CN116168586A - 沉浸式地面运载装备模拟训练*** - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种沉浸式地面运载装备虚实模拟训练***，经济安全，训练场景逼真，软硬件技术先进可靠。能够通过下述技术方案实现：综合处理计算机相连网络交换机接收来自六自由度平台、导调计算机，训练评估计算机，遥控终端的交互信息，借助虚拟现实引擎Unity相关场景构建模块，共同组成以综合处理计算机为处理中枢，在同一网络中完成信息交互的地面运载装备虚实模拟训练***，协同各地面运载装备工作在一个训练场景中，将其映射至虚拟场景中，遥控终端通过有线或无线两种方式发送控制命令到车辆模拟器，通过六自由度平台的六个方向的运动完成驾驶过程中控制车辆的驾驶，远程遥控车辆模拟器，完成遥控驾驶训练。

Description

沉浸式地面运载装备模拟训练***

技术领域

本发明属于虚拟训练领域，具体涉及一种可不受场地时间限制，强化不同路段、不同天候下的驾驶操作技能，掌握特情处置技巧。可逐人制定训练方案、逐科目细化考核标准、全程量化评比，通过视景屏幕、AR眼镜开展沉浸式训练，迅速地掌握驾驶要领，锤炼过硬的驾驶技能，提升训练效益的虚实结合的沉浸式地面运载装备模拟训练仿真***。

背景技术

随着信息化技术的迅猛发展，现代作战科技水平越来越高，综合性越来越强，采取实地实装方式实施的战术训练，耗资越来越巨大，受训练条件限制，训练场地单一贫乏，受到空域限制等制约，与实战训练差距较大，实战演习危险性比较高，无法锤炼参训者临机处置能力的问题。实战训练耗资巨大、协调困难、演习筹备缓慢、训练场景不真实、训练过程不可精确控制、训练数据无法收集整理、单位时效不高，战术战损评估难、训练进程无法回放评估。而传统的教学模式无论是文档、视频甚至是实操培训的方式，学员接受信息往往有限，以往教学手段都不如让学员在临场环境下多次动手操作印象深刻。目前针对有“三高三难”(高投入、高损耗、高风险及难实施、难观摩、难再现)痛点的行业如传统工业、应急演练、军事装备的运行、操作、维修训练方式主要还是以样机、真机实操为主。然而实物装备模拟往往因相应设备更新换代快，同时使用量少会使得实物模拟造价十分昂贵。一套***也只能绑定一种型号或设备训练使用，无法实现多型号、设备训练在一套***内完成，只能进行较为单一的某种特定装备、难以开展常态化高效的教学认知和训练，课目的模拟训练无法组织完成大规模、多专业联合训练、推演。此外，很多特定环境下的教学训练采用传统方式也难以实现，如极端天气、特殊地形地貌、有毒有害化学环境、特殊应急环境、水上/下作业环境、突发破坏性设备故障等，这些往往是很多单位需要客观面对的环境与情况。

当前，虚拟现实、多媒体、云计算、人工智能、传感器、立体影像等多种新概念技术蓬勃发展，相关技术已逐渐融入到普通大众的生活领域。尤其在军事领域，各国军方长期投入大量的人力、物力，将虚拟相关技术引入训练和作战领域，借助虚拟和人工智能等技术，构建各类装备的虚拟和半实物模型，创建多种类真实的虚拟作战场景，采用虚实结合的方式，进行作战模拟训练。使得参训人员在实验室环境下，即可感受到实战氛围，给军队的训练带来了革命性的变化，有效提升部队的作战能力。

