下载文档原格式
坦克嵌入式模拟训练系统设计与实现
荣明;常天庆;王钦钊;李小龙;张波
【期刊名称】《火力与指挥控制》
【年(卷),期】2008(0)S2
【摘要】"坦克嵌入式模拟训练系统"是指将模拟训练系统嵌入到坦克工作系统上,通过嵌入式设计使模拟训练系统成为坦克功能系统的组成部分。
针对我军坦克装甲车辆不具有嵌入式模拟训练功能的现状,通过对现有装备的嵌入式改造,成功研制了具有较强沉浸感的新型嵌入式训练系统。
可以使乘员充分利用坦克内的控制设备和通信设备在驻地进行训练;同时为乘员提供了真实的操作、训练环境,具有较好的训练效果。
【总页数】3页(P128-130)
【关键词】坦克;嵌入式系统;训练模拟
【作者】荣明;常天庆;王钦钊;李小龙;张波
【作者单位】装甲兵工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TP391.9
【相关文献】
1.嵌入式舰载电子对抗装备模拟训练系统设计与实现 [J], 张蕾;姚直象
2.坦克嵌入式射击训练仿真系统设计与实现 [J], 赵清华;林学华;孙少斌
3.雷达侦查干扰设备嵌入式模拟训练系统设计与实现 [J], 陈林;
4.嵌入式技术在坦克射击模拟训练系统中的应用 [J], 陈宏伟;高飞;常明;
5.反坦克弹光纤惯导嵌入式信号采集系统设计与实现 [J], 刘琴;杨鹏翔;阮娟;马悦飞
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
军用嵌入式系统的可靠性设计_工业自动化控制_嵌入式系统引言目前用于机电一体化和工业自动控制的嵌入式系统，最早出现在20世纪60年代的武器控制系统之中，后来逐步用于军事指挥和通信。
到了上世纪80年代，美军先进的武器系统基本都装备了嵌入式计算机。
之后又经过几十年的发展，如今的嵌入式系统已广泛应用在各国军队的武器控制、指挥控制以及各种通信装备、野战指挥作战等专用设备上。
1、可靠性是军用嵌入式系统的重要因素嵌入式系统往往工作环境恶劣、受电噪声干扰较大，而且随着软件越来越复杂，系统运行不稳定的现象愈来愈严重，因此，可靠性已经成为衡量嵌人式系统优劣的重要因素；军用嵌入式系统更应高度重视其可靠性设计、测试和评估技术，应把可靠性作为嵌入式系统最重要的指标优先考虑。
这一方面是因为嵌入式系统是软硬一体的混合系统，软件和硬件要共用大量的接口。
因此要特别注意系统的稳定性、信号串扰、电磁干扰与静电防护等方面的可靠性设计问题。
另一方面，嵌入式系统的开发应用也为可靠性设计提供了有效手段(如软件抗干扰、仿真测试等可靠性技术)。
然而，由于主要的处理器芯片和操作系统的核心技术掌握于国外厂商手中，我国的嵌入式技术大都集中在嵌入式应用领域，市场上的嵌入式基础技术与开发平台大部分为国外品牌所控制，所以，我们应充分掌握嵌入式技术的最新发展，并积极慎重地加之利用。
2、军用嵌入式系统的可靠性考虑2.1 架构的可靠性目前，我国自行研制的常规兵器及检测器材中的嵌入式系统以加固型微机和专用计算机组件较为多见。
前者是将通用微型计算机经机械加固和电气加固，并配置各种外围接口电路，从而构成各种作战指挥系统或检测系统；后者则以自行设计多个插件的形式构成计算机系统。
总之，采用芯片级或板级嵌入式模块的还不多，并且较多采用的是MC51系列／X86系列处理器体系结构，这与近些年来嵌入式技术的快速发展和军事装备更复杂的功能需求已不相适应，并在较大程度上制约了武器装备性能的进一步发挥与系统可靠性的提高。
先进的嵌入式训练技术在美海军中的典型应用案例张宝珍1.背景先进的嵌入训练系统（AETS）根植于20世纪50年代发展起来的程序教学（或称自动教学、机器教学）。
程序教学为美国行为主义心理学家斯金纳首创，开始主要应用于中小学教学实践。
程序教学的特点主要有小步子（将整个学习任务分解成可一步一步操作的步骤）、自定步调（学员自己确定学习的进度和速度）、及时反馈（学习或操作的结果可以立即得知，并及时改正错误），适用于确定知识或技能的严格养成性学习。
也就是说，初期程序教学的适宜对象是没有歧义、可具体分解、结论唯一的知识或技能，否则，实施起来会很困难。
