反坦克導彈射擊虛擬訓練系統設計與實現

楊 軍 賀珍妮 胡勝利 林世聰

1(裝甲兵工程學院兵器工程系 北京 100072)2(裝甲兵工程學院基礎部 北京 100072)

反坦克導彈射擊虛擬訓練系統設計與實現

楊 軍1賀珍妮2胡勝利1林世聰1

1(裝甲兵工程學院兵器工程系 北京 100072)2(裝甲兵工程學院基礎部 北京 100072)

反坦克導彈射擊操作訓練系統是射手提高射擊技能的重要手段。運用SolidWorks和3dsMax三維建模技術，采用面向對象的設計方法，研發了基于LabVIEW的導彈射擊操作虛擬訓練系統。系統使用SolidWorks和3dsMax構建了導彈系統WRL三維輕量化模型，利用LabVIEW中創建對象函數和場景對象類方法中的添加對象等三維控件，運用“串聯”和“并聯”相混合的導彈系統WRL三維模型加載方法，建立了導彈射擊操作三維場景，利用LabVIEW中的事件結構和平鋪式順序結構等函數，創建了基于實彈射擊的射擊操作和飛行控制的動作響應模型，實現了對導彈飛行的操作與控制。

三維建模 LabVIEW平臺 導彈射擊操作 虛擬訓練

0 引 言

目前，導彈射擊操作訓練主要依賴實裝或基于硬件環境的模擬訓練系統，這兩種訓練方式主要存在以下問題：一是訓練成本高，裝備或硬件系統損壞率高；二是訓練設備數量有限，受訓人員培訓周期長、有效訓練時間短，訓練效率低；三是訓練環境和受訓人員的數量受到限制，不能使部隊快速提高戰斗力。基于其科學性、經濟性、直觀性和交互性等優勢，虛擬訓練作為實裝訓練的重要補充和主要手段已成為信息化條件下提高訓練效能的有效途徑。本文提出了以基于LabVIEW的虛擬訓練替代實裝訓練的一種技術方法，并給出了某型車載導彈射擊操作虛擬訓練系統的總體方案和具體實現過程。該系統可用于部隊和院校的軍事訓練和教學訓練之中。

1 導彈射擊操作過程

某型車載導彈系統主要由導彈、制導系統、發射系統、導彈操控盒(操縱面板)和導彈操縱臺等分系統組成。制導系統實現導彈的導引和控制功能，發射系統(發射架和發射托架)實現導彈的發射功能，導彈操控盒實現導彈發射前的狀態設置和檢查功能，導彈操縱臺實現導彈的發射與控制功能。導彈射擊操作流程如圖1所示。其中，導彈發控程序自檢有7個步驟完成對發控系統14個環節的檢查，導彈伺服系統協調/歸零檢查有8個步驟完成對發控系統12個環節的檢查，導彈發射程序檢查有7個步驟完成對發控系統9個環節的檢查。射手主要操縱導彈操控盒和導彈操縱臺完成導彈的射擊操作，主要包括導彈發射狀態的設置、按下發射按鈕和控制導彈的飛行并命中目標。在射手全過程的操控中主要涉及到對開關、按鈕和瞄準線操控系統的操作，同時射手還要觀測各種指示燈的狀態顯示并根據各種狀態判斷導彈系統是否可以正常發射。因此，在虛擬訓練系統中主要涉及到武器系統的三維建模技術以及指示燈的控制、按鈕的控制、發射托架的控制和導彈飛行的控制等問題。

圖1 導彈射擊操作流程

2 總體方案設計

LabVIEW是NI推出的虛擬儀器開發平臺軟件，它被視為標準的虛擬儀器控制軟件，可采用圖形化編程語言搭建各種虛擬儀器系統，實現功能上的仿真與模擬[1]。程序以框圖形式表現，利用其直觀簡便的編程方式、眾多源碼級的設備驅動程序、多種多樣的分析和表達功能支持，研發基于LabVIEW的裝備虛擬訓練系統是實現部隊軍事訓練的經濟、快捷、有效的技術途徑。

