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火炮射击训练视景仿真系统设计与实现

2023-08-01 来源:步旅网
第29卷第6期 计算机仿真 2012年6月 文章编号:1006—9348(2012)06—0037—04 火炮射击训练视景仿真系统设计与实现 杨辉 ,林建伟 ,张坤鹏 (1.华东交通大学电气与电子工程学院,江西南昌330013; 2.73235部队,浙江舟山316012) 摘要:关于火炮射击训练系统设计问题,针对火炮实装实弹训练存在高成本,高危险,受客观条件限制多等问题,提出利用视 景仿真技术的火炮射击训练方法。在Creator建模工具上创建了火炮、炮弹、目标三维模型和射击场地形;依据火炮外弹道 模型,设计开发了基于Vega Prime的火炮射击训练系统原型;针对Vega Prime界面设计不足,采用MFC开发了友好的人机 操作界面。运行结果表明,系统能实时仿真火炮射击操作过程,满足火炮射击训练要求。 关键词:视景仿真;射击训练;建模;火炮;弹道 中图分类号:TP391.9 文献标识码:B Design and Implementation on Visual Simulation System of Artillery Firing Training YANG Hui ,LIN Jian—wel‘ ,ZHANG Kun—peng (1.College of Electircal and Electronic Engineering,East China Jiaotong University,Nanchang Jiangxi 330013,China; 2.Unit 73235,Zhoushan Zhejiang 316012,China) ABSTRACT:To solve the problems of high costs.high risk and restircted objective condition in the artillery fiirng training with practical equipment,an artillery fiirng training method based on visual simulation technology was pro- posed.The three—dimensional models of artillery,shell,target and shooting gallery terrain were created with model- ing tool called Creator.According to the model of artillery external tr日jeetory,the prototype system of artillery ifirng training based on Vega Prime was designed and developed.Aiming at the shortage of Vega Prime interface,the user —friendly operating interface was developed with MFC.The operation results show that,the system can simulate the processes of artillery firing in real—timely and meet the requirements of artillery fiirng training. KEYWORDS:Visual simulation;Fiirng training;Modeling;Artillery;Trajectory 的经济和社会效益。将VS技术用于火炮射击训练是解决上 1 引言 述问题的有效途径之一。 火炮作为当前部队装备的最为广泛的重武器之一,存在 国内对视景仿真技术应用于火炮射击训练进行了探索 射击训练成本高、危险大、受场地时间天候影响大的问题,因 与研究,并取得了一定的成果。如装甲兵工程学院设计开发 此急需一种经济、安全、有效的方法来对传统训练方式进行 了一套可以部分替代实弹射击的问瞄火炮射击半实物模拟 改进和补充。 训练系统 J,但由于各类火炮相差巨大,系统结构复杂,在不 视景仿真(Visual Simulation,VS)技术是虚拟现实技术 同炮种之间移值涉及硬件软件的更改,难以在基层部队大规 的最重要的表现形式…。自20世纪80年代以来,Vs技术 模推广;西北工业大学设计了一套基于Direct 3D的虚拟火 以其良好的逼真度、交互性、沉浸感已在军事、航空航天、娱 炮训练系统 J,但该火炮训练系统仅对飞行轨迹与命中进行 乐、医疗、建筑及城市管理等领域成功运用 ,取得了巨大 仿真,不适用于炮兵射击操作训练。 基金项目:国家自然科学基金(60864004,51174091,61164013);国家 为便于在基层各炮兵部队推广使用火炮仿真训练系统, 863计划项目(2008AA04-Z129);江西省研究生创新专项资金资助项 本文提出利用Vega Prime(VP)和MFC开发纯软件的火炮射 目(YC10A092) 击视景仿真系统,是视景仿真技术应用于火炮射击训练的全 收稿日期:2011一O7—12修回日期:2011—09—07 新尝试。