某型炮射導彈“瞄準-擊發-跟蹤-命中”系統設計與實現

賀珍妮 楊軍

【摘要】針對某型炮射導彈射擊訓練問題，采用三維建模技術、三維控件技術以及狀態機結構、事件結構、循環結構等節點函數，研發了基于SolidWorks和LabVIEW的某型炮射導彈“瞄準-擊發-跟蹤-命中”虛擬訓練系統。該系統通過各節點函數實現了各部件的約束連接，同時展示了射擊的過程和制導原理，且可使受訓者通過鼠標和鍵盤與虛擬環境中的對象進行交互作用、相互影響，并使其在視覺上真實體驗戰場環境、熟悉操作規程。

【關鍵詞】導彈射擊∣虛擬訓練∣SolidWorks∣LabVIEW

隨著現代化信息手段的發展，虛擬訓練已經成為實戰化訓練的一種重要輔助手段[1]。某型炮射導彈訓練系統具有操作過程復雜、設備造價昂貴和工作壽命有限等特點，而實裝操作訓練會造成裝備的損耗，并且由于訓練環境、裝備數量、訓練經費等條件限制，極大地制約了部隊實裝訓練的開展。因此研發虛擬訓練系統具有重要意義。本文以某型車載炮射導彈為研究對象，研發了基于SolidWorks和LabVIEW的虛擬訓練系統，該系統在計算機上模擬了裝備整個訓練的操作流程和動作要領，通過訓練可使受訓人員快速掌握射擊的方法和技巧。

一、總體方案設計

根據訓練科目的目標和要求，模擬射手射擊時的真實場景，在滿足操作界面真實性、訓練方法正確性、虛擬現實一致性的基礎上，對虛擬訓練系統進行優化界面顯示、完善程序設計、增加訓練功能，制定了虛擬訓練系統的仿真功能和技術指標，“瞄準-擊發-跟蹤-命中”虛擬訓練系統分為虛擬戰場環境、三維模型顯示、裝備操作、運動控制、邏輯判斷五個組成部分。基于LabVIEW的虛擬儀器技術是一種高效圖形化虛擬儀器開發平臺[2]，建立該虛擬訓練系統，總體組成如圖1所示。

二、三維場景創建

（一）WRL三維模型構建

在熟悉掌握反坦克導彈操作原理和動作要領后，為了使受訓人員真實感受訓練場景，根據搭建虛擬訓練系統所需模型，在SolidWorks中利用相關技術構建瞄準鏡、瞄準線、導彈等三維模型，將其保存為WRL格式，并選擇輸出單位為毫米，運用LabVIEW中的三維控件和調用節點調用三維模型。

（二）三維場景構建

在LabVIEW程序面板使用創建對象和三維圖片顯示控件函數創建一個三維場景，然后選擇路徑加載VRML文件函數加載模型，再調用節點函數將對象添加到三維場景中。模型的加載方式有“串聯”和“并聯”兩種加載方法[3]。

三、程序設計與實現

某型炮射導彈系統主要由瞄準裝置、制導控制裝置、彈體環節等部件組成。當導彈完成系統檢查后，射手通過瞄準鏡搜索目標，將瞄準鏡內十字線對準目標并按下發射按鈕后導彈飛出。此后制導控制裝置實時測量出導彈偏離瞄準線的偏差[4]。制導控制裝置按規定的數學模型，形成修正導彈飛行偏差的控制信號，控制彈體飛行，消除導彈的飛行偏差，保持導彈沿瞄準線飛行，直到命中目標。

在導彈“瞄準-擊發-跟蹤-命中”過程中需要對操作者的鼠標鍵盤實時響應，同時各訓練環節按照時間順序進行有序的狀態切換，所以程序設計采用LabVIEW中的狀態機結構，共分9個狀態：初始化、流程訓練、瞄準擊發、導彈跟蹤、命中判斷、超出范圍、成功命中、錯誤提示、結束程序。其中，初始化模塊主要設置目標靶坦克的運動模式、物理環境引擎參數、導彈命中范圍等。操作流程訓練模塊主要是利用LabVIEW自定義控件實現與實裝一一對應的開關、按鈕、指示燈等設備的操作，采用了基于操作-響應模型的IPCA（Intelligent Process Control Agent）設計，對射手操作合法性進行判斷，訓練射手正確完成導彈擊發前的各項準備工作。瞄準擊發模塊，針對瞄準鏡的操作訓練，實現初步瞄準工作，按下“擊發”按鈕后，導彈飛出。此后的導彈跟蹤、命中判斷、超出范圍模塊是循環過程，結果用成功命中、錯誤提示模塊實現。