根據訓練科目的目標和要求，制訂虛擬訓練系統的仿真功能和技術指標，在滿足操作界面相似性、訓練方法正確性、虛擬現實一致性的基礎上，采用面向對象的設計方法，將實際裝備上的開關、按鈕、指示燈等組件，用LabVIEW中的虛擬控件替代，實現對系統的界面設計、程序設計、功能實現和裝備模型仿真。達到了場景中的對象模型與實裝外觀形狀基本相同、空間位置分布正確、軟件操作步驟與實際操作規程完全一致、操作者所接收的反饋信息與實際裝備相同的訓練效果。基于LabVIEW的某型車載導彈射擊虛擬訓練系統總體技術方案如圖2所示。

圖2 基于LabVIEW的某型導彈射擊虛擬訓練系統總體方案

該系統按照功能需求劃分為模擬訓練模塊、交互教學模塊、操作考核模塊和三維顯示模塊。其中模擬訓練、交互教學、操作考核三個模塊單獨使用LabVIEW圖形編程實現，三維顯示模塊使用SolidWorks三維建模技術和LabVIEW的圖形編程功能實現。系統在LabVIEW環境下設計研發，在Windows系統PC機上運行。

3 三維場景創建

3.1 WRL三維模型構建

首先運用SolidWorks構建導彈、發射架、發射托架、坦克目標靶等部組件系統三維模型，其次利用3dsMax進行輕量化處理(在模型加載時使系統占用內存最小，可減少5～6倍以上)，最后運用LabVIEW中的三維控件實現各部組件的約束連接，提高系統的仿真實時性。下面給出導彈WRL三維模型構建的詳細過程。

通過對導彈系統外形尺寸的準確測量及對其特征的把握，通過SolidWorks中的拉伸、旋轉、切除、鏡向、陣列、圓角等功能完成對導彈頭部、彈身、尾部、彈翼、舵片等零部件的建模，并生成sldprt格式三維模型文件[2]。使用3dsMax打開該格式文件，重設模型三維空間坐標，通過平移、旋轉等操作賦予模型正確的初始位置，將模型進行細節簡化處理，減少模型精度位數，縮小三維模型文件占用空間大小，并生成LabVIEW中所需要的VMRL97格式三維模型文件。該模型滿足外觀尺寸與實裝的逼真程度和加載等方面的要求。

3.2 三維場景構建

第創建三維場景與加載WRL模型的方法如圖3所示。

圖3 三維模型“串聯”和“并聯”混合加載示意圖

使用創建對象函數(Create Object)和三維圖片顯示控件(3D Picture)創建一個三維場景，然后使用加載VRML文件函數(Load VRML File)加載模型，再調用節點函數(Invoke Node)場景對象類方法中的添加對象(Object.Add Object)將模型加載到三維場景中。系統中將WRL三維模型加載到三維場景中的方式有“串聯”和“并聯”兩種加載方法。“串聯”加載如同父子關系，某個對象是另一個對象的父對象，則子對象隨同父對象一起變化，這樣“串聯”加載方式可在相對運動的三維場景中應用，且可在復雜的三維場景中提高編程效率。實現途徑是將本層的調用節點函數場景輸出端作為上一層調用節點函數的添加對象輸入端，本層即為上一層的子對象；下一層的調用節點函數場景輸出端作為本層調用節點函數的添加對象輸入端，本層即為下一層的父對象，即為“串聯”加載方式。例如：發射托架三維模型經VRML文件函數加載后作為本層調用節點函數場景輸入端，一方面它是上一層車體部分的子對象，故本層場景輸出端連接到上一層車體部分；另一方面它是發射架的父對象，故本層的調用節點函數添加對象輸入端連接下一層發射架。本層對象坐標的設置影響到本層以下的子對象,如圖4所示。依次添加可構成三維模型的“串聯”加載。

圖4 發射托架層的WRL三維模型“串聯”加載方法

“并聯”加載是將多個相互獨立的WRL三維模型通過調用節點函數場景對象類方法中的對象：添加對象同時連接到創建對象函數中。例如：車體部分.wrl和坦克目標靶.wrl同層次的模型同時連接至三維場景之中。所構建的三維場景如圖6所示。

4 程序設計與實現

程序設計采用面向對象的設計方法，將實裝上的開關、按鈕、指示燈等用LabVIEW中的虛擬控件替代，通過鼠標點擊虛擬設備上的開關和按鈕，使受訓者所接收的反饋信息與操作實裝完全一致，導彈系統三維模型的動作響應也與實裝一致。通過訓練使受訓者能夠掌握實裝導彈發射與控制等四個訓練科目的操作技能。