这样一来，它的教学内容和教学方式都比较僵硬，也不利于培养学生的创造性。
这与人们当时对学生角色的认识以及技术发展水平有直接的关系。
最近20年来，随着学习观以及计算机技术的发展，人们更加强调在学习和训练过程要增强环境的动态性、促使学员掌握问题解决的知识和技能（以问题为基础的学习）、学习诊断要重视学员的内部知识状态而非学员的外在行为（学员建模和认知诊断）以及教学要适应学员不断变化的知识和能力状态（适应性教学）。
近几年，柯林斯等人又提出了“认知学徒”（cognition apprentice）训练理念。
认知学徒训练系统采用了传统学徒制中的许多策略，区别在于前者强调是认知技能，而后者强调是动手能力。
传统学徒制有3个主要组成部分：示范、辅导和隐退。
首先，师傅通过身体力行向学徒演示活应该怎么做，并解释为什么要这样做。
然后，师傅辅导学徒照着演示的方式方法试做几遍。
这时，师傅一边要指出学徒做得好或不好的地方，一边继续强调动作要领。
经过一段时间的反复练习，当学徒基本能够独立操作时，师傅就逐渐隐退到幕后了，只在学徒遇到繁难问题时才再次出场。
目前，新一代的“智能助教系统”（intelligent tutoring system， ITS）都属于认知学徒制的范畴，其中包括广为人知的LISP、SHERLOCK以及“物理助教”（physics tutor）等。
坦克打靶摘要：本项目采用MSP G2553超低功耗MCU为核心来完成小车的寻迹、光电瞄准、激光炮定位并射击等功能。
车体采用四轮驱动的坦克模型；采用PWM驱动芯片L298N控制电机可以比较好的实现对电机的控制与驱动；红外光电传感器ST188检测黑线采用状态机制，传感器不同的组合状态实现寻迹；光敏三极管3DU33检测光强，将均匀安装在圆盘周围的光敏电阻的电压值采样并进行比较找出光线最前的方向实现光电瞄准；通过步进电机实现激光炮的方向控制。
电动小车做到探测、循迹、打靶等基本功能。
关键字：MSP430，光电寻迹，光电瞄准，PWM调速目录一、方案设计与论证 31．寻迹传感器方案的选择与论证 32．炮台电机方案的选择与论证 33．寻迹电机驱动方案的选择与论证 34．炮台电机驱动方案的选择与论证 35．光源探测方案的选择与论证 46．炮塔控制方案的选择与论证 4二、系统总体设计方案及实现方框图 4三、单元电路的设计和实现 51．寻迹模块的设计 52.直流电机驱动模块 53．炮台点击驱动模块 64.光源检测模块 65.声光报警模块 66.电源模块 7四、系统软件设计 7五、系统测试 8六、实验小结 8七、参考文献 8一、方案设计与论证根据题目要求，坦克打靶系统可划分为火炮控制部分和信号检测部分。
其中信号检测部分主要包括路面检测模块和光源探测模块；控制部分包括小车电机驱动模块、炮塔电机驱动模块、控制器模块、显示模块和计时模块。
系统采用四轮驱动的简易坦克车，并在其上安装由电动机驱动的可以自由旋转的炮塔，在炮塔上安装激光笔以代替火炮。
本题的任务是控制坦克沿靶场中预先设置的轨迹，快速寻迹行进，并同时以光电方式瞄准光靶，实现激光打靶。
1．寻迹传感器方案的选择与论证方案一：采用光敏传感器，根据白色背景和黑线反光程度的不同来判断传感器是否位于黑线上。
方案二：采用反射式红外传感器ST188来进行探测。
只要选择数量和探测距离合适的红外传感器，可以准确的判断出黑线的位置。
坦克嵌入式射击训练仿真系统设计与实现
赵清华;林学华;孙少斌
【期刊名称】《指挥控制与仿真》
【年(卷),期】2011(033)002
【摘要】装甲车辆技术含量的不断提升,对装甲兵的训练产生了巨大影响,传统的模拟设备远不能满足训练要求.将仿真设备嵌入应用于坦克射击训练系统中,是提高训练效果、缩短训练周期、降低训练成本的一种重要措施.介绍了坦克嵌入式射击训练仿真系统的体系结构,重点对硬件设计、视景仿真、射击仿真、特殊音校、视觉效果实现等关键技术进行了研究.该系统结构设计合理、维护使用方便,为乘员提供了真实的操作和训练环境,能够快速地提高训练水平,具有十分明显的经济和军事效益.
