1、 70 兵工自动化 Ordnance Industry Automation2023-06 42(6)doi:10.7690/bgzdh.2023.06.016 军用汽车驾驶训练系统 陈永科1，赵帅杰1，蒋 帅1，陈博雯2(1.陆军炮兵防空兵学院研究生队，合肥 230031；2.安庆师范大学数理学院，安徽 安庆 246052)摘要：为解决军用汽车驾驶训练组织困难的问题，搭建虚拟训练平台，设计一种模拟训练系统。立足军用汽车驾驶训练实际，完成军用汽车驾驶训练系统的需求分析，设计系统的基本组成、整体架构、工作流程和软硬件结构，并对关键技术进行深入剖析。结果表明，该模拟训练为系统开发和应用提供了完整的
2、解决方案。关键词：虚拟现实技术；军用汽车；驾驶训练仿真 中图分类号：TJ06 文献标志码：A Military Vehicle Driving Training System Chen Yongke1,Zhao Shuaijie1,Jiang Shuai1,Chen Bowen2(1.Brigade of Postgraduate,PLA Army Academy of Artillery and Air Defense,Hefei 230031,China;2.School of Mathematics and Physics,Anqing Normal University,Anqing
3、246052,China)Abstract:In order to solve the difficulty of organizing military vehicle driving training,a virtual training platform is built and a simulation training system is designed.Based on the reality of military vehicle driving training,the requirement analysis of military vehicle driving trai
4、ning system is completed,the basic composition,overall architecture,workflow and software and hardware structure of the system are designed,and the key technologies are analyzed in depth.The results show that the simulation training provides a complete solution for the development and application of
5、 the system.Keywords:virtual reality technology;military vehicle;driving training simulation0 引言 陆军部队实战化训练的发展和全域机动能力目标的提出，对军用汽车驾驶员素质提出更高要求。当前，军用汽车驾驶训练主要采用“理论讲授+实车操作”的方法组训，受经济性和安全性限制，特殊场景驾驶、恶劣环境驾驶和战场模拟驾驶等训练科目组织困难，驾驶训练水平与实战化标准存在很大差距1。虚拟现实技术利用计算机创建虚拟环境，使用户沉浸入虚拟世界2，是信息化条件下构建真实战场环境的重要手段。目前，很多学者基于虚拟现实技术，设
6、计了通用汽车驾驶训练的模拟器3-5，但针对军用汽车驾驶模拟训练系统展开的研究较少，且军用汽车与通用汽车的训练科目存在较大差异6；因此，着眼军用汽车驾驶训练实际需求，设计模拟训练系统，对推动军用汽车模拟训练发展具有重要意义。笔者基于虚拟现实技术，设计军用汽车驾驶模拟训练系统，主要完成了系统的需求分析，系统设计和关键技术等内容，给出了具体实现方法，为系统开发提供解决方案。1 需求分析 围绕军用汽车驾驶训练系统，从系统功能、训练科目和系统性能提出完整、具体的设计要求，为系统设计指明方向。1.1 功能需求 基于 UML 的分析方法，绘制系统如图 1 所示，完成了系统的功能需求分析。图 1 系统用例 系