LabVIEW使用的是圖形化的編程語言-G語言，其研發環境包括程序框圖和前面板兩部分。程序框圖是圖形化的源代碼，如圖5所示；前面板是圖形化的用戶界面。LabVIEW提供了大量的函數庫供用戶調用。在本系統中主要使用了While循環、條件結構、事件結構等函數結構，同時為實現復雜的邏輯結構程序采用了多層While循環嵌套模式，為避免內部循環重復運行，使用布爾中間變量和平鋪式順序結構相結合的方法實現內部循環只運行一次的功能，保證了程序運行持續響應和用戶控制的單次響應。

圖5 系統研發環境

4.1 虛擬操作界面

訓練系統虛擬操縱界面主要包括題標、訓練科目選擇、導彈射擊操作方法提示、虛擬操控面板、虛擬操控系統和導彈飛行三維場景等部分構成。其輸入控件主要有導彈系統各部組件和各種開關及按鈕等，顯示控件主要有各種指示燈和三維場景顯示。某型導彈射擊操作訓練系統虛擬操作界面即前面板如圖6所示。

圖6 某型導彈射擊操作訓練系統操作界面

4.2 指示燈控制程序

指示燈控制程序主要控制9個燈的“亮”、“滅”、“閃爍”和“延遲協調”，以自檢指示燈閃爍功能控制程序為例給出實現方法。該程序使用了閃爍屬性節點實現了指示燈的閃爍功能。使用布爾中間變量a和自檢指示燈局部變量控制條件結構的執行，采用平鋪式順序結構控制數據流的流向。部分程序框圖如圖7所示。

圖7 自檢指示燈程序框圖

4.3 擊發按鈕控制程序

當按下擊發按鈕后，掛彈指示燈熄滅，松開擊發按鈕時，掛彈指示燈仍然保持熄滅。為實現這一功能，利用擊發按鈕(SA1)被按下這一事件作為觸發信號，觸發事件結構運行，使用反饋節點把上次運行以后的數值反饋回超時分支。即當按下擊發按鈕后，事件結構的輸出一直為真，這個結果和電源開關、武器選擇等按鈕一起決定掛彈指示燈的亮滅。部分程序框圖如圖8所示。

圖8 擊發按鈕程序框圖

4.4 發射托架控制程序

該程序具有發射托架的協調/歸零控制功能。主要由條件結構來實現，該結構函數包含協調(數值為2)、等待(數值為1)和歸零(數值為0)三個分支。根據布爾中間變量b和協調/歸零布爾開關的狀態，由Boolean To (0,1)與求和兩個函數得到決定程序執行的條件。如表1所示。

表1 發射托架協調/歸零條件結構邏輯關系

程序運行邏輯關系如圖9所示。設置b初始值為True，當協調/歸零開關置協調位時，程序執行分支2，發射托架協調至規定位置(導彈與火炮成一定的角度α)，并在協調到位后賦b值為False；當b和協調/歸零值分別為True和False時，程序執行分支1，程序進入等待狀態；當協調/歸零開關置歸零位時，b和協調/歸零值都為False，程序執行分支0，發射托架回歸至初始狀態(導彈與火炮夾角逐漸減小至0)，并在歸零到位后賦b值為True，程序進入分支1等待狀態。

圖9 程序運行邏輯關系圖

程序框圖如圖10所示。

圖10 發射托架協調分支部分程序框圖

4.5 導彈控制程序

在LabVIEW中加載三維場景時采用地面坐標系，加載后通過平移函數(SetTranslation)設定各模型的初始位置并完成組配，所構建的三維場景如圖6所示。

導彈飛行控制程序根據布爾中間變量c和擊發開關的狀態，采用與函數實現條件結構真、假兩個選擇分支。只有當c和擊發開關都為True(按下擊發按鈕)時，程序執行真分支，完成導彈的發射、旋轉穩定和飛行控制。使用兩個并行的While循環和旋轉對象函數控制導彈按要求頻率自旋，并通過導彈實測彈道數據改變導彈的空間位置(xi,yi,zi)，實現導彈的飛行控制。當導彈飛行結束(導彈命中目標)時，程序退出While循環，同時賦予c為False；否則程序執行假分支，使程序處于發射等待狀態，如圖11所示。

