模擬訓練在航空牽引與加油中的應用

飛機誘導和加油作為一項技術要求很高的訓練項目，在保證空軍場地外場的保障中發揮著重要作用。如何利用高科技以最低成本提供訓練保障所需的技術設備已成為我軍各網站面臨的問題。正因為如此,有效地利用模擬訓練設備組織訓練就成了當前軍事訓練的主要發展方向。戰爭狀態下,飛機的起降間隔時間要求短、牽引技術要求高,因此,勤務保障訓練中對特種車輛的訓練要求也特別高。根據經驗,飛機、導彈等牽引車在訓練中稍有不慎易造成牽引車碰撞飛機等重要目標、在牽引中目標翻倒等現象,對牽引訓練都進行了十分嚴格的規范。但戰爭是沒有規定模式的,加之,對先進飛機保密要求高、不宜頻繁進出,為減少出動頻率,降低訓練費用,特種車輛牽引仿真器呼之欲出。在飛機的外場后勤保障車輛中,牽引車不僅功能獨特,性能穩定,而且對駕駛人員的要求也很高。這些特點決定了牽引車結構復雜、成本高、耗油多、維護困難,相應的訓練成本也很高,使用高級牽引車訓練模擬器不僅能增強訓練效果,而且較好地解決了這一矛盾。據了解,國外同類產品大多運用的是沙盤成像原理,結構復雜,價格昂貴,每臺套的價格在數百萬元,且視景顯示系統未采用計算機三維成像,道路上場景簡單,情況少,訓練效果一般。更為重要的是該系統穩定性差,每臺套每年的維修費用就達近10萬元人民幣,使用成本很高,不適合我國國情。為適應打贏高技術條件下局部戰爭的要求,戰備訓練須進一步加強。因而,立足我國的基本國情,開發自己的功能獨特、價格適中、能滿足部隊多種需要的模擬訓練產品勢在必行,這也是由我國的基本國情所決定的。1仿真系統模塊本系統由駕駛模擬座艙(操縱系統)、加油模擬裝置、信號采集控制系統、三維成像視景系統、儀表顯示系統、語音提示和音效系統、飛機牽引與加油仿真模型等模塊組成。全視景飛機牽引與加油訓練仿真器既可以單機運行,也可基于網絡讓多個駕訓者加入同一視景中進行交互式訓練,每個駕訓者在同一虛擬現實環境中,通過計算機與其它用戶進行交互,并共享信息,使仿真器的訓練變得更加逼真有效,提高訓練效果。1.1數字麻黃的系統流程本系統共配置一套駕駛模擬座艙、一套加油管道系統模擬裝置、一套中、高檔計算機系統和三維跟蹤式數字頭盔等。系統流程框圖如圖1所示。系統被設計成能在3種模式下運行:①單獨作為汽車駕駛訓練仿真器使用;②單獨作為牽引車訓練模擬器使用;③單獨設計成加油車訓練仿真器使用。真正做到了一機多用,資源共享。1.2模擬操縱機構設計操縱模擬系統是模擬訓練設備的關鍵部件之一,它的模擬效果將直接關系到整個模擬系統的訓練效果。為此,我們對現有的牽引、加油車輛操縱機構進行充分研究,建立操縱機構的運動模型,然后運用機構力學、計算機輔助設計、優化設計等先進手段設計模擬機構。這樣設計出的系統不僅結構合理,而且模擬效果令人滿意。模擬操縱系統由駕駛座艙、方向盤模擬系統、腳操縱機構模擬系統(離合器、制動、油門)、模擬檔位系統、儀表模擬顯示系統等組成,座艙內的各操縱桿、方向盤、儀表等之間的位置關系和力感與實車相似。而加油操縱模擬裝置采用與實際加油車管路及各類閥門一致的模擬機構,其操作力感也與真實加油車完全相符,飛機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采集控制系統主要由傳感器系統和接口電路組成,傳感器系統是仿真器的“神經系統”,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、穩定性大大提高。它們主要負責數據采集與轉換。它接收從操縱系統發來的實時數據,如加速器、離合器、制動器等實時量,經A/D轉換后發送給計算機處理;同時把飛機牽引仿真模型和飛機加油仿真模型處理的數據(如速度、點火狀態和轉向燈狀態、駕駛操縱的錯誤信息等)經D/A轉換發送到操縱系統的模擬儀表盤上。1.4汽車駕駛過程中仿真模型的建立在模擬訓練器材的研制過程中,模型的建立一直是非常關鍵的工作。美國是開展模擬訓練研究較早的國家之一,在美國,建模被列入“關鍵技術”,其原因就在于它是模擬訓練器材得以實現的基礎,模擬訓練效果的好壞在很大程度上取決于模型的準確與否。通用駕駛動力學仿真模型包括汽車的直線行駛仿真模型、轉向行駛仿真模型、汽車的制動模型等,根據駕駛人員的操作,仿真出汽車的各種運動參數。而對牽引車和加油車來說,仿真模型將區分不同的結構及特點產生不同的運動特性。汽車牽引飛機后,由于飛機載荷較大,其慣性大,汽車的起步、行駛與空載時完全不同。另一方面,由于汽車是通過牽引桿牽引飛機的,因而汽車的轉向特性也發生了變化,這時,汽車—牽引桿—飛機組成了含有兩個鉸接的多剛體運動,其運動規律較復雜,此時我們就分別對三剛體的運動規律進行研究,最后得出牽引飛機轉向運動的仿真模型。