7、统主要面向训练管理员和学员 2 类用户，需要具有以下主要功能：1)UI 管理功能，主要包括 UI 显示、场景切换、1 收稿日期：2023-02-07；修回日期：2023-03-05 作者简介：陈永科(1972)，男，河北人，博士，教授，从事军事训练学研究。E-mail:。71陈永科等：军用汽车驾驶训练系统第 6 期任务设置和系统运行状态。2)用户管理功能，主要包括用户的注册管理、登录管理和注销管理。3)数据存储功能，主要包括训练档案存储、仿真建模存储和系统日志存储。4)训练管理功能，主要包括训练任务管理、训练科目管理和训练评估管理。5)系统设置功能，主要包括系统维护管理、显示设置管理和网络连接
8、管理。1.2 训练需求 军用汽车驾驶训练与通用汽车驾驶训练在训练课目上存在较大差异。通用汽车驾驶训练主要包括车辆基础知识、车辆场地驾驶和一般道路驾驶等基础科目。军用汽车驾驶训练，在此基础上要进一步强化紧急避险训练、战术驾驶训练和特情处置训练。要理清军用汽车驾驶训练需求，注重模拟各种复杂道路和危难险急情况，使驾驶员能够通过模拟训练提高驾驶技能，确保模拟驾驶训练有效开展。通过研读新军事训练大纲，结合军用汽车驾驶员训练实际，分析军用汽车驾驶训练特点及需求，提出了模拟训练科目的需求分析，详见表 1 所示。表 1 军用汽车驾驶训练科目需求分析 类别 科目 内容 基础驾驶 场地驾驶 公路掉头、倒车移位、靠
9、边停车、定点停车等基础科目 一般道路驾驶 窄路会车、编队行驶、载重驾驶等基础科目进阶驾驶 特殊场景驾驶 上下铁路平车、上下船舰驾驶等进阶科目 夜间驾驶 开灯驾驶、闭灯驾驶和使用微光器材驾驶等进阶科目 牵引车辆驾驶 牵引故障车辆驾驶和牵引火炮入位等进阶科目复杂道路驾驶 隧道驾驶、越野道路驾驶、上下陡坡驾驶、上下长坡驾驶等进阶科目 特种驾驶 恶劣环境驾驶 雨雪雾天驾驶、岸滩沙漠地驾驶、泥泞涉水驾驶等科目 特情处置驾驶 淤陷车辆自救、行驶中车辆爆胎、遭敌火力突袭等科目 战场模拟驾驶 遇敌雷区驾驶、燃烧路段驾驶、敌炮火封锁驾驶等科目 1.3 性能需求 军用汽车驾驶训练系统的性能，直接影响训练的效果和质
10、量，结合现有模拟训练软件性能和训练需求，从系统性能、易用性、可扩展性和设计约束进行分析。1)系统性能。系统要能够流畅运行训练任务，避免复杂场景切换卡顿、死机等问题。2)易用性。操作模式符合习惯，UI 界面简洁美观、布局合理，配备操作指引，降低使用难度。3)可扩展性。训练科目、训练环境可导入、导出和删除，预留外接口，便于扩展。4)设计约束。具有良好的保密性和安全性，运行环境基于 Windows 8 以上版本，使用国产数据库，加密系统模块限制用户权限。2 系统总体设计 依据军用汽车驾驶训练系统需求分析，完成系统的总体设计，分别从系统的基本组成、架构设计和流程设计 3 方面进行描述。2.1 基本组成
11、 系统基本组成如图 2 所示。图 2 基本组成 1)驾驶舱分系统：由模拟座舱、信号采集器和控制软件组成，模拟军用汽车驾驶室，实现人机 交互。2)体感仿真分系统：由六自由度运动平台、伺服驱动系统和控制软件等构成，模拟驾中加减速、上下坡、撞击等运动姿态。3)仿真控制分系统：由中控计算机和仿真控制软件组成，进行军用汽车仿真控制、动力学解算和体感仿真解算。4)视景仿真分系统：由视景计算机、视景显示设备和视景仿真软件组成，模拟仿真驾驶训练地形和环境。5)训练管理分系统：由控制台计算机、训练管理软件等组成，进行训练任务管理、训练考核管理和训练档案管理。6)网络管理分系统：由网络交换机、切换器和网线组成，用