（一）“瞄準-擊發-跟蹤-命中”程序

通過導彈跟蹤-命中判斷-超出范圍三個狀態循環，實現操作鍵盤和鼠標來控制導彈的“瞄準-擊發-跟蹤-命中”目標的過程，如圖2所示。根據導彈自動控制原理，制導過程是一個二階超調過程。程序用六維參數描述導彈的初始運動狀態和位置 ，引入三維物理環境引擎參數和不超參數10%的隨機改變量 ，通過LabVIEW的事件結構和條件結構，讀取鼠標或鍵盤的操作并解析出瞄準線指向位置 。以 表示循環計算的時間間隔， 表示循環次數，由導彈飛行控制原理[4]計算出當前實時狀態 ，并與目標靶實時位置進行命中判斷 。如果在區間內判定擊中目標，進入成功命中狀態；如果不在范圍內進一步判斷導彈是否超出目標靶的擊中范圍 。如果已經超范圍表示導彈未擊中，進入錯誤提示狀態；如果未超范圍，則將當前的導彈參數作為新的初始值開始下一次循環。

軟件程序通過操作鍵盤和鼠標來控制導彈的“瞄準-擊發-跟蹤-命中”目標的過程。首先建立三維立體坐標系，使用函數面板的數學公式來控制目標靶坦克運動。以最簡單的橫向運動為例，根據目標運動速度范圍，由while循環結構使X坐標每毫秒改變一定的位移量。然后使用事件結構來實現鍵盤控制瞄準鏡運動。編輯事件結構選擇“鍵按下”，在事件結構多項類型中選擇V鍵，添加條件結構分支，設置條件為“up”、“down”、“left”、“right”，分別控制相對應的坐標改變。最后將坐標改變量輸出連接至瞄準鏡平移函數，從而實現用鍵盤控制瞄準鏡追蹤目標的過程。

（二）導彈運動軌跡顯示程序

為了使受訓者快速地掌握射擊要領，在導彈命中目標后，通過三維彗星圖顯示導彈的運動軌跡。將導彈運動的三維坐標捆綁后輸入到for循環，在循環內使用解除捆綁函數分別輸出三維坐標，然后再運用繪圖幫助連接到三維彗星圖，最終通過引用在同一圖形顯示不同曲線。

（三）戰場環境顯示程序

為了使射手在一種較為接近實戰的虛擬環境中迅速提高訓練水平，該系統添加了戰場環境，其主要運用了三維函數的紋理功能。首先在三維場景中創建場景沙盒，使用平移對象函數賦予一定的空間位置，把戰場環境圖片導入應用紋理函數，這時戰場環境圖片會覆蓋場景沙盒，再使用創建三維圖片的方法添加到三維顯示空間中。

（四）虛擬操作界面

在論文[3]中已經實現了虛擬操作界面、導彈射擊操作流程和飛行控制模型構建，實現了射擊操作流程的虛擬訓練。本文進一步對導彈的“瞄準-擊發-跟蹤-命中”過程進行仿真，加入瞄準鏡瞄準、戰場環境隨變、目標靶運動、導彈軌跡顯示等模塊和功能，使該虛擬訓練系統內容更全面，程序結構更合理，功能更完善。

四、結論

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，重點研究了導彈瞄準-擊發-跟蹤-命中的過程，該系統具有替代實裝訓練的功能，為導彈動態參數測試和綜合集成智能故障診斷提供基礎。取得的創新性研究成果如下：

（1）研究了戰場環境仿真技術，使用三維紋理應用技術，使戰場環境更接近實戰，在三維空間中添加三維對象，通過應用紋理函數顯示覆蓋戰場圖片的三維盒子，使坦克和導彈在戰場環境中運動。

（2）研究了瞄準線和瞄準鏡技術。通過“串聯”導彈系統加載方法，使瞄準線與瞄準鏡為“父子”關系，運用條件結構的鍵控技術，通過鍵盤控制瞄準鏡和瞄準線移動。

（3）創建了導彈瞄準-擊發-跟蹤-命中的實時響應。使用了LabVIEW中狀態機、事件結構、循環結構等函數，使導彈跟蹤實時響應，建立了射擊操作與飛行控制之間的邏輯關系，實現了導彈、瞄準線、目標坦克的同步響應。中國軍轉民

參考文獻

[1]徐敬青，崔平，文健，等.基于3DSMAX和Unity3D的末制導炮彈射擊準備虛擬訓練系統設計[J].兵器裝備工程學報 2021，42（7）：30-34.

[2]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.

[3]楊軍，賀珍妮，胡勝利，等.反坦克導彈射擊虛擬訓練系統設計與實現[J].計算機應用與軟件2017，（2）：184-188.

[4]楊軍，李正優，李文珍. 裝甲車載導彈制導原理及其綜合運用[M]. 國防工業出版社，2015.

（作者單位：賀珍妮，陸軍裝甲兵學院基礎部；楊軍，北京理工大學珠海學院）