随着虚拟现实技术不断成熟和在各个领域成功应用，模拟训练在部队训练中起着愈加重要的作用，不仅仅是实战训练的补充，已作为一种必须的手段融入到作战训练中，现在已经实现将科技练兵应用至作战训练以及决策模拟可以使作战人员在低风险的前提下高效地完成实训。通过利用虚拟现实、动作捕捉和空间定位、计算机兵力仿真、半实物仿真装备、轻量化地物组件等前沿技术，建设可供作战队伍使用的沉浸式虚拟仿真***。将该***作为实兵现地驾驶训练的重要辅助手段，满足驾驶训练需求，从根本上解决场地单一、训练粗放的痼疾，从而提升作战队伍实际训练效益，推动战术教学训练实战化向更深层次发展。虚拟仿真***的运用不仅仅是场景演示，军事训练、作战仿真等都可以应用以达到理想的效果。使用VR技术使受训者在视觉和听觉上沉浸式体验作战场景。此外，还可建立虚拟教室使受训者处在相同的虚拟训练中，打破了时间空间的限制。官兵能够沉浸在不同的作战环境中开展训练，从而最大限度贴近实战，检验官兵的环境适应能力、心理承受能力、战场应变能力和战术协同能力。在信息技术快速发展的引领下，模拟训练可以提供与实装训练基本一致的客观体验和使用效果。相比传统的实装实兵训练方法，通过构建模拟虚拟训练***进行作战训练，基本不受地形、环境、气候等自然条件的限制，训练可以在安全可控的条件下进行，并且由于条件可设，训练次数可重复性高，训练节奏可调节性强，使用较低的成本就可以达到比较好的训练效果。

沉浸式模拟训练***在军用领域有着深入的应用，军用领域沉浸式模拟训练逐渐成为国内外模拟训练发展的主流方向。截至目前，在虚拟训练领域的典型应用有单兵模拟训练***如战机训练模拟器、虚拟环境模拟训练如“激光沙盘”虚拟现实***、陆军步兵训练***(DSTS)等。借助沉浸式训练***提升练兵实效，可实现主战装备模拟训练全覆盖。这些训练设备利用信息、光电、虚拟现实等技术，最大程度模拟真实训练场景。军事仿真在军事训练手段中是必不可少的一个环节，通过虚拟的大空间方案，沉浸式模拟训练***在民用领域有着良好的发展潜力，在医疗、体育训练、飞行驾驶、车辆驾驶、娱乐体验等领域，各类模拟训练设备有着良好的应用。车辆驾驶***构建高原山地、城市、丘陵三类作战环境，可实现多种路段、多种天候、多种场景下的驾驶模拟训练，涵盖了从险难路段到战地驾驶的全科目训练，多样化场景模拟。远程遥控驾驶***可利用通用无人车遥控终端进行远程操控，士兵在远距离手持遥控终端，通过有线或者无线连接的方式，进行车辆的行驶、转向等驾驶操作，同时可在终端查看车辆回传的状态，实时场景信息等，实现车辆无人化驾驶，人在回路的无人车操纵的训练目的。用在医学院教学使用的***通常由虚拟触觉医学教学课件、桌面级力反馈控制器、全息3D显示***等核心部分组成，该***可以利用VR、人机交互、力触觉技术等多种技术手段实现用户沉浸式体验，其交互台可以捕捉到用户手部在空间中的位置信息，用户直接用操控笔在空气中对眼前的全息图像进行交互。如选择、旋转、任意摆放和拼接物体等。可使手部实时操作与三维场景重叠，达到虚实结合，随时纠正使用者的操作手法。该***以教学知识认知学习、虚拟交互操作培训为核心价值，提供虚拟医学教学、操作训练、等整体解决方案。

一直以来，国内外都在致力于虚拟现实等技术的研究，加紧研发各种虚拟训练***，利用多种技术手段，提升模拟训练***的逼真度。所使用的虚拟士兵训练***是一个步兵全感觉虚拟***。国内现有模拟训练产品功能比较单一，且观感和体感不友好，对于场景的设计和功能操作的设计也达不到真实装备的操作感受，训练效果较差，需要结合实际应用，进行技术提升，才能满足用户实际需求。军事训练是提高实战能力的重要途径和抓手，也是最直接的军事斗争准备。一般训练可采用实兵训练(live)、虚拟模拟(virtualsimulation)及推演模拟3种训练方式。由于计算机生成推演模拟兵力和半实物仿真虚拟模拟兵力均存在于虚拟战场空间。将综合运用上述3种训练方式的训练称为虚实结合训练(LVC训练)。由于虚实结合训练是新的发展方向，国内外针对该类训练***的能力需求分析文献较少。目前，虚实结合训练***无权威定义。除了传统的安全保密和综合管理外，还包括基础支撑能力、通用业务能力和专用能力需求等。虚实结合训练时，受训指挥员指挥的兵力一部分为作战仿真***或半实物模拟器产生的虚拟兵力，一部分为实际兵力。近年来，我国面临的安全形势日益复杂，未来作战具有参战力量多元、战场空间多维和作战行动多样等特点，联合训练正成为发展趋势，并具有以下5类特点和需求。

