一種基于虛擬現實技術的火箭筒射擊模擬訓練系統

【摘要】針對目前缺少火箭筒射擊模擬訓練手段，該系統以OpenGL為開發核心平臺，采用虛擬現實、圖像識別、數據庫管理等技術開發了訓練系統軟件；采用以光帶彈原理模擬實彈瞄準射擊；開發了低功耗激光驅動電路；采用機械加工仿制了實裝火箭筒，符合訓練模擬器發展趨勢，該系統的研制具有較高的應用價值和擴展性。

【關鍵詞】模擬訓練；虛擬現實；系統；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。在進行瞄準射擊訓練時，主要采用理論講解、現地操瞄、實彈射擊的方式。由于火箭筒的彈丸在飛行時具有“迎風偏”特性，在平時訓練時很難讓射手感受到此效果，所以訓練效率和效果受到了一定的影響。火箭筒主要采用帶分劃的瞄準鏡對目標測距、測速、瞄準，在瞄準訓練時教官很難發現射手的瞄準狀況，以至于不能得到及時的糾正。因此，采用虛擬現實技術研制的在室內環境下開展射擊訓練的應用系統，對于解決火箭筒瞄準射擊訓練問題具有重要的現實意義。同時，利用該技術框架，還能完成其他武器系統的射擊訓練。

2.系統需求分析

要想實現基于虛擬現實技術的火箭筒射擊模擬訓練系統，需要解決以下幾個方面的問題：

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

（2）訓練裝置的模擬研究。訓練裝置無論從外觀、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練可信度、可靠度的問題，也直接影響系統的研制成敗。系統的瞄準點獲取采用了激光發射與采集的方式。

（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境，能夠根據觀察到的目標測量距離、判斷速度。

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

3.技術方案

4.總體技術方案

依據對系統需求的分析該模擬訓練系統主要由視景計算機、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練仿真軟件等組成。其結構如圖1所示。

圖1 系統總體結構圖

仿真訓練軟件通過投影機將三維訓練環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，擊發后安裝在模擬武器中的激光發射器向屏幕發射一束激光。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。軟件會記錄發射瞬間的瞄準參數，在訓練結束后，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 硬件系統技術設計

在硬件系統中計算機、投影機、投影幕、攝像頭等設備根據系統功能要求進行采購。為了便于系統安裝和維護，通過鈑金件加工設計了投影一體機，內置投影機、瞄準采集器、風扇等設備。

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。

激光發射組件安裝在火箭筒彈頭部位，可以微度調節激光發射的方向。激光驅動電路和電源管理電路專門設計制造。設計了一種利用單片機控制的激光驅動電源，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，實現了激光二極管光功率穩定、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 仿真軟件系統技術設計

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

4.2.1 三維場景設計

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、側轉角度也需要通過地形分析計算。

地形的整體構建思路采用LOD方法。地形網格隨著視點的變化動態生成，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格，在渲染時只針對視角內的地形，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用模型列表。場景中樹木和建筑非常多，采用編輯工具預先設置其類型、位置和參數。每種類型的物體都具有3級LOD，在渲染調用時，采用兩種方法同時處理：首先，判斷物體是否在視場角內，如在視場角內則進行渲染；其次，判斷物體距離視點的距離，距離在30米內的采用高精度模型；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 瞄準虛實結合

系統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，這是基本的三角關系。在系統中，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，主要是火箭彈質心運動方程組的求解，它要分別求出火箭彈的彈道系數，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的影響下，火箭彈重心偏向順風方向；當發動機工作后，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力矩，使火箭彈產生轉動，彈頭偏向迎風方向，形成“迎風偏”；當發動機工作完畢后，進入被動段2，火箭彈靠慣性向前飛行，又開始產生順風偏，但由于迎風偏差量太大，所以，總趨勢仍是迎風偏。

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

式中：x，y，z遵循假設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，H（y）為空氣密度函數，g是重力加速度，C1是被動段1上的彈道系數。

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生的推力。根據牛頓第二定律，可以得出地面坐標系中以時間t為自變量的質心運動微分方程組：

式中：x，y，z遵循假設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，H（y）為空氣密度函數，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。

推力結束后，火箭彈就進入了第二個被動段，當沒有推力時，它的微分方程組為：

式中各參數的意義和上面相同，其中C3是被動段2上的彈道系數。

編寫修正程序時，藥溫、橫風和縱風對彈道微分方程組的影響主要體現在初始條件中，當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，vfc代表縱風，ty是藥溫，lty是藥溫修正系數。

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

在建立模型時，我們做了一些近似：橫風的作用，使得彈丸速度大小、方向均發生變化，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生變化，從而對彈道系數也產生影響。在求其修正量時，初始條件中，橫向速度即為橫風大小，此時，求出的橫向偏移量取反號就是被動段橫風的修正量，取正號就是主動段橫風的修正量。

5.結論

該系統環境適應性好，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，虛擬環境逼真，能夠達到很好的訓練沉浸感。經過部隊的配發使用，可明顯降低實裝訓練次數，避免實彈射擊的安全隱患，提高實彈射擊精度。另外，經過系統的升級，在現有系統基礎上，已經加入步槍、機槍、無坐力炮等武器的模擬訓練，提高了系統的擴展性和應用面，進一步降低訓練費用。

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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計、計算機三維仿真、圖形圖像處理、軟件工程。