并成功实现了头盔瞄准具的仿真。仿真系统性能达到实际安装以上水平，完全满足仿真训练的需要。关键词：头盔瞄准具，仿真，四元数 CLC编号：TP319，TP39 文档代码：头盔瞄准具的ASi mulation and ImplementationL IU Yong2yi，HUAN G Shao2jun，李广，于兰（空军训练装备研究所，北京100097，中国）摘要：针对模拟头盔瞄准具的工程需求，采用头部位置跟踪传感器，采用四元数法测量头盔瞄准具与平面坐标系的夹角1，然后将其转化为欧拉角，发送到共享内存的计算机控制模块1 与数字控制电路集成，使用光栅和半透半反射棱镜实现头盔瞄准镜显示系统功能1利用计算机控制系统进行逻辑控制和仿真管理，成功实现了对头盔瞄准镜的仿真1模拟系统可以满足模拟训练的需求1关键词：头盔瞄准具，模拟，四元数介绍头盔瞄准具是在保证飞行员生命的前提下，为飞行员提供一个单目、无限远聚焦的固定瞄准环作为视线参考- 节省安全和通信。红外测量头盔相对于机身坐标系的角度，使飞行员能够快速引导武器系统攻击观察到的目标中国空军头盔瞄准具，在保证飞行员救生安全和通讯的前提下，固定瞄准环聚焦于无穷远作为视线参考。通过使用扫描仪总成发出的红外线测量头盔相对于机身坐标系的角度，飞行员可以快速引导武器系统攻击被观察目标，从而提高飞机的近战能力. 头盔瞄准具，模拟，四元数 介绍 头盔瞄准具是在保证飞行员安全和通讯的前提下，为飞行员提供一个单目、固定的瞄准环，聚焦在无限远，作为视线参考，头盔相对坐标的角度机身系统使飞行员能够快速引导武器系统攻击观察到的目标，
同样，如果能在模拟训练中实现对头盔瞄准系统的模拟，将有效提高飞行员在近距离作战中使用头盔瞄准系统的经验和水平，达到快速编队的目的。和提高部队的战斗力。在某型飞行模拟器的研制中，利用头部位置跟踪传感器测量头盔相对于飞行器坐标系的角度，并利用光栅、半透半反棱镜等光学元件来实现飞行器的功能。头盔视镜显示系统，与计算机控制系统成功结合。实现了头盔瞄准具的模拟，大大提高了该类模拟器导弹攻击训练的模拟保真度。1 总体结构 该仿真系统包括三个功能模块，头部角度检测模块、头盔显示模块和计算机控制模块。头盔瞄准器模拟系统的功能框图如下页图1所示。头部角度检测模块用于实时测量飞行员头部的旋转，并将测量结果传送给计算机控制模块。计算机控制模块不仅完成系统模式控制，还接收来自头部角度检测模块的飞行员头部旋转角度数据，即视线信息。No. 12Dec, 2009 Fire Control & Command Control Vol.34 No. 2009 年 12 月 12 日 过程控制头盔显示模块显示相应的屏幕。头盔显示模块主要完成不同模式下同心圆和十字线的显示，在不影响视野的情况下，为飞行员提供最直接的火控瞄准信息。
2 系统模型211 头角检测模块 头角检测模块包括头部跟踪传感器和相应的软件。头部跟踪传感器采用InterSense公司的InertiaCube2，水平固定在飞行头盔顶部，通过串口延长线连接电脑，由专用模块电源供电。角度测量过程中使用的坐标系如图2所示，其中X轴始终与机头方向一致，Y轴指向右侧，Z轴向下。为了避免欧拉方程的奇异点，头部位置跟踪传感器采用四元数方法计算头部旋转，将其转换为图2中角度测量过程中使用的坐标系的欧拉角，并通过共享内存传输到计算机控制模块。四元数不仅表示旋转，还可以用作变换算子。由于它可以有效解决欧拉方程的奇异性，因此被广泛应用于捷联惯导、机器人、人造卫星等领域，尤其是飞行器的坐标。[1]中的变换和姿态角表示。四元数是由一个实数单位和三个虚数单位 i、j 和 k 组成的超复数，其中包括四个实数单位。其解析表达式为： Q = e0e1i+ e2j+ e3k 式中，i、j、k为虚数单位，遵循如下算法[2]： i·i= j·j= k·k= - 1；i・j= - j・i, j·k= - k·j, k·i= - i·ki·j= k, j·k= i, k·i= j; 根据单位四元数的定义，存在如下归一化条件： 20+ e 如果上面图 2 的角度测量过程中使用的坐标系先绕 z 轴旋转经过 yaw 角 7，然后绕 y 旋转-轴经过俯仰角Η，最后绕x轴旋转经过横滚角5，这与飞行员头部的角度位置相同，那么这组姿态欧拉角和姿态四元数之间的关系是[3]:e21+ e22+ e23= 1e0= cos72cosΗ2cosΗ2sinΗ2sinΗ2cosΥ2sinΥ2cosΥ2sinΥ2+ sin72- sin72+ sin72+ sin72sinΗ2sinΗ2cosΗ2cosΗ2sinΥ2cosΥ2sinΥ2cosΥ2e1= cos72e2= cos72e3= - cos72反之, 姿态欧拉角用四元数表示的关系是:Η = arcsin[2( e0e2- e1e3)