1)训练规模扩大化：安全问题有同时爆发的可能，为有效应对这些问题，需常态化组织多军兵种大规模联合训练。但若采用纯实兵训练时，训练成本高、组织难度大、保障困难、安全风险高且对周边影响大，不宜常态化组织，需采取虚实兵结合的方式实施。

2)训练资源分布化：未来战争具有联合化和一体化的特点，需复用异地分布的各种训练资源，支持异地分布的多军兵种部队常态化组织联合训练。由于传统的集中式训练***无法满足要求，因此应利用异构分布式***综合集成技术，集成异地分布的真实指挥控制***、种作战仿真***、各类武器装备的半实物模拟训练***等，形成一体化训练环境，以支持异地分布式联合训练。

3)训练形式对抗化：对抗性训练是提高部队作战能力的有效手段，但专业蓝军部队数量有限，无法满足部队日常在驻地开展对抗性训练需要。需采用武器装备半实物模拟器及计算机仿真模拟等手段，模拟假想敌部队，以支持部队在其驻地根据需要组织常态化对抗性训练。

4)训练实施实战化：它是军事训练的基本要求，也是训练与实战达到一体化的重要保障。为此，需要构设近似实战训练环境，综合集成现役指挥控制***和武器装备，为受训人员提供近似实战的训练环境和手段。

5)训练内容超前化：随着军事科技的飞速发展，新式武器装备层出不穷且日新月异，因此，需要超前性训练。采用纯实兵训练时，无法利用现役实装有效模拟交战双方尚未服役武器装备的作战效能，难以有效支持超前性训练。HLA、TENA和DDS等技术在解决分布式信息***集成方面提出了很好的解决方案,目前国内外研究、使用的较多，相比较而言也各有优劣。TENA是美国军方支持的技术，虽然声称公开部分软件，但还存在一些壁垒。

目前，光学动作捕捉成为唯一种可以实现亚毫米级高精度VR多人同场景自由交互的技术。多人在虚拟现实技术特定的空间内，利用光学动作捕捉原理,识别跟踪物理运动的轨迹。实现基于动作捕捉***的大空间VR多人互动异地联机技术，在跨城市的环境下可以通过网路在同一个虚拟世界里见到对方，使得虚实完全同步。在多自由度控制***中，自由度最多为六自由度，并且六自由度运动控制难度最大，设备及***最复杂。

发明内容

本发明的发明目是针对现有技术存在的问题和不足之处，提出一种可以降低实训模拟成本、经济安全，训练场景逼真，软硬件技术先进可靠，能对训练数据进行有效的考核评估、智能化推荐训法，具有高度沉浸感，可在同一物理空间内模拟多个不同的训练场景和的新方案，为改进训练手段、创新训练模式提供技术支撑，以提升实战化训练水平。

本发明的上述目的可以通过下述技术方案予以实现：一种沉浸式地面运载装备虚实模拟训练***，包括：与立体声音箱、视景显示器和AR/VR眼镜进行场景交互的综合处理计算机，通过六自由度平台与综合处理计算机交互驾驶操作信息的驾驶操作部件，其特征在于：综合处理计算机连通分布部署的各类实兵实装、半实物模拟器和计算机仿真兵力资源池及训练资源池和训练基地，进行异地和异构训练资源的网络互连，网络交换机利用网线直连遥控终端，通过无线电台与相连遥控终端的AR眼镜组成一个局域网，综合处理计算机相连网络交换机接收来自六自由度平台、导调计算机，训练评估计算机，遥控终端的交互信息，选择OpenDDS作为数据分发服务DDS的基础开发平台，借助虚拟现实引擎Unity相关场景构建模块，在网络之间转发和转换数据，共同组成以综合处理计算机为处理中枢，在同一网络中完成信息交互的地面运载装备虚实模拟训练***，导调管理计算机设计任务想定，通过想定解析器解析想定数据，模拟训练过程的调度管控，综合处理计算机通过网络交换机收集六自由度平台车辆模拟器的姿态信息和驾驶操作信息，在任务开始时生成战场初始场景，合成战场综合态势信息，对参训者在物理环境中的操作动作进行跟踪与定位，多精细化驾驶训练人同场景的自由交互，共同参与操作同一个虚拟事件，共同感受，多人全身姿态动作交互与空间定位的紧密结合，协同各地面运载装备工作在一个训练场景中，将其映射至虚拟场景中，与力反馈设备进行触觉交互自导入3D通用数据格式进行虚拟碰撞检测，复用异地分布的各类训练资源，解算出目标在空间内的三维位置信息和动作姿态并实时推送到车辆模拟器视景显示部件，车辆模拟器结合半实物虚实模拟车辆驾驶的功能，在推送的场景中进行模拟训练，遥控终端利用无人车控制平台，通过有线或无线两种方式发送控制命令到车辆模拟器，通过六自由度平台的六个方向的运动完成驾驶过程中的摇晃、颠簸、、倾斜各类动作，控制车辆的驾驶，远程遥控车辆模拟器，完成遥控驾驶训练。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