12、于连接局域网和互联网。7)数据库分系统：使用国产达梦数据库，用于存储训练档案、仿真数据和系统日志等。8)供电分系统：由供电组件、固定电源和线缆组成，负责设备供电。2.2 架构设计 系统总体架构分为 3 层，分别为表现层、逻辑 72 兵工自动化第 42 卷层和基础服务层，架构设计如图 3 所示。CBE服务器OSInternet网络JSON文件 图 3 系统架构 表现层是可供用户操作的 UI 界面，主要有初始场景、登录场景、设置场景、训练场景、考核场景和查询场景 6 个场景，场景中设有不同功能的 UI控件和事件响应接口，用于相关操作。逻辑层是系统功能实现的逻辑体现，主要包括登录注册、档案管理、系统
13、设置、仿真控制、任务管理、科目管理、场景管理和考核管理 8 大功能，并将运行结果在表现层中进行展示。基础服务层为系统提供基本技术支撑，主要包括 Unity 渲染、JSON 文件、CBE 服务器、达梦数据库、Internet 网络和 OS 等服务，提供动画渲染、数据存储及网络服务等底层支持。2.3 流程设计 系统运行流程如图 4 所示。图 4 运行流程 系统加载后，用户进行身份验证，验证通过进入训练设置界面。在训练设置界面，用户按训练需求依次进行车型选择、科目选择和场景选择，设置训练任务，开始训练实施。训练任务结束后，系统评定并反馈训练成绩。用户选择继续训练或停止训练。继续训练，返回训练设置界面
14、；退出训练，系统记录训练档案，系统退出。3 软硬件设计 3.1 硬件设计 系统硬件设备主要由高性能计算机、驾驶舱总成、体感仿真平台、视景仿真设备、网络支持设备和供电支持设备等组成，硬件总体结构设计如图 5所示。图 5 硬件结构 1)高性能计算机：包括中控计算机、控制台计算机和视景计算机。中控计算机主要功能是仿真控制，控制驾驶舱总成和体感仿真平台，需要较高的计算能力。控制台计算机主要功能是训练管理，管理人员信息、训练任务和考核评估。视景计算机主要功能是视景输出，输出驾驶训练模拟视景，需要较高的图形渲染能力。2)驾驶舱总成：包括方向盘、踏板、换挡器、仪表台、视景显示设备、音频输出设备和信号采集设备
15、等，模拟军用汽车驾驶舱的布局、外形和操 作等。3)视景仿真设备：由 4 块高清显示屏组成，其中 2 块主显示屏分别位于正副驾驶位置，用于模拟驾驶员正向视角；2 块副显示屏位于驾驶员侧面，用于模拟侧向视角及倒车镜视角。4)体感仿真平台：由六自由度运动平台组成，用于模拟训练过程中的姿态变化。5)网络支持设备：包括网络交换机、切换器和网线，用于支持设备网络连接。6)供电支持设备：包括 220 V/50 Hz 的交流电源和 24 V 直流电源，用于支持设备用电。3.2 软件设计 系统软件主要包括训练管理软件、仿真控制软件和视景仿真软件，组成结构如图 6 所示。73陈永科等：军用汽车驾驶训练系统第 6
16、期 图 6 软件结构 1)训练管理软件。主要用于驾驶训练组织，是训练管理分系统的核心，部署于控制台计算机。主要具有人员信息管理、训练任务管理和考核评估管理等功能，训练管理员可通过训练管理软件控制、干预、纠正受训者的训练行为。训练管理软件的功能模块如图 7 所示。图 7 训练管理软件功能管理模块 2)仿真控制软件。主要用于控制驾驶舱分系统、体感仿真分系统、视景仿真分系统和数据库分系统的协调运作，是仿真控制分系统的核心。主要具有驾驶舱信号采集、体感仿真平台控制、训练视景模拟和运动学解算等功能，仿真控制软件的功能模块如图 8 所示。图 8 仿真控制软件功能模块 3)视景仿真软件。主要由视景数据库和基础软件组成，用于军用汽车驾驶训练地形地貌、战场环境和战术情况等虚拟视景模拟，使驾驶员在近似真实的环境中训练。视景数据库基于 Unity 3D 引擎开发，主要根据军用汽车驾驶训练的特点和需求7，建立训练场景、典型路况、特殊路况以及实战环境等环境模型，以及雨、雪、火光、烟尘和爆炸等特效模型。基础软件通过 C#语言开发，通过 Unity 3D平台调用视景数据库资源，实现各类训练场景的组合、加载和渲染。4