相比于半实物仿真,该系统结构简单,能在普通PC 一37— 上运行,对硬件要求低,系统维护简单。 2系统设计 系统目标是实现某型火炮按照射击法则进行模拟射击 训练。即系统可提供一个逼真的火炮射击虚拟场景,受训者 根据组训者提供的射击条件在软件操作界面中设置好射击 .......................,.火炮 一 L 炮弹L一  ............,. ...¨¨¨¨¨¨ r 目标一 条件,然后根据射表决定射击诸元并输入系统,发射后系统 一 爆炸效果一 弹道尾迹一 给出射击偏差量,受训者通过查表得到诸元修正量并再次装 定发射,实现如真实环境中实弹射击训练。 2.1系统结构 系统总体结构如图1所示。 视景仿真系统 仿真界面模块I J 1视景驱动模块 3D 实 体 模 型 匡 系统由场景模型、视景驱动、仿真界面三个部分组成,其 中场景模型模块中的实体模型与地形模型由MultiGen Crea— tor来完成,各种特效由VP内置模块实现,视景驱动模块由 VC++和VP联合实现,仿真界面基于MFC框架设计开发。 2.2场景建模 使用MuhiGen Creator工具创建炮弹、目标、火炮以及射 击场地形三维模型。Creator建立的模型为OpenFlight格式 文件,该数据格式已成为事实上的虚拟现实及仿真界的三维 模型数据格式的工业标准 川,其生成的模型文件与Vega Prime能无缝兼容。 2.2.1实体模型 实体模型按以下步骤进行: 1)获取各实体的真实参数,利用Wall和Loft等方法建 立几何模型; 2)使用3点和4点纹理映射方法,将事先准备好的模型 纹理映射到几何模型表面; 3)应用Creator中的预览模块查看模型效果,通过反复 的查看与修改直到获得良好的视觉效果。 需要特别注意的是,纹理图片的格式必须是Creator能 接受的jpg或rgb等格式,其大小必须保存为2“次,长宽可以 不相等,否则在VP中显示时可能会失真或畸变。最终完成 的各实体模型如图2所示。 一38一 崖¨¨¨¨¨  系 统 结 构 图 图2实体构件图 2.2.2射击场地形模型 地形模型是仿真系统场景的重要组成部分,一般制作方 法有随机生成法,等高线法和高程数据转换法 J。本系统地 形模型采用高程数据转换法,利用Creator中的地形模块进 行实现,最终生成nt格式的地形模型文件。地形建模流程 如图3所示。 舟山地区DEM数据 (来源于中科院计算机网络信息中心国 际科学数据服务平台,分辨率为90米) Global Mapper I(格式转换) 标准USGs的DEM格式数据 BuildDED【(格式转换) r———————j ————]  IDED数据格式---------・—・----------・---__j l ------- -----・----・--—・-------・UTM投影I Delaunay算法 l多边形几何模型卜_一【 -・-----------------—・-------—・--------・・・--------・------__J 设置LoD f映射纹理模 [3 lD  地形模型 1 I iE I模型输出f 图3地形建模流程 2.3外弹道模型 要对火炮射击过程进行仿真,就要建立火炮外弹道模 型。本系统是以某型迫击炮为例进行设计与开发,考虑到迫 击炮射表采用三自由度质点弹道方程和自身阻力系数编拟, 故本系统采用直角坐标系质点弹道模型。迫击炮具有射角 大、弹道弯曲、初速小等特点,本文假设:地表面为平面,重力 加速度方向铅直向下,科氏加速度为零,火炮射击时静止且 炮耳轴线水平与炮身轴线垂直。直角坐标系如图4所示。 图中a 为阻力加速度,g为重力加速度, 为质心运动 速度矢量,0为速度矢量与水平方向的夹角。 炮弹质心运动方程 : y 一出 l1 一 = 一 = =  一臣圈 场 1 景 建 模 y y 三维视景数据库(nt格式数据) F 护 S ∞ 血 l J 嚣 图4直角坐标系 g 式(1)中c为弹道系数,口(Y)为空气特征密度函数,F( )为 阻力函数。 火炮射击中,对炮弹飞行轨迹产生影响的因素主要有药 温、弹重、气温、气压、弹道风,因此在弹道设计时需要考虑上 述扰动对射击诸元的影响… 。 3 系统开发 3.1开发流程 本系统使用MultiGen Creator和Vega Prime及VS.NET 2003进行开发,整个开发过程可以分为以下两个步骤: 1)场景建模,包括射击场三维地形、各种三维实体模型 建立; 2)场景驱动,使模型按确定规律在计算机上生成连续的 视景图像,并触发相应效果; 开发流程如图5所示。 3.2程序开发 3.2.1开发步骤及运行流程 本系统采用基于MFC和VP的技术实现视景驱动和仿 真界面设计,开发步骤如下: 1)利用VP的Lynx Prime图形界面进行应用程序的配 置,并保存为acf文件; 2)使用VP提供的C++应用程序接口API,在VS.NET 2003中实现仿真功能。 系统程序流程如图6所示。 