圖11 導彈控制程序設計思路

導彈飛行控制部分程序框圖如圖12所示。

圖12 導彈飛行控制部分程序框圖

5 結 語

本文研究了SolidWorks仿真建模技術和基于LabVIEW的虛擬儀器技術，在此基礎上研發了某型導彈射擊操作虛擬訓練系統，該系統具有替代實裝訓練的功能。取得的創新性研究成果如下：

(1) 研究了三維建模技術，使用SolidWorks構建了導彈系統WRL三維模型，并應用3dsMax對模型進行了輕量化處理，使得LabVIEW加載WRL模型時占用系統內存最小。

(2) 研究了“串聯”和“并聯”相混合的導彈系統WRL三維模型加載方法。利用LabVIEW中創建對象函數、三維圖片顯示控件、場景對象類方法中的添加對象等三維控件，使得模型加載時所用控件數量最少且程序簡化，建立了形象逼真的導彈射擊操作三維場景。

(3) 創建了導彈射擊操作和飛行控制的動作響應模型。使用了LabVIEW中While循環、條件結構、事件結構、平鋪式順序結構等函數，建立了射擊操作與飛行控制之間的邏輯關系，實現了對導彈飛行的操作與控制。

(4) 研發了導彈射擊操作虛擬訓練系統。按照實際裝備的訓練規程，除了導彈飛行控制采用了虛擬系統實現外其它射擊操作均與實裝相同，可有效實施導彈射擊操作訓練。該系統能有效地解決部隊和院校在導彈射擊操作訓練和教學時的困難，達到了降低訓練費用、提到訓練效率、縮短訓練周期等目的。

[1] 彭勇,潘曉燁,謝龍漢.LabVIEW虛擬儀器設計及分析[M].北京:清華大學出版社,2011:1-205.

[2] 姚健娣,謝龍漢,杜如虛.SolidWorks2010三維設計及制圖[M].北京:清華大學出版社,2011:44-63.

[3] 楊京廣,黃威,王洲偉.將虛擬訓練引入實踐教學研究[J].中國校外教育,2010(20):70.

[4] 張洪亮,陳喬生.虛擬導彈訓練系統研究[J].科技研究,2009,25(5):26-29.

[5] 安興,李剛,徐林偉,等.虛擬現實技術在美軍模擬訓練中的應用現狀及發展[J].電光與控制,2011,18(10):42-46.

[6] 鐘孟春,李程,張春林,等.步兵戰車反坦克導彈三點法導引彈道視景仿真[J].計算機仿真,2014,31(9):24-27,37.

[7] 石川,張琳娜,劉武發.基于LabVIEW的數據采集與信號處理系統[J].機械設計與制造,2009(5):21-23.

[8] 李程.步兵戰車導彈虛擬訓練系統關鍵技術研究[D].北京:中國人民解放軍裝甲兵工程學院,2014.

DESIGN AND IMPLEMENTATION OF VIRTUAL SHOOTING TRAINING SYSTEM FOR THE ANTI-TANK MISSILE

Yang Jun1He Zhenni2Hu Shengli1Lin Shicong1

1(DepartmentofArmsEngineering,AcademyofArmoredForceEngineering,Beijing100072,China)2(DepartmentofFundamentalCourses,AcademyofArmoredForcesEngineering,Beijing100072,China)

The training system for anti-tank missile shooting operation is a crucial approach for shooters to improve shooting ability. Utilizing the SolidWorks and 3dsMax modeling technology and adopting the design method of facing object, a shooting training system based on the LabVIEW for a Certain Type of Missile is developed. This system utilizes SolidWorks and 3dsMax to build the 3D model of missile system, and uses the object function and 3D control such as adding object in LabVIEW to construct the 3D scene of missile shooting operation. Then, using the function of event structure and tile type structure in LabVIEW to build the respond model of shooting operation and flight control based on firing practice, realizing the operation and control of missile flight.

3D modeling LabVIEW Missile shooting operation Virtual training

2015-10-27。楊軍，教授，主研領域：導彈工程。賀珍妮，講師。胡勝利，助教。林世聰，碩士生。

TP391.9

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2017.02.032