某型复杂光电设备对抗模拟训练仓人机交互系统设计

2021-03-26谢建华刘德亮

科教导刊·电子版 2021年1期

谢建华刘德亮翟优何鹏

（陆军工程大学石家庄校区四系河北·石家庄 050003）

某型复杂光电设备现有的模拟训练器材，其仿真的真实感、沉浸感较差，视景显示往往采用二维图像的方式，无法模拟真实的三维运用环境；训练仅限于操作手的操作，没有车长和驾驶员的训练内容，无法实现协同训练；只能在实装上进行摸索，对实装损伤较大，而且用实装进行训练受客观条件的限制，且训练内容单一，无法实现复杂条件下的对抗训练，难以满足教学和训练需求。因此，用模拟训练仓进行训练，对于提高广大训练人员的训练质量，节省训练时间，达到甚至超过实际设备的训练效果有着重要的作用。

而人机交互系统作为受训人员进行对抗操作训练非常重要的组成部分，对人机交互系统的感受是否真实直接影响训练效果的好坏。因此，良好的人机交互系统是训练的重要条件之一。

1 模拟训练仓整体结构

本模拟训练仓功能上具备全方位、全过程的特征：包含全系统操作训练，涵盖车辆行进、展开、对抗等全过程的动作训练。该模拟训练仓的整体结构如图1所示。

图1：模拟训练仓整体构成示意图

本模拟训练仓由操作手操作训练系统、车长操作训练。

系统、驾驶员操作训练系统、虚拟训练环境系统、训练评估系统、和教练台6个系统构成，整个模拟训练环境采用分布仿真高层体系结构（HLA/RTI）构建多联邦体系结构，实现车内乘员之间的互联互操作。

2 人机交互系统设计

2.1 驾驶员人机交互子系统设计

驾驶员人机交互系统的设计主要采用物理效应设备和位置跟踪器相结合的方式，实现驾驶员驾驶过程中各种操作动作与虚拟训练环境之间的交互，由物理效应设备代替真实方向盘、刹车、油门，将三自由度的空间位置跟踪器绑定在驾驶员方向盘上，实时获取方向盘转动的角度数据，同时在油门和刹车上也绑定三自由度的位置跟踪器，获取相应的角度变化数据，根据相应的数学模型和角度变化的数据控制与虚拟场景的交互，如：加速、减速、转弯、刹车等动作与场景的交互，该子系统的示意图如图2所示。

图2：驾驶员人机交互子系统示意图

2.2 车长人机交互子系统设计

人机交互子系统设计主要是由应用物理效应设备、单目显示器、三自由度位置跟踪器等设备组成，子系统的示意图如图3所示。

车长所要进行交互的目标主要是车长镜，因此对于车长镜的仿真主要是应用物理效应设备，物理效应设备的外观和车长镜完全一致，包括观察孔的位置、大小和光学观瞄镜；在图3所示的车长镜观察孔的位置，在车长镜等效物理效应设备内部设置一部单目显示器，用于显示虚拟训练环境，以模拟真实训练中车长通过车长镜观察外部训练环境，如图3中虚线的矩形方框所示。

图3：车长人机交互子系统示意图

而图3中所示位置跟踪器的作用主要是用来实时测量车长镜等效物理效应设备的三自由度角度数据，实时刷新车长所观察到的虚拟训练环境。

2.3 操作手人机交互子系统设计

操作手在该系统中所要参与的人机交互动作是最多的，操作手在整个训练过程中要在车长的指引下完成复杂的操作动作，因此操作手人机交互子系统的交互也是该系统中最复杂的。操作手人机交互子系统主要分成两部分，分别是操作手操作控制面板的仿真和控制系统的仿真。

首先介绍操作手操作控制面板的仿真，操作控制面板的仿真如图4所示。

图4：控制面板人机交互示意图

操作控制面板采用等效物理效应设备，开关、按钮采用大小、力度与原物理系统相同的部件，同时应用由专用数据采集电路实时采集控制面板操作数据，进行处理后，通过RS232口将数据送入图形处理计算机，数据经图形处理计算机处理后驱动虚拟训练环境进行刷新。

接下来，介绍控制系统的仿真，控制系统的仿真如图5所示。

图5

光学瞄准具采用与车长镜人机交互子系统类似的装置供操作手在虚拟训练环境中搜索和跟踪目标，控制杆采用绑定三自由度位置跟踪器的物理效应设备，工作中通过三自由度位置跟踪器实时采集相应的角度数据，输入到计算机中进行处理，并和相应的数学模型进行匹配，真实模拟目标飞行的参数数据，转换成视景驱动信息，从而控制虚拟训练环境的更新。

3 技术途径

该人机交互系统的物理效应设备的制作主要通过自主设计，委托生产的方式进行。该人机交互系统的软件部分需在VC++集成开发环境中进行开发。在VC++集成开发环境中实时读入位置跟踪装置采集的数据和数据采集卡采集的操作信息，对数据进行实时处理，在匹配数学模型的基础上，转换成视景驱动信息，驱动虚拟训练环境的刷新。