某型制導炮彈跟蹤模擬訓練系統設計

趙東華，李惠明，李超，張華，趙長瀟

（武漢軍械士官學校，武漢430075）

某型制導炮彈跟蹤模擬訓練系統設計

趙東華，李惠明，李超，張華，趙長瀟

（武漢軍械士官學校，武漢430075）

針對某新型制導炮彈系統缺乏模擬仿真訓練問題，創新性地設計了一種由旋轉編碼器、虛擬瞄準鏡、FPGA等技術組成的射手跟蹤瞄準機械系統，采用Qt、ORGE等軟件技術開發了訓練和模擬導彈運動的三維場景，達到跟蹤目標的效果。分析了系統組成和設計的原理。該模擬訓練系統具有結構簡單、成本低、操作方便等特點，對提高射手操作能力具有重要意義。

旋轉編碼器，目標跟蹤，模擬訓練

0　引言

某新型制導炮彈武器系統采用激光駕束制導方式，列裝部隊以后，在部隊訓練和使用上存在一些問題。該型制導炮彈發射時需要射手通過地面或車載的瞄準制導導引裝置不斷跟蹤目標，直至命中目標。射手為了達到熟練操控及跟蹤的能力，必須要經過系統的訓練才能達到操作要求。但是制導炮彈價格昂貴，實戰化使用訓練機會少，加上列裝時間短，操作手訓練缺乏可靠的手段。制導跟蹤模擬訓練系統具有訓練射手操控手感、跟蹤目標能力，并判定跟蹤成績，訓練成本低、效果好，提高訓練質量，縮短培訓周期，實現部隊訓練實戰化［1-2］。

1　系統功能組成

圖1　系統硬件組成圖

系統功能組成如圖1所示。主要由仿真模擬制導裝置和操作臺組成，仿真模擬制導裝置由旋轉手柄模塊、以FPGA為核心的控制模塊、網絡通信模塊、虛擬瞄準鏡、機殼和三腳架等部分組成，操作臺主要由主控計算機和訓練軟件組成。主控計算機提供人機交互界面，教練員對訓練參數的設置，對導彈運動路線、速度進行設置，設置好后點擊開始，操作手在仿真模擬制導裝置上進行操作，根據虛擬瞄準鏡觀察到的圖像，發射導彈，并操縱高低和方向旋轉手柄跟蹤目標，以FPGA為核心的控制模塊采集旋轉編碼器角度信息、開關功能信息和主控計算機信息，進行實時控制，并把信息通過網絡模塊傳輸到主控計算機，主控計算機顯示導彈的軌跡、評判成績，根據設定的跟蹤時間，顯示最后的成績和命中效果。

2　系統硬件設計

2.1旋轉手柄模塊［3-4］

主要由旋轉編碼器和旋編接收組成，實現對實裝高低和方向的仿真。在操作手操作手柄時，把手柄旋轉信息編碼成數字信號，傳送給旋編接收模塊。在設備中設置兩個旋轉機構，分別模擬水平方向的旋轉和垂直方向的旋轉。旋編接收模塊實現對旋轉手柄的旋轉編碼信息進行接收，以及對編碼信息的解碼，轉換為具體的角度信息。最后把所得的角度信息送給網絡傳輸模塊，送至主控計算機進行圖像的繪制和導彈的軌跡控制。本文采用日本歐姆龍公司E6C2-C型號增量式旋轉編碼器。在旋轉編碼器旋轉后，會輸出三相編碼脈沖波A相、B相和Z相［3］。其中A相和B相的相位固定相差90°即1/4周期。A相和B相的相位前后關系對應著旋轉編碼器的方向信息。當A相比B相相位提前90°時，對應順時針或逆時針的其中一個方向，當B相比A相相位提前時則對應另一個方向。在速度方面，則看A相和B相的脈沖數的多少，通過計算A相和B相的脈沖數就可以換算成旋轉的角度信息和旋轉速度。A相、B相和Z相的脈沖數采集的方式通過跨時鐘域的上升沿判斷實現。因為FPGA的主時鐘比旋轉編碼器輸出的編碼脈沖頻率快，因此，可以用FPGA的主時鐘去采集旋轉編碼器編碼脈沖的上升沿。一旦判斷到上升沿即認為接收到一個脈沖方波，FPGA內分別用寄存器把這些脈沖信息進行計數和存儲。