【总页数】4页(P64-67)
【作者】赵清华;林学华;孙少斌
【作者单位】蚌埠坦克学院,安徽,蚌埠,233050;蚌埠坦克学院,安徽,蚌埠,233050;蚌埠坦克学院,安徽,蚌埠,233050
【正文语种】中文
【中图分类】E92
【相关文献】
1.坦克车炮长协同训练仿真系统设计与实现 [J], 王润岗;花传杰;唐科群;王艾萍
2.虚拟环境中坦克射击训练仿真系统 [J], 王润岗;花传杰;韩志军;连广彦
3.步兵战车射击训练仿真系统设计与实现 [J], 张中星;矫文成;方威
4.火炮射击训练视景仿真系统设计与实现 [J], 杨辉;林建伟;张坤鹏
5.嵌入式仿真在坦克射击训练系统中的应用研究 [J], 赵清华;林学华
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
图１ ＩＭＭ算法框图 仿真分析在本文的仿真中，假设目标在水平面XY 上运动，对目x 、y 位置参数添加均值为0、标准协方差σ=10 m 斯白噪声，利用IMM 算法进行目标运动预测。
其中采样时=0.02 s 、预测时间T F ore =4 s 。
引入如下预测效果评价指标：()()()21ˆN i NPX x i x i E N=−=∑ ()()()21ˆN i NPY y i y i E N=−=∑ 其中N 为预测步长数，x ^(i )、y ^(i )与x (i )、y (i )分别为第步长的目标运动预测值与真实值。
匀速仿真目标以初始速度做匀速直线运动，在第250个仿真时刻，时进行目标运动预测。
图2为对应的预测误差图，黑色虚线为参数x 的预测误差曲线，红色实线为参数y 的预测误差曲线，以下各目标运动预测仿真曲线及预测误差曲线的意义皆同此处。
预测评价指标E NPX =1.65 m 、E NPY =3.83 m 据仿真结果，可以看出对于匀速运动，基于IMM 算法的目标运动预测具有较理想的结果。
图２ 目标运动预测和目标运动预测误差仿真图2.2.2 匀加速仿真本仿真中，目标做匀加速直线运动，在第250个仿真时刻，即5 s 时进行目标运动预测。
图3为对应的预测误差图。
预测评价指标E NPX =7.89 m 、E NPY =2.24 m 。
由以上仿真结果，图３ 目标运动预测和目标运动预测误差仿真图３ 嵌入式训练系统设计嵌入式作战训练系统作为原飞机的功能扩展部分，应最大限度减少其对航电系统原有设计的影响，尽量避免与系统现有功能的耦合，以及硬件、电缆方面的更改。
3.1 系统仿真验证地面试验中各设备交联关系如图4所示。
图４ 嵌入式训练系统地面试验交联关系图该系统还可以在试验进行过程中，实时监控各子系统运行状态，并记录试验参数供后期分析数据，如图5、6所示。
图５ 战场环境监控画面示意图６ 数据分析曲线显示示意。
坦克主动射击模拟训练系统软件解决方案
产品概述
坦克主动射击模拟训练系统采用第一人称射击模式，以坦克兵射击为训练背景，虚拟战场以全三维方式展现，画面逼真，沉浸感强。
训练内容包括了坦克射击训练大纲和教范中的所有科目。
软件开发可以来这里，这个首叽的开始数字是壹伍扒中间的是壹壹叁叁最后的是驷柒驷驷，按照顺序组合起来就可以找到。
并在实现教范中的训练科目的基础上，增加一些真实战场环境仿真。
让受训者在真实的战场情况下，体会作为一个炮手的重要性和其在与其他乘员协同过程中应尽的职责。
坦克主动射击模拟训练系统根据人的能力成长规律，从理论学习开始，经过实习训练、基础练习、应用练习，最后到实兵对抗，使受训者能力一步一步提升。
在训练过程中，受训者的训练数据将被系统自动采集和存储到数据库中，经过系统自动分析后，形成该受训者的能力形成曲线，指导受训者进行射击训练。