與普通汽車駕駛員相比,飛機牽引車駕駛人員除了要掌握汽車駕駛的各項操作要領、遵守交通規則外,還應遵守飛機牽引的一些特殊規定,同時,飛機加油也有相應的程序和規定。我們在充分調研的基礎上,將這些規則、程序編制成相應的邏輯模型,在飛機牽引與加油的各個過程中,對駕駛人員的各種操作進行監控,并與標準操作對照,發現問題及時通報。系統的總控流程,見圖3所示。1.5景觀視覺特性視景系統是汽車駕駛模擬器的重要組成部分,它給駕駛學員實時提供一個與地理位置相對應的連續的駕駛室外景。在整個駕駛訓練過程中,視景系統將提供道路、路旁的建筑、車輛、山川、田野等景象。視景系統能提供白晝、夜間和雨霧、冰雪天氣等工作模式,還應能體現出景物的紋理、濃淡、陰影、光照、能見度等視覺特性。本系統采用DirectxSDK中的Direct3D來實時生成三維圖象。視景系統由視景數據庫(地景文件)、控制管理模塊、3D渲染模塊、顯示模塊組成,我們運用普通計算機實現了以往大型工作站才能完成的復雜駕駛場景,經過計算機處理,得出的帶紋理的虛擬路面、外景均與實際情況一致,這樣就給駕駛人員提供了熟悉的環境,同時也給有關部門編制訓練科目提供了方便,而未來模擬訓練結束轉入實車訓練時,學員也會自然地很快適應環境,有效消除他們的緊張心理。1.6引物內的dircsond組件當學員在操縱過程中出現失誤或違反交通規則時,語音提示系統負責相應的語音警告;音響系統由汽車動力學模型根據發動機的狀態,模擬發動機啟動和各種運行時的聲音以及喇叭、剎車等聲音,牽引與加油仿真器效果見圖4。為了讓模擬器訓練人員有身臨其境的感覺,必須在一個充滿發動機轟鳴聲的環境里,同時發出剎車聲、喇叭聲、錯誤報警聲等,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對象,每一個“從聲音緩沖區(SecondarySoundBuffer)”對象播放一種聲音,所有“從聲音緩沖區”對象都在“主緩沖區”中進行混音,具有速度快,可控制性強,當硬件空閑時自動啟動硬件加速,而且聲源混音數量不受限制。1.7視覺、聲音效果的應用以往我國的陸地車輛模擬訓練設備普遍存在視角小的缺點,難以完成倒車等復雜駕駛過程的仿真。而飛機牽引中的掛鉤、脫鉤等操作難度較大,運用以往的模擬訓練器材難以實現。由于運用了虛擬現實技術,使飛機牽引仿真器不受視角的控制,視角為360°的范圍內隨意調整,再配合數字音響,使人產生完全進入虛擬環境的感覺。本系統采用的視景顯示裝置采用了虛擬現實技術,利用虛擬現實技術,計算機產生了一個三維的虛擬環境(如機場、道路、建筑等),通過人的視覺、聽覺、觸覺等作用于人,使人產生身臨其境的感覺。這主要由三維圖像視覺效果和聲音效果來實現的。三維圖像顯示輸出設備能將計算機數字信號變成三維圖像。本系統中運用的顯示輸出設備是我們自行研制的虛擬數字頭盔系統,該系統由頭盔顯示器和位置跟蹤器組成,頭盔顯示器與計算機相連,在雙眼的前面各裝有一個微型顯示器,對同一景物計算機在每個微型顯示器上分別產生一個獨立圖像,以每秒60次以上的頻率交替出現,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備將電子信號變成立體聲。虛擬物體配上了聲音,人的耳朵根據聲音可判斷其大致距離和方向;這樣虛擬物體的圖像、聲音信息同時傳到大腦,再加上位置跟蹤器可以跟蹤頭部的運動,計算機根據頭部位置的變化輸出變化的圖像,這樣訓練者就可以象在真實世界中一樣,從不同的觀察角度可以看到不同的圖像,從而大大增強了臨境訓練效果。2飛機牽引訓練系統在飛機牽引運動、動力學建模與仿真、全紋理計算機實時三維成像、頭盔全方位跟蹤器等關鍵技術上取得了突破性進展。(1)研制了飛機牽引與加油的綜合仿真模型;(2)視景系統的開發與研制。利用普通PC機進行三維實時紋理圖像處理,圖像標準達到了工作站標準,三維視景系統采用了特定機場的實物實景,大大增強特定機場保障人員的訓練效果。運用該模擬器進行飛機牽引訓練,既可避免實車、實機訓練中出現的事故,同時又可以對飛機牽引進行規范化和標準化訓練,縮短了訓練周期;(3)自主開發了高精度數據頭盔。它由新型視景顯示系統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到了360°,運用該裝置在國內首先實現了牽引駕駛員全方位視景轉向,進行牽引掛鉤、脫鉤等訓練,從而實現飛機牽引、加油模擬訓練的突破。3飛機牽引與加油由于采用了與實物接近的操作機構,仿真程序與實機的操作完全一致,因此經過飛機牽引與加油模擬訓練器訓練的人員,再經過簡單的實車訓練就可進行實際操作,同時還增強了飛機牽引與加油訓練的隱蔽性、經濟