2.2虛擬瞄準鏡

虛擬瞄準鏡安裝在模擬制導裝置的表面，和實裝瞄準鏡位置相同，便于操作和觀看。本文采用虛擬瞄準鏡與主控計算機的視頻圖像交換原理，實現對實裝光學瞄準鏡的模擬仿真，接收從操作臺計算機端傳送的三維場景信息，顯示在仿真瞄準鏡上。虛擬瞄準鏡原理實際上可以歸納為拿著放大鏡去看超微顯示屏上的圖像，其組成由一個超微顯示屏和光學透鏡組成。超微顯示屏接收顯示來自操作臺計算機的圖像，計算機圖像畫面從顯卡插口輸出到虛擬瞄準鏡，虛擬瞄準鏡經過光學透鏡后放大給人眼觀看。采用3D立體虛擬瞄準眼鏡，操作手能夠真實感受到主控計算機三維景象，并且和主控計算機采用傳感器互通，其重量輕、用眼舒適，具有身臨其境的感覺。分辨率和主控計算機一樣，為1 280*1 024，顯示效果極佳，方便操作手觀察跟蹤目標和景象。

2.3網絡傳輸模塊

實現在TCP/IP協議下進行網絡通信，把數據通過網絡傳輸給操作臺。網絡傳輸模塊采用W5300網絡協議棧芯片實現。W5300可以實現TCP的傳輸協議。W5300網絡通信模塊的組成主要分為W5300的頂層邏輯、W5300初始化模塊、W5300中斷處理、W5300的數據發送模塊和W5300數據接收模塊。W5300初始化模塊實現對W5300芯片的初始化，使芯片從上電到正常工作狀態，并且配置本系統需要的芯片配置模式。數據發送模塊實現FPGA的數據經過W5300發送給計算機。數據接收模塊實現FPGA通過W5300接收來自計算機的網絡數據包。中斷處理模塊實現對W5300的中斷處理，在中斷處理上，用到W5300的3種中斷處理。一是建立連接的中斷，當連接不上時，一旦超過限定的時間將觸發中斷重新進行連接；其次，在W5300接收到來自操作臺計算機的網絡數據包后產生中斷，告訴FPGA有數據包發送過來，配合數據接收模塊進行數據的接收；最后是數據發送的中斷，在發送完數據包后，W5300會產生一個中斷，這時標志著網絡數據包發送的結束。其組成如圖2所示。

圖2　網絡模塊結構組成框圖

2.4操作面板模塊

實現對實際設備操作面板的模擬仿真，提供操作手發射按鈕、控制開關和旋鈕等。發射按鈕控制導彈的發射，制導模式開關啟動制導模式。另外配有兩個十檔的旋鈕設置導彈的延時參數。操作面板模塊實現對這些操作信息的采集。轉換為具體的數字信息，傳送給控制模塊。

2.5控制模塊

控制模塊是整個瞄準制導跟蹤裝置的控制核心，協調控制各個功能模塊?？刂颇K組成包括FPGA及其外圍電路，如時鐘電路、配置電路、電源電路和退偶電路等模塊組成。其功能組成如下頁圖3所示。功能主要包括產生DCM，穩定時鐘頻率與相位；產生定時器，定時時間為100 ms，提供給網絡模塊和旋轉編碼器模塊使用；實現網絡模塊和旋編模塊的互聯，對旋編接收模塊的旋轉角度信息和操作面板模塊的操作信息進行打包整合，產生適合TCP/IP協議傳輸的數據包，將旋編數據輸出與網絡模塊數據輸入相連，通過定時器控制網絡模塊將旋編數據發送給計算機；實現網絡模塊和操作面板模塊的互聯，操作面板信息到來時，觸發網絡模塊，將操作信息發送給計算機；將網絡數據進行打包，給不同的發送信息加上包頭，告訴計算機發送數據的類型。

圖3　控制模塊功能結構框圖

3　系統軟件設計

系統軟件主要提供逼真的三維場景、目標和導彈運動軌跡，顯示相應參數等，主要包括軟件界面設計和ORGE三維繪圖設計。軟件結構組成如圖4所示。

圖4　軟件結構組成圖

3.1軟件界面設計

軟件界面設計是實現操作界面的設計。界面實現對各種信息的顯示，操作信息的交互，以及網絡通信等功能，使用Qt實現。Qt是一款非常直觀和方便的界面開發平臺。其最主要的特色是可以實現跨平臺支持Windows、Linux、IOS、Android等多種系統下的界面設計。網絡通信實現計算機端對網絡數據的發送和接收，配合硬件網絡通信實現雙向網絡通信。

操作界面設計包括教練員對場景、導彈參數、目標設置的界面設計，坦克路徑示意圖界面設計、三維場景窗口設計、以及導彈設計的參數曲線界面設計、學員考核結果評估分數界面設計。如圖5所示。