光源是两个特殊的高亮度发光二极管。电脑控制模块通过接口控制电路控制是否点亮。最终显示字符的亮度可以通过灯光20+e21-e22-e23n3=e21-e22+e23度电位器来调节。头盔视镜的核心是一个光学棱镜，它通过两个光栅和一个半透明镜面与同心圆和分划板重叠，然后通过一个半透明的镜面将同心圆和分划板反射到人眼前方的另一侧。 45°反射镜。半透明半反射镜。图3是头盔视镜光路示意图。图3 头盔式视镜光路示意图。头盔显示模块可显示正常视线、雷达拦截、允许发射、大离轴角等信息。下一页的图 4 显示了头盔显示模块显示的字符。色度计测试后，信号显示亮度不低于3 000 cd m213 电脑控制模块 电脑控制模块包括电脑和控制软件。主要完成整个头盔瞄准具仿真系统的时序和功能控制，包括： 2.・931・刘永义等：某型头盔瞄准具的建模、仿真与实现（总编号34-205< @1) 头盔瞄准具工作模式初始化：系统程序运行前的初始化和头部位置跟踪传感器工作模式初始化。头部位置校准：
对应火控模式下的功能控制：通过数字开关量控制头盔显示模块的显示，完成逻辑功能控制。程序运行周期为 10 ms。计算机控制模块的程序流程图如图5所示。 3系统性能头盔瞄准具仿真中最重要的指标是整个系统的响应速度是否能达到实际性能指标。该指标在一定程度上反映了导弹武器在近战中的反应速度和效能。为此，采用调速电机通过减速机构驱动头盔转动，并实时验证头盔的实际旋转角度是否与仿真系统在不同速率下的输出角度数据一致。经测试，系统响应速度超过120°s，远大于实际数据，完全满足仿真要求。头盔瞄准具模拟系统主要性能指标如下： 头部运动范围：前后：180mm；左右：400毫米；上下：200 毫米。视野：方位角：±60°；俯仰： - 相对于机身坐标系定义 15° 或更多角度。俯仰角定义为上正下负，方位角定义为右正左负。跟踪角速度：120°s。跟踪精度：由于磁头位置跟踪传感器InertiaCube2是惯性装置，并且考虑了地球磁场的影响，所以只要+45°。时间连续工作会有较大的累积误差和零漂移。实际使用中，每两小时进行一次断电校准，保证跟踪精度误差不超过1°。
因为是地面模拟训练，基本不会影响训练效果。4 结束语 本头盔瞄准具仿真系统综合运用光学成像、信号处理、计算机软件等学科，采用较为简单可靠的仿真方法达到工程要求。在某类飞行模拟器的训练和使用中，系统工作稳定，显示逼真，提高了该类飞行模拟器的模拟覆盖率和模拟保真度。由于采用模块化仿真方法，头盔瞄准具仿真系统也可以方便地应用于其他类型模拟器头盔瞄准具的开发，为头盔瞄准具的仿真探索了一条可行的途径。参考文献： [1] 徐茂月中国空军头盔瞄准具，张登成，李嘉林．四元数在欧拉方程中的应用研究[J]．飞行力学, 2002, 20(<@1): 67270.肖业伦. 飞机运动方程[M]. 北京: 航空工业出版社, 1987.王兴仁. 飞行实时仿真系统与技术[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2003.[2][3](上接第137页)[2]Saha RK, Chang K C. An Efficient Algorithm for Multisensor T rack Fusion [J].A ES234, 1998(<@1): 89295.[3]L i X R. Multiple2 model Estimation with VariableStructure: Some Theoretical Considerations[C] In proc .33rd IEEE Conf.Control, 1994: 119921204.[4]L i XR,Bar2Shalom Y. Multiple2 Model Estimation with Variable Structure [J]. 自动控制, 1996, AC241: 4782493.@ >[5]徐宇，李峰。