本发明针对无法针对不同作战环境进行标准化评估和新兵培训的需要等问题，与立体声音箱、视景显示器和AR/VR眼镜进行场景交互的综合处理计算机，通过六自由度平台实现驾驶姿态模拟，通过数据线与综合处理计算机交互驾驶操作信息的驾驶操作部件，通过按需构建的导调管理计算机、综合处理计算机、车辆模拟器、遥控驾驶分***和训练评估计算机组成沉浸式地面运载装备虚实模拟训练***，运用虚拟现实技术模拟现实感强烈的虚拟场景，对训练者在物理环境中的操作动作进行跟踪与定位，并映射至虚拟场景中，改变了传统军事仿真训练中的非现实感，提高了军事模拟的参与者的视觉质量，带来前所未有的难忘沉浸体验感。而对各项动作进行反馈、判断与评估，并通过虚拟场景显示参训者对应操作及事件响应。将捕捉到的参训者动作数据和平台中存储的标准数据进行自动比对，明确训练者的动作误差。具有高度沉浸感，可在同一物理空间内模拟多个不同的训练场景。六自由度定位台采用六点支撑运动台面，6台伺服电动缸为运动平台提供六种运动方式，采用最新的技术将绝对编码器和缸体极限位置缓冲***结合，先进的伺服控制***使6个伺服缸按照设定轨迹运动。六自由度平台上下平台虎克铰接，保证***的位置精密度和运动平滑无间隙，虎克铰接及销轴的安全性，维护成本低。

本发明采用综合处理计算机相连网络交换机接收来自六自由度平台、车导调计算机，训练评估计算机，遥控终端的交互信息，共同组成以综合处理计算机为处理中枢的地面运载装备虚实模拟训练***，AR眼镜通过无线电台、遥控终端通过有线或无线两种方式加入模拟训练***局域网，在同一网络中完成信息交互，通过导调管理计算机完成模拟训练任务的场景选择、模式控制，模拟训练过程的调度管控及任务想定设计，进行战场态势演练进程控制等导调作业，实时监控训练过程，并根据训练进程和综合态势进行人工干预。通过虚拟交互，模拟车辆的驾驶，可以精确地重现交通工具在恶劣天气或者复杂路况下真切操作感受。为军事训练提供多样化的虚拟现实预实训应用，降低了常规训练损耗。并在在同一虚拟空间内进行交流，教官培训和演练，从而大大降低实训模拟成本、节省了开支，减少了损耗，提高了训练效果。在这样的虚拟环境下，各个参训队伍都参与到模拟现场处置中来，不受地域的限制。更具经济效益、更安全可靠通过虚拟仿真方案，能有效保障演习人员的生命安全，大大降低演习的时间与经济成本，能在短时间内可实现反复多次的训练，提高训练效率。

