一種基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的火箭筒射擊模擬訓(xùn)練系統(tǒng)

【摘要】針對目前缺少火箭筒射擊模擬訓(xùn)練手段，該系統(tǒng)以O(shè)penGL為開發(fā)核心平臺，采用虛擬現(xiàn)實、圖像識別、數(shù)據(jù)庫管理等技術(shù)開發(fā)了訓(xùn)練系統(tǒng)軟件；采用以光帶彈原理模擬實彈瞄準射擊；開發(fā)了低功耗激光驅(qū)動電路；采用機械加工仿制了實裝火箭筒，符合訓(xùn)練模擬器發(fā)展趨勢，該系統(tǒng)的研制具有較高的應(yīng)用價值和擴展性。

【關(guān)鍵詞】模擬訓(xùn)練；虛擬現(xiàn)實；系統(tǒng)；視景仿真

1.引言

火箭筒是步兵重要的反裝甲武器和重火器。在進行瞄準射擊訓(xùn)練時，主要采用理論講解、現(xiàn)地操瞄、實彈射擊的方式。由于火箭筒的彈丸在飛行時具有“迎風(fēng)偏”特性，在平時訓(xùn)練時很難讓射手感受到此效果，所以訓(xùn)練效率和效果受到了一定的影響?；鸺仓饕捎脦Х謩澋拿闇淑R對目標測距、測速、瞄準，在瞄準訓(xùn)練時教官很難發(fā)現(xiàn)射手的瞄準狀況，以至于不能得到及時的糾正。因此，采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)研制的在室內(nèi)環(huán)境下開展射擊訓(xùn)練的應(yīng)用系統(tǒng)，對于解決火箭筒瞄準射擊訓(xùn)練問題具有重要的現(xiàn)實意義。同時，利用該技術(shù)框架，還能完成其他武器系統(tǒng)的射擊訓(xùn)練。

2.系統(tǒng)需求分析

要想實現(xiàn)基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的火箭筒射擊模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，需要解決以下幾個方面的問題：

（1）構(gòu)建高效的三維訓(xùn)練場景。逼真的訓(xùn)練場景能夠為受訓(xùn)者帶來良好的訓(xùn)練沉浸感，有助于提高參與訓(xùn)練的興趣，這也是三維仿真領(lǐng)域大家所不斷追求的。

（2）訓(xùn)練裝置的模擬研究。訓(xùn)練裝置無論從外觀、操作手感上都要盡量符合實裝才能提高訓(xùn)練效果。

（3）精確獲取瞄準點坐標。瞄準點的精確程度直接影響到訓(xùn)練可信度、可靠度的問題，也直接影響系統(tǒng)的研制成敗。系統(tǒng)的瞄準點獲取采用了激光發(fā)射與采集的方式。

（4）解決虛實瞄準交互問題。在采用實裝瞄準鏡的情況下，需要為射手營造一個接近實裝的瞄準射擊環(huán)境，能夠根據(jù)觀察到的目標測量距離、判斷速度。

（5）準確的彈道效果。需要在擊發(fā)后，在三維虛擬訓(xùn)練場景中觀察到準確的彈道效果，尤其需要在有風(fēng)的情況下，能夠看到“迎風(fēng)偏”效果。

3.技術(shù)方案

4.總體技術(shù)方案

依據(jù)對系統(tǒng)需求的分析該模擬訓(xùn)練系統(tǒng)主要由視景計算機、投影幕、投影機、瞄準點采集器、音響、模擬武器、瞄準點解算軟件和訓(xùn)練仿真軟件等組成。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

仿真訓(xùn)練軟件通過投影機將三維訓(xùn)練環(huán)境和目標投影在屏幕上。射手操作模擬武器通過瞄準鏡瞄準目標，擊發(fā)后安裝在模擬武器中的激光發(fā)射器向屏幕發(fā)射一束激光。瞄準點采集器實時采集屏幕上的激光點，通過瞄準點解算軟件計算瞄準點屏幕坐標。屏幕坐標傳給仿真訓(xùn)練軟件，通過彈道仿真模塊計算彈道，并在三維場景中顯示彈道軌跡和尾煙，最終通過碰撞檢測模塊檢測與目標或其他物體的碰撞。軟件會記錄發(fā)射瞬間的瞄準參數(shù)，在訓(xùn)練結(jié)束后，使用射擊分析模塊可以顯示射手瞄準射擊時的瞄準分劃和瞄準精度，起到了射擊分析作用，便于射手糾正錯誤。