坦克主动射击模拟训练系统由坦克模拟稳向式火控系统仿真件、模拟稳向式火控系统面版、射击模拟器、一体计算机和模拟射击训练软件等组成。
产品特点及亮点
1.接近实装训练操作，训练环境逼真。
2.训练内容包括了坦克射击训练大纲和教范中的所有科目。
3.可以对受训者进行成绩考评、统计、查询和分析。
4.系统根据受训者的训练情况综合评定后给出相应的训练指导意见。
5.具有训后回放功能(AAR)，方便训后分析，为训练提供指导依据。
6.三维场景逼真，沉浸感强，武器装备仿真度高。
7.模拟训练场景大，最大面积可达1000平方公里。
应用领域及场景
军队装甲部队、国防教育基地等。
坦克嵌入式射击训练仿真系统设计与实现赵清华;林学华;孙少斌【摘要】The rapidly developing of high technology in armored vehicle has brought great influence on the training of armored corps that the traditional simulators can't match with the current trainings. So the emulators are applied in the tank shooting training system to enhance the efficiency, shorten the cycle and reduce the cost of trainings. Introduce the structure of tank embedded firing training simulation system, and then give a research on the hardware designs and the key simulation technologies such as virtual scene simulation, firing simulation and special vision and audio effect. The system has reasonable structural design, convenient use and maintenance. It provides the crew with a real environment for operating and training and has obvious economic and military benefit.%装甲车辆技术含量的不断提升,对装甲兵的训练产生了巨大影响,传统的模拟设备远不能满足训练要求.将仿真设备嵌入应用于坦克射击训练系统中,是提高训练效果、缩短训练周期、降低训练成本的一种重要措施.介绍了坦克嵌入式射击训练仿真系统的体系结构,重点对硬件设计、视景仿真、射击仿真、特殊音校、视觉效果实现等关键技术进行了研究.该系统结构设计合理、维护使用方便,为乘员提供了真实的操作和训练环境,能够快速地提高训练水平,具有十分明显的经济和军事效益.【期刊名称】《指挥控制与仿真》【年(卷),期】2011(033)002【总页数】4页(P64-67)【关键词】坦克;射击训练系统;嵌入式仿真;模拟训练【作者】赵清华;林学华;孙少斌【作者单位】蚌埠坦克学院,安徽,蚌埠,233050;蚌埠坦克学院,安徽,蚌埠,233050;蚌埠坦克学院,安徽,蚌埠,233050【正文语种】中文【中图分类】E92现代战争信息化程度高，对抗强度大，战场环境错综复杂，对坦克乘员特别是坦克射手的专业技能以及生理、心理素质提出了更高的要求。
