虚拟现实技术在火炮模拟训练器中的应用:虚拟现实技术未来发展

时间：2019-04-11 03:22:37　来源：柠檬阅读网本文已影响人

　　摘要：本文简述了虚拟现实技术的发展现状，并运用该技术在火炮模拟训练器中予以实现，提出了软硬件的总体设计与系统结构。通过计算机生成的动态三维图形、多媒体和多传感器交互等手段，达到提高训练水平和作战能力的目的。
　　关键词：VR技术；火炮；模拟训练
　　1 引言
　　虚拟现实技术是近年来系统仿真领域研究的热点，并且在很多行业开始有了实际应用。在军事领域，美国最早将虚拟现实技术应用于作战仿真。其研究人员在虚拟现实技术构造的数字化地形、地貌和敌情数据库上进行作战仿真和武器装备性能的评估。由于虚拟现实技术在军事领域有着广泛的应用前景，因此，美国军方始终把虚拟现实技术的研究与应用列于《国防部关键技术计划》中，并将虚拟现实技术视为建设21世纪军队和培训21世纪人才以及发展新一代信息化战争武器装备的“革命性”手段。
　　虚拟现实技术生成战场环境可视化不仅仅应用在指挥自动化系统，对作战、训练模拟系统以及战术评估、论证系统也有重要意义。如果没有战场可视化的支持，演练将缺乏足够的战场态势表达手段，指挥员难以获得身临其境的感觉，不利于调动参训者的主观能动性，降低了模拟训练的效果。
　　利用模拟器进行训练和科研，具有安全、可靠、省时、效率高、不受干扰和时间限制等特点。因此，多年来世界上模拟器已在各个领域得到了广泛的应用，如飞行模拟器、船舶模拟器、汽车模拟器、核电站模拟器、火炮模拟器等等。
　　2 硬件设计
　　火炮模拟训练器是一种由计算机实时控制、多系统协调工作、能复现战场环境、能对实车性能和操纵品质进行较精确的动态模拟、用于训练人员射击指挥和进行特殊情况处置的并由人操作的模拟设备。火炮模拟训练器由仿真计算机、模拟舱、运动系统、视景系统、音响系统、操纵负荷系统、仪表系统、教官控制台等组成，通过三维立体图形显示、三维声音合成、人体感觉模拟等，使人进入由计算机生成的虚拟环境中，同时通过各传感器跟踪人的姿态、动作并反馈到计算机，由计算机根据人的操作决定虚拟空间中的事件的进程，实时变化图形和声音，实现人与虚拟空间的交互。
　　火炮模拟舱是火炮模拟训练器的重要组成部分，其布置与真实火炮炮塔一样，为乘员提供一个与实车基本一致的操作空间环境。它由操纵负荷系统、仪表系统、观瞄设备、视景显示系统组成，其中操纵负荷系统是模拟器中的操纵模拟装置，它模拟各种火炮操纵件（包括各种操纵杆、踏板、方向盘等）的负载力及其变化特性，保证乘员在模拟舱内的操纵力感、操纵位置及行程与实车一致。
　　车辆仪表是车辆性能参数显示的窗口，给乘员提供座舱内的视觉信息，因此在模拟器中，仪表仿真是十分重要的。它必须提供在功能上和外观上与实车尽可能逼真的各类仪表，将车辆运行参数、电气系统参数、发动机参数等实时显示并提供给乘员，并符合装甲车辆真实仪表的动态及静态特性。仪表系统可以直接引用真实仪表或改装真实仪表，或采用计算机实时生成的图形仿真仪表。
　　火炮模拟训练器的计算机系统由仿真计算机、主控计算机和监控计算机组成。主控计算机负责系统的控制、训练考评和图形生成、音响生成；仿真计算机负责乘员的操纵信号采集及仪表输出控制，实现实时的火炮动力学、运动学仿真；监控计算机负责显示和模拟器的系统检测。为达到更强的逼真效果，计算机系统要具有实时信号处理和实时控制的功能。
　　3 软件设计
　　火炮模拟训练器的音响系统具有逼真的音响效果，使乘员有如身临其境，在感受到逼真的视觉、力感和动感之外，还能从听觉上正确判断出车辆的运行状态。可模拟的声音包括发动机噪声、警报器声、履带运动噪声、枪、炮声、无线电杂波声和通话噪声等。
　　火炮模拟训练器的运动系统是利用计算机软件生成特定的驱动激励信号驱动、控制伺服执行元件产生运动或抖振的实时仿真系统。运动系统提供车辆运动过程中乘员能感觉到的动感及过载信息，使训练模拟更逼近真实车辆。该系统可以模拟俯仰、侧倾、旋转、横向平移、纵向平移、垂直平移等一至六个自由度，可模拟的运动有：通过中等起伏地运动、通过侧倾坡运动、通过限制路、障碍物的运动等。
　　视景系统是模拟舱的重要组成部分，它通过计算机产生的三维图形或图像在电子显示屏上模拟显示野外地形的景象，如山丘、树林、道路、楼房、汽车等，以及白天、夜晚、雨、雪等天气，并听到有关的音响。这些景象和音响与乘员在实际火炮中所看到和听到的基本一样。视景系统内容的丰富程度、逼真度、清晰度和观场角的大小都会影响模拟器的质量和模拟训练效果。
　　火炮模拟训练器用计算机再现真实世界，并通过视觉、声音、动感等各种物理效应设备使受训人员有身临其境的感觉；通过对乘员训练的定量考察与评价，达到提高作战能力和应变能力的目的，同时为火炮的设计制造提供科学依据。
　　4 结论
　　VR技术的提出已经多年，并已从实验室阶段走向应用。美国、西欧各国及日本已在VR系统的研究和应用方面做了大量的工作并取得可喜的成绩。随着计算机技术的日趋成熟，为VR技术的发展提供了更坚实的技术基础，VR系统具有十分广阔的应用前景。现代尖端武器系统的设计和军事指挥、模拟训练都需要应用VR技术。VR技术的应用也必将大大提高各级指挥员的军事素质，极大地减少危险，节约费用，缩短训练周期，提高训练质量，加速军事现代化的发展进程。利用虚拟现实技术进行军事训练，训练者可以“身临其境”般地投入到真实的战场中去。因此，虚拟现实技术被认为是21世纪的“主要训练方式”。总之，虚拟现实技术无论在民用上，还是在军用上都引起了高度重视，而且发展迅速。它象一条巨大的技术纽带，牵动着所有其他高新技术迅速发展。
　　参考文献：
　　[1]Ian W. Strachan. Virtual Reality and Simulation: Technology, Trends and Markets. Jane""s Special Report. November 2000.
　　[2]曾建超, 愈志和. 虚拟现实的技术及其应用［M］.北京:清华大学出版社 , 1996.
　　[3]李敏, 孙继根. 虚拟战场环境生成系统设计与研究[J].系统仿真学报,2005, 17(5).

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