4.1 硬件系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計

在硬件系統(tǒng)中計算機、投影機、投影幕、攝像頭等設(shè)備根據(jù)系統(tǒng)功能要求進行采購。為了便于系統(tǒng)安裝和維護，通過鈑金件加工設(shè)計了投影一體機，內(nèi)置投影機、瞄準采集器、風(fēng)扇等設(shè)備。

模擬武器通過對實裝的測繪，采用機械加工方式進行1：1仿制。通過配重方式，保證了重量、重心與實裝的一致性。

激光發(fā)射組件安裝在火箭筒彈頭部位，可以微度調(diào)節(jié)激光發(fā)射的方向。激光驅(qū)動電路和電源管理電路專門設(shè)計制造。設(shè)計了一種利用單片機控制的激光驅(qū)動電源，該電源通過控制激光二極管的工作電流和溫度以及采用了可靠的保護電路，實現(xiàn)了激光二極管光功率穩(wěn)定、可靠、準確輸出，同時也降低了能耗。電源模塊具有欠壓檢測、指示功能，可有效保護了激光二極管。

4.2 仿真軟件系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計

經(jīng)過詳細的需求分析，仿真軟件系統(tǒng)需要解決三維場景、瞄準點識別、瞄準虛實結(jié)合和彈道仿真問題。因此，該部分重點闡述這幾個方面的技術(shù)解決方法。其中涉及到三維仿真的功能實現(xiàn)全部采用OpenGL開發(fā)。

4.2.1 三維場景設(shè)計

在三維場景中地形是最基本的部件，其他建筑、植被、目標都是依附于地形至上的。建筑、植被的高度需要通過地形計算，目標的高度和運動時的起伏、側(cè)轉(zhuǎn)角度也需要通過地形分析計算。

地形的整體構(gòu)建思路采用LOD方法。地形網(wǎng)格隨著視點的變化動態(tài)生成，距離視點最近的地形采用2米的精度，距離較遠的采用4米的精度，距離更遠的采用8米的精度，距離最遠處采用16米的精度。采用這種分級顯示方法可有效提高地形渲染效率。另外，通過視場角可以獲取需要顯示的地形網(wǎng)格，在渲染時只針對視角內(nèi)的地形，進一步提高渲染效率。

圖2 三維場景顯示效果

三維場景中的建筑和樹木采用3DMax建模，生成*.3ds格式。軟件讀取3ds格式中的點、線、面、紋理名稱、紋理坐標等信息，在軟件初始化時，將3ds模型載入到顯存的模型列表中，在場景渲染時直接調(diào)用模型列表。場景中樹木和建筑非常多，采用編輯工具預(yù)先設(shè)置其類型、位置和參數(shù)。每種類型的物體都具有3級LOD，在渲染調(diào)用時，采用兩種方法同時處理：首先，判斷物體是否在視場角內(nèi)，如在視場角內(nèi)則進行渲染；其次，判斷物體距離視點的距離，距離在30米內(nèi)的采用高精度模型；距離在30-100米的采用中精度模型；距離在100米外的采用低精度模型；超出渲染范圍的不渲染。

4.2.2 瞄準虛實結(jié)合

系統(tǒng)中模擬武器的瞄準鏡采用實裝瞄準鏡，具有一定的放大倍率，分劃可以用來測定目標的距離。在實裝瞄準測距時，根據(jù)固定尺寸的目標投影在瞄準鏡中的長度來確定距離，這是基本的三角關(guān)系。在系統(tǒng)中，目標是顯示在投影屏幕上的，瞄準鏡距離屏幕在5米左右，為了能夠給射手營造一個真實的瞄準景況，需要確定好屏幕投影尺寸、瞄準距離和目標大小三者的關(guān)系，使之能夠和實際瞄準時保持一致。