圖5　軟件界面圖

3.2ORGE三維繪圖設計

ORGE是一款面向場景的3D開發軟件，ORGE三維繪圖設計實現對三維場景的繪制。三維繪圖模塊包括與制導瞄準跟蹤裝置的網絡通信模塊、導彈控制、三維場景控制、目標控制和ORGE繪圖模塊組成。在訓練起始階段，ORGE根據訓練管理所設定的三維場景參數和目標參數進行初始三維繪制，然后ORGE根據訓練管理中的目標管理對目標坦克的行進路線進行模擬，并且根據模擬的結果不斷更新坦克的位置，重新繪制三維圖像。對于仿真瞄準鏡的視角，首先通過網絡傳輸模塊接收制導跟蹤系統傳送的旋轉角度信息，經導彈控制模塊處理后將信息傳給ORGE模塊，ORGE根據角度信息對三維場景的視角進行旋轉，重新繪制。對于導彈的發射過程類似，先接受網絡傳輸的操作手發射信息，經過導彈控制模塊處理后將發射信息傳送給ORGE模塊，ORGE根據發射信息對導彈進行發射和爆炸的相應繪制，實現導彈的模擬。

3.3軟件關鍵技術

3.3.1導彈姿態的繪制

實現導彈的發射過程繪制，包括導彈的發射效果和導彈的軌跡控制。導彈軌跡的控制主要來源于制導跟蹤系統旋轉編碼器的角度信息，經過導彈控制模塊處理后對導彈進行發射和爆炸的相應繪制，實現導彈的模擬。E6C2-C型號旋轉編碼器每360°對應2 000個脈沖波，為了轉換成瞄準“十字線”轉動的實際坐標偏差。假設某制導導引裝置的戰術技術指標規定高低、方向轉輪每旋轉一周，瞄準線偏移角度分別為α、β，可以在裝備戰術指標得到。如下頁圖6所示，假如系統設置的瞄準距離為L，某時刻方向旋轉編碼器旋轉后對應的瞄準線偏移角度為θ，需要計算主控計算機瞄準“十字線”從1到2位置的X、Y的數值，通過編程控制瞄準“十字線”的移動。

偏移角度θ可以通過FPGA計數得到的脈沖數n進行計算。計算公式為:

把式（1）轉換成弧度為

由于FPGA采集和轉換上，需要定時地清零和發送。設置為100 ms，由FPGA邏輯產生。所以θ一般很小，可以得到以下計算公式:

同理可以得到高低偏移角度計算公式。

3.3.2訓練成績評估

訓練評估在訓練結束后，實現對訓練過程的評估，對學員的操作方式進行判斷。本系統間隔一定時間進行瞄準點采樣，并用曲線方式顯示瞄準點的跟蹤水平。根據文獻［5］的思想，假定坦克跟蹤命中范圍可以拓展為邊長為1.12 m的正方形，只要射手瞄準這個區域，就可以命中目標。以坦克目標為例，在垂直于射擊方向上存在一個投影幾何中心，稱為理想瞄準點。實際瞄準點相對于理想瞄準點的中間偏差為:

其中ΔXi和ΔYi是在瞄準過程中的高低瞄準誤差和方向瞄準誤差，如果小于1.12 m，取為0，則評定模型為:

其中K1、K2、K3等參數為系統各項誤差所占的比重，比例分割分別為60、20、20，H為命中標志，命中取1，沒有命中取0［5］。

4　結論

在制導跟蹤模擬仿真訓練控制設計中，采用旋轉編碼器、虛擬瞄準鏡等技術克服實裝瞄準機構復雜性，實現了角度測量的簡便性、快速性，方便快捷地實行了角度輸出，通過實際應用證明，系統在模擬跟蹤仿真訓練中效果好，而且結構簡單、操作方便、重量輕，具有較好的應用前景。

［1］吳永剛.導彈系統的仿真技術［J］.航空兵器，1988，25（6）:111-116.

［2］李會杰，李雅峰，何循來.基于虛擬現實技術的某型導彈仿真訓練系統研究［J］.系統仿真學報，2008，20（9）: 2323-2325.

［3］夏冬梅，孫林.基于CPLD的增量式旋轉編碼器接口電路模塊設計［J］.機械制造與自動化，2009，38（5）:156-158.

［4］杜穎財，王希軍，王樹潔，等.增量式編碼器自動檢測系統［J］.電子測量與儀器學報，2012，26（11）:993-995.

［5］李召，徐文旭.一種低成本單兵便攜式導彈模擬訓練器方案［J］.彈箭與制導學報，2010，30（5）:221-223.

Design on Guided Tracking Training Simulation System

ZHAO Dong-hua，LI Hui-ming，LI Chao，ZHANG Hua，ZHAO Chang-xiao
（Wuhan Ordnance Non-Commissioned Officer Academy，Wuhan 430075，China）

Aiming at the lack of Guided Tracking Training simulation problems，the Guided Tracking Training system is designed based on the rotary encoder、FPGA、3D Video Technology.The consist of the system，the principle of angle varies on rotary encoder is analyzed.The result of simulation is provided.The system has the characteristics of simple structure，low cost，convenient operation and is important on raising the operation level.

rotaryencoder，targettracking，trainingsimulation

TJ765.4

A

1002-0640（2016）06-0133-04

2015-05-09

2015-06-08

趙東華（1982-），男，江西余干人，碩士研究生。研究方向：制導彈藥技術保障。