性，根據系留氣球的運行環境，建立了大氣模型。

大氣模型產生與標準ICAO大氣模型對應的大氣條件。模型支持溫度和壓力與標準大氣條件的偏差，可以在三個高度上定義風的幅度和方向，在這些高度之間的風特性通過線性插值進行計算，在0～11 km高度范圍內應用一個常值的溫度梯度因子。仿真界面的環境參數項中可以對大氣條件進行初始化，也可以在氣球運行中進行大氣條件的改變。

（3）故障模型

為了培養操作人員判斷和處理事故的能力，訓練系統針對實裝系統在實際運行中可能出現的各種故障現象，進行了故障建模。故障建模時，按照真實操作邏輯進行故障模擬，確保故障指示、應急操作、故障排除的邏輯真實性，可以輸出相應的故障原理，每一種故障對應一個訓練任務。

（4）告警模型

音響警告系統通過音調向操作員提供警告和警戒音響告警。音響警告系統有一個測試開關以確保系統工作正常。

音響警告按時間先后順序提供，但對于同時發生的音響警告，則按已編程的優先順序發出。警告燈系統以告示燈的形式向操作員提供警告、警戒、提示和狀態指示。告警分為在系統運行中直接產生和事先預設兩種。

3 結 論

系留氣球升空/回收仿真訓練系統的開發，取得了以下成果：

（1）系統具有良好的訓練效果，在保障裝備運行安全的基礎上，提高了訓練教學質量。

（2）系統有效解決了用戶在實裝訓練中存在的損壞實裝設備、縮短設備壽命周期、訓練任務受限等問題，能大大消除系統在操作中的安全隱患，降低裝備培訓時間和訓練費用。

（3）提高了裝備保障訓練工作的科學性和有效性，為浮空飛行器的訓練提供了借鑒方法。

參考文獻

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