4.2.3 彈道仿真

火箭彈的模型建立，主要是火箭彈質(zhì)心運動方程組的求解，它要分別求出火箭彈的彈道系數(shù)，火箭彈的排氣速度，各種非標準條件的修正量的修正。

火箭彈在空中運動的軌跡比較復(fù)雜，它由被動段1，主動段和被動段2三部分組成。在被動段1，火箭彈出筒后在橫風(fēng)的影響下，火箭彈重心偏向順風(fēng)方向；當(dāng)發(fā)動機工作后，進入主動段，由于火箭彈單體較長，重心靠前，而風(fēng)的壓力重心在彈的重心之后，這樣彈體就會以重心為軸形成一個旋轉(zhuǎn)力矩，使火箭彈產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，彈頭偏向迎風(fēng)方向，形成“迎風(fēng)偏”；當(dāng)發(fā)動機工作完畢后，進入被動段2，火箭彈靠慣性向前飛行，又開始產(chǎn)生順風(fēng)偏，但由于迎風(fēng)偏差量太大，所以，總趨勢仍是迎風(fēng)偏。

火箭彈在空中的運動，相當(dāng)于一個自由剛體在空間的運動，在被動段1，它的質(zhì)心運動方程為：

式中：x，y，z遵循假設(shè)中建立的空間直角坐標系，u，w，q是被動段1上任一時刻火箭彈在三個坐標軸上的速度，G（v，c）是空氣阻力函數(shù)，H（y）為空氣密度函數(shù)，g是重力加速度，C1是被動段1上的彈道系數(shù)。

在主動段，標準射擊條件下的火箭彈受三個力的作用：重力、空氣阻力以及燃藥燃燒所產(chǎn)生的推力。根據(jù)牛頓第二定律，可以得出地面坐標系中以時間t為自變量的質(zhì)心運動微分方程組：

式中：x，y，z遵循假設(shè)中所建立的空間直角坐標系，u，w，q是主動段上任一時刻火箭彈在三個坐標軸上的速度，G（v，c）是空氣阻力函數(shù)，H（y）為空氣密度函數(shù)，g，ap分別是重力加速度和推力加速度，α，β，γ是火箭彈彈道同坐標軸X、Y、Z的夾角，θ是任一時刻的彈道傾角，C2是主動段的彈道系數(shù)。

推力結(jié)束后，火箭彈就進入了第二個被動段，當(dāng)沒有推力時，它的微分方程組為：

式中各參數(shù)的意義和上面相同，其中C3是被動段2上的彈道系數(shù)。

編寫修正程序時，藥溫、橫風(fēng)和縱風(fēng)對彈道微分方程組的影響主要體現(xiàn)在初始條件中，當(dāng)考慮這些非標準條件時，初始條件為：

t=0，u=（v0+lty·ty）cosθ-vfc，w=（v0+lty·ty） sinθ，q=vfh，x=0，y=0，z=0。

其中vfh代表橫風(fēng)，vfc代表縱風(fēng)，ty是藥溫，lty是藥溫修正系數(shù)。

橫風(fēng)引起的是彈道的側(cè)偏。由理論可以證明，有橫風(fēng)的條件下的相對射程與無橫風(fēng)的射程近似相等，側(cè)偏就是其修正量。

在建立模型時，我們做了一些近似：橫風(fēng)的作用，使得彈丸速度大小、方向均發(fā)生變化，從而彈丸的運動方向就偏離了射面，速度大小的變化，使得空氣阻力也會發(fā)生變化，從而對彈道系數(shù)也產(chǎn)生影響。在求其修正量時，初始條件中，橫向速度即為橫風(fēng)大小，此時，求出的橫向偏移量取反號就是被動段橫風(fēng)的修正量，取正號就是主動段橫風(fēng)的修正量。

5.結(jié)論

該系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性好，在部隊院校的普通教室就可安裝使用。武器的操作使用方法同實裝一致，虛擬環(huán)境逼真，能夠達到很好的訓(xùn)練沉浸感。經(jīng)過部隊的配發(fā)使用，可明顯降低實裝訓(xùn)練次數(shù)，避免實彈射擊的安全隱患，提高實彈射擊精度。另外，經(jīng)過系統(tǒng)的升級，在現(xiàn)有系統(tǒng)基礎(chǔ)上，已經(jīng)加入步槍、機槍、無坐力炮等武器的模擬訓(xùn)練，提高了系統(tǒng)的擴展性和應(yīng)用面，進一步降低訓(xùn)練費用。

參考文獻

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作者簡介：吳海東（1976—），男，研究方向：軍事模擬器材總體設(shè)計、計算機三維仿真、圖形圖像處理、軟件工程。