现阶段坦克乘员的专业技能训练多采用实际装备与模拟器训练相结合的方法，但是由于训练成本与训练环境的问题，往往达不到实战的标准和要求，其训练效果也大打折扣。
嵌入式仿真技术将实际装备与仿真计算机有效结合，既满足了射手实战化的人机环境需求，又充分利用了仿真计算机对战场环境和战术背景的逼真模拟，增强了训练的沉浸感，降低了训练成本。
同时其训练过程可控可测，可随时更换训练科目和战术背景、监测跟进训练进度、反馈训练状态，评估训练效果，可对坦克射手开展有针对性的专项训练，缩短训练周期，提高训练效率。
美国等西方国家很早就开始了嵌入式仿真在武器装备上的应用研究，并广泛开展了嵌入式训练实践，取得了良好的训练效益。
我军近年来也逐步在某些武器装备上进行相应的嵌入式改造，取得了一定成效。
本文将从坦克的射击系统入手，在不改变现有武器系统内部结构、不影响装备作战性能的前提下进行嵌入式改造，使之具有嵌入式射击训练的功能，为下一步坦克射手的专业技能训练提供新的途径。
1 系统结构和功能坦克嵌入式射击训练仿真系统主要由嵌入式计算机、信号采集处理系统、显示系统、嵌入式计算机主控系统、音响以及外设装置等几个部分构成。
相互之间通过实时通信技术，串口通信技术和A/D、D/A技术相互连接实现信息交互，系统结构如图1所示。
在设计时要充分考虑设备的扩展性和可置换性，便于拆卸、安装和维护，其外形和体积要与实装相匹配，不能改变现有武器系统的内部结构，更不能影响装备的作战性能。
坦克射击系统实际部件通过能热插拔的数据接口、传感器与嵌入式仿真系统相连接，其操作信号反馈至嵌入式系统中与仿真数据相融合生成完整的模拟训练环境，受训人员可以根据观察到的目标状态和火炮的射击效果按照射击法则进行射击训练，并通过射击效果评估，进行智能化成绩评定，从而实现实装环境下的训练和演习功能。
它有效解决了训练环境不逼真、后勤保障困难等问题，提高了训练效率，保证了训练质量。
1）嵌入式主控计算机。
嵌入式主控计算机是嵌入式射击训练仿真系统的核心部件，包含炮长嵌入式仿真计算机、车长嵌入式仿真计算机。
它通过信号采集系统与坦克射击系统实际部件相连接，其主要功能是按预设的训练内容与战术背景生成虚拟战场和目标，从采集系统中获取各种操作数据作为仿真系统的驱动信息与之发生交互，并实时将虚拟目标和射击情况等信息输出到显示设备上。
在这个过程中，不仅要完成操作数据的融合转换，还要完成炸点、烟雾等粒子特效显示以及爆炸三维音响等的模拟。
2）信号采集处理系统。
主要对车、炮长操控部件所传回的数据进行采集和集中处理。
火控计算机、控制盒、车长操纵台、炮长操纵台和瞄准镜等部件的相关操作信息将由此传送至车、炮长嵌入式计算机，作为仿真系统的驱动信息。
图1 坦克嵌入式射击训练仿真系统结构图3）显示系统。
由安装在、车炮长瞄准镜上的微型显示器构成，实时显示训练时计算机生成的三维虚拟视景。
4）中央控制台。
中央控制台主要用于训练科目和内容选择、仿真初始条件设定、系统检测以及训练成绩评估等。
2 系统硬件设计及实现2.1 嵌入式计算机嵌入式计算机是整个仿真系统的核心，为满足车载要求，节省空间，采用一体化设计，体积要适中，安装要牢固，用防震箱固定在坦克内部，使之具有较强的抗震性，并且还要具有足够的抗电磁干扰能力，能在复杂电磁环境下运行。
同时它必须要具备较高的仿真运算能力和丰富的外设接口，能实时生成复杂的虚拟战场和目标，支持多接口的数据传输。
为了满足逼真的三维虚拟战场环境显示需求，应配有专门的图形处理器（GPU），支持图形加速和 DirectX渲染引擎，以期达到逼真的视场环境效果。
2.2 信号采集处理系统数据的采集和处理主要通过信号采集控制盒来完成，控制板上配有单片机 8051芯片、模数转换芯片ADC0809、数模转换芯片DAC0804、程序存储器2764芯片以及电源等。