3.2.2 MFC的Vega Prime程序开发 基于MFC的VP程序开发主要解决以下两个问题: / }交互设备输入H视景驱动程序H运动体控制数据} 图5系统开发流程图 图6仿真程序流程图 1)将VP程序嵌入MFC程序框架,在MFC中开启VP线 程,实现系统的集成; 2)界面设计及视图类之间的通信。 系统包括MFC窗口和VP窗口,MFC窗口作为仿真界 面,用来开启VP线程、控制仿真过程等,VP窗口用来显示视 景场景,在本系统中作为MFC的子窗口 。实现VP窗口 作为MFC子窗口的关键代码为: win= vpWindow::begin(); win一>setParent(m—hWnd);//将MFC窗口设为VP窗口的 父窗口。 win一>setBorderEnable(false);//移除VP边框。 win一>setFullScreenEnable(true);//由MFC窗口决定VP窗 一39一 口尺寸大小。 实现在MFC中开启VP线程的方法是在VP视图类中创建一 个工作线程,在工作线程中完成VP的初始化、定义、配置以 及帧循环。工作线程关键代码如下: UINT runvpApp(LPVOID pParam) {CvpView pOwner=(CvpView{)pParam;∥定义一个指向 vP视图类的指针,用来访问VP视图类成员。 vp::initialize(argc,argv); pOwner一>InitModels();∥初始化模型 pOwner一>postInit(); vpKernel::instance()一>deifne(pOwner一>getAcfName ());∥getAcfName()函数来获得acf文件名。 pOwner一>postDefine(); vpKernel::instance()一>configure(); pOwner一>postConifg();//配置参数 while(pOwner~>getContinueRunning()){ ∥进入仿真循环。 vpKemel::instance()一>beginFrame(); pOwner一>postSync(); pOwner一>vpUpdate();∥在vpUpdate()函数中加入射击仿 真算法及控制代码。 vpKemel::instance()一>endFrame();//结束当前帧。} ・・・・・・・・・・・・・・・・・・l 创建完工作线程后,使用下面这条程序来开启工作线程 vpThread=MxBeginThread(runvpApp,this); 设计仿真界面时,使用BOOL CMainFrame::OnCreate— Client(LPCREATESTRUCT/}lpcs /.CCreateContext pContext)实现窗口拆分,使左侧部分关联控制面板视图类, 右侧关联VP视图类,用来显示仿真画面。要想使用控制面 板中的控件来控制仿真进程,需要解决VP视图类与控制面 板视图类之间通信问题。因此在控制面板视图类中定义了 GetView函数来获取VP视图类指针。以下是关键代码: CSjfzView pView=(CSjfzView¥)GetView(RUNTIME —CLASS(CSjfzView));∥CSjfzView为CvpView的派生类,这 样就可以实现两个视图类之间的通信。 4运行与结果分析 针对火炮射击训练,射击条件选取海拔0米,标准气温、 气压(在炮口水平面上),标准弹重,装药温度+l5度,横风 10米/秒,二号装药,表定初速159米/秒为射击条件,对距离 2000米的正前方目标进行模拟射击试验,目标直径为3O米 的圆型区域。先根据射表确定初始表尺860,方向3000并 装定。 系统运行平台为Windows XP操作系统,英特尔酷睿 2CPU,主频2.0GHz,2G内存,NVIDIA GeForce G 105M显卡。 系统初始界面如图7所示,左侧为操作面板,右侧为仿 真画面。 ....——40....—— 图7系统初始界面 射击训练过程部分仿真画面如图8所示,左上方为炮弹 击中水面时显示的水花效果,左下方为炮弹击中目标时显示 的爆炸效果;右上方为炮弹飞行过程中的弹道,右下方为视 角切换到视点跟随炮弹时观察到的飞行过程画面。 图8系统运行效果 根据射表进行表尺方向装定改装测试结果如表1所示。 表1系统测试结果 表1中,表尺与方向的修正量根据偏差值查某型迫击炮 修正量换成表所得,炮弹命中目标后,系统不再给出偏差量, 即表中最后一列偏差值为0。测试结果表明,经过一次装定 三次修正,炮弹可以命中目标,符合实际射击情况。系统可 以用于火炮射击诸元装定改装训练和模拟实弹射击训练。 5结论 本文以视景仿真理论为基础,以某型迫击炮为例,设计 开发了火炮射击训练视景仿真系统。运行结果表明,该系统 操作使用简单、画面流畅,可以逼真的模拟迫击炮射击训练 的全过程,为火炮射击训练提供了一种科学、经济、安全、有 效的训练方法。 鉴于各种火炮射击训练模式 (下转第111页) 际情况可调,保证了控制的精度。 参考文献: [1] E Bruce Jackson.Flight Dynamic Model Exchange Using XML [J].NASA Langley Research Center,2005,20(5):212—239. 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