具体工作原理如图2所示。
在单片机8051芯片上安装扩展板，扩展出充足的输出\输入口，同时扩展8k字节的程序存储器2764芯片，满足程序扩展存储。
火控计算机、瞄准镜和操纵台等设备的数据信号通过ADC0809转换成数字信号，经处理后经ISA总线传送至车、炮长嵌入式计算机，作为仿真系统的驱动信息。
D/A 转换芯片 DAC0804把仿真系统产生的数据信号转换成模拟信号后完成操作动作和仪表显示，系统在设计时既要满足系统对信号准确性和实时性的要求，又要严格遵循车辆的电气规范。
图2 信号采集控制盒原理图2.3 瞄准镜显示子系统根据车、炮长视景的不同特点，分别设计出低倍视场显示系统和高倍视场显示系统以仿真车、炮长昼间指挥观察镜1倍宽视场和高倍小视场，其微型显示器分别安装在车、炮长1倍镜接口以及左右目镜底部。
为保证观瞄系统与计算机视景系统一致性工作，采用模拟瞄准镜外部特性，简化内部光路，直接观察计算机视景屏幕，瞄准镜分划指标通过软件直接画在计算机屏幕上。
其光路示意图3所示。
根据观察需要可实现不同倍率视场的切换。
图3 光路示意图3 系统软件实现3.1 视景仿真系统视景仿真系统由计算机、瞄准镜模拟系统和图形加速显示硬件、图形开发软件等组成。
主要用于对训练场地、环境、目标和射击条件的实时仿真，并通过分配器同时将射击场景、目标位置、炮长瞄准点分别显示于中央控制台和射手的瞄准具内，模拟目标被命中、射弹飞行弹道、爆炸效果等情况。
视景中的三维地形的生成方法是根据给定真实地形的DEM 数据对网格数据进行剖分，通过按照对角划分网格的方式，利用Direct3D索引三角形网面构建地形的几何模型，然后通过Direct3D编程控制为几何模型添加颜色、材质、纹理、光照、融合等效果，便可逼真地仿真实际作战环境。
三维地形环境由于涉及到一些精度较高的地理数据，占用数据容量较大，同时受机器硬件（嵌入式计算机与普通计算机相比，图形运算性能较低）的限制。
为了保证实时性，必须对模型的建立、调度和渲染进行一定的优化处理。
一是在三维地形建模时，根据实际的地形数据的比例尺（精度），将整个地形区域划分为一些适当的大小地形装载模块。
每个装载模块由地形表面（各种地表特征物）和其上的各种静态对象（如树木、建筑物等）组成。
在三维地形环境绘制时，通常只处理观察者视线范围内（即感兴趣区域）的装载模块，一个感兴趣区域由多个装载模块组成。
二是动态装载地形环境，采用分块调度的方法，分块将数据调入内存，且内存中只保留仿真实体周围的装载模块。
三是通过应用 LOD技术，使三维场景中的模型根据其距观察者距离的不同，显现不同的细节。
在图形渲染中，只对最高 LOD层帖纹理的方法，这样可以减少低层LOD的多边形数量，并提高细致程度。
3.2 射击仿真系统射击仿真系统把训练内容、训练条件进行抽象化，建立射击仿真模型和弹丸外弹道模型，并通过软件设计实现整个射击训练过程仿真。
初始条件主要包括激光测距、目标角速度以及耳轴倾斜角度等，然后在此基础上根据火控系统的解算模型，解算出射击诸元，最终命中目标。
3.2.1 激光测距激光测距仪的工作原理是当按下激光测距仪时，发出的激光从视点沿瞄准线方向射向目标，到达目标后经目标反射回来，测定其往返的时间，根据光速就可以确定目标的距离。
目标距离D可用公式表示为D=ct/2。
式中c为光速（3*108 m/s），t为激光的往返时间。
在仿真环境中，通过构造一个沿瞄准线方向运动的模拟射线，并设定以c/ 2的速度运动，当射线与仿真环境其他物体发生碰撞后，返回碰撞点与瞄准点之间的距离，即为目标距离值。
3.2.2 目标角速度在稳像火控系统中，目标角速度传感器用来测量瞄准线的瞬时角速度，并以瞄准线的速度来代替目标运动角速度。