本发明采用六自由度承载平台、通用驾驶方向盘踏板等设备，设计了装备操控和状态显示软件，通过视景屏幕、AR眼镜等方式，给使用者提供姿态变化等类真实沉浸式的操作体验。一个多精细化驾驶训练人同场景的自由交互，共同参与操作同一个虚拟事件，共同感受。通过多人全身姿态动作交互与空间定位的紧密结合，使得训练项目逼真呈现在每一位体验者感官中，训练场景逼真，并且减少了现实中的危机发生率，有效的达到了军事训练的效果。士兵通过模拟驾驶平台，可不受场地时间限制，强化不同路段、不同天候下的驾驶操作技能，掌握特情处置技巧。在此基础上，逐人制定训练方案、逐科目细化考核标准、全程量化评比，激发士兵训练热情，使士兵更快更好地掌握驾驶要领，锤炼过硬的驾驶技能，提升训练效益。

发明结合军事科研、军事训练，通过模拟训练***在导调管理软件的控制，行训练任务、训练场景和训练模式的设置，及按照导调管理软件的设置生成初始训练场景，综合处理软件结合驾驶操作信息合成综合态势场景，解算出目标在空间内的三维位置信息和动作姿态并实时推送到视景显示部件，其软硬件技术先进可靠，能对训练数据进行有效的考核评估、智能化推荐训法，利用最实用的VR、人机交互、最真实力触觉技术等多种技术手段实现用户、最有效的军事仿真服务沉浸式体验，对后期训练方式有着重要性的意义。解决了传统军事推演和训练中的场地空间局限和无奈。

本发明采用模拟训练***在导调管理软件的控制下进行训练任务、训练场景和训练模式的设置，综合处理软件按照导调管理软件的设置生成初始训练场景，综合处理计算机连通分布部署的各类实兵实装、半实物模拟器和计算机仿真兵力资源池及训练资源池和训练基地，实现异地和异构训练资源的网络互连，在沉浸式模拟训练仿真***工作过程中，可与力反馈设备进行触觉交互自导入3D通用数据格式进行虚拟碰撞检测。可充分复用异地分布的各类训练资源，是提高训练效果、节省训练经费的有效途径。能有效保障演习人员的生命安全，大大降低演习的时间与经济成本。

本发明通过3D模型、图像、视频、声音等相关资源的导入，借助Unity相关场景构建模块，用户可以轻松实现对复杂虚拟世界的创建。本项目选择Unity3D软件作为虚拟显示开发平台，结合视景显示器、VR眼镜、驾驶操作部件和六自由度平台等设备实现在虚拟场景的真实驾驶感受。受训者可以体验不同的作战效果，进而像参加实战一样，锻炼和提高技战术水平、快速反应能力和心理承受力。用户可以通过虚拟现实引擎Unity轻松完成各种场景创意和三维互动开发，构成多维的、可感知的、可度量的、照片级逼真的虚拟战场环境，创作出精彩的场景和虚拟仿真内容。通过虚拟交互，模拟车辆的驾驶，可以精确地重现交通工具在恶劣天气或者复杂路况下真切操作感受。配合模拟器或佩戴VR眼镜，传感装置等方式，可创造完全沉浸于模拟作战环境进行装备训练仿真交互，从而提高作战素养，武器性能等方面。与过去传统的训练与推演相比，不必局限于天气、场地空间与费用等限制，优化了军事学习的效率和模式，改变了传统军事仿真训练中的非现实感，提高了军事模拟的参与者的视觉质量，带来前所未有的难忘沉浸体验感。通过模拟训练***可以进行更接近实战的考核评估。可以结合各类综合统计数据，对训练效能进行评判。

附图说明

图1是本发明沉浸式地面运载装备虚实模拟训练***的组成示意图；

图2是图1的工作流程图；

图3是车辆模拟器工作原理示意图。

图4是是六自由度运动平台示意图；

图5是图4的俯视图；

图6是六自由度平台数学模型在主视图；

图7是图6的俯视图；

图中：1顶板，2叉耳铰链台，3支杆，4铰接头，5圆柱盘。

具体实施方式

参阅图1。在以下描述的优选实施例中，一种沉浸式地面运载装备虚实模拟训练***，包括：与立体声音箱、视景显示器和AR/VR眼镜进行场景交互的综合处理计算机，通过六自由度平台实现驾驶姿态模拟，通过数据线与综合处理计算机交互驾驶操作信息的驾驶操作部件，其特征在于：综合处理计算机连通分布部署的半实物模拟器、计算机仿真兵力资源池及训练资源池和训练基地，进行异地和异构训练资源的网络互连，AR眼镜通过无线电台、遥控终端通过有线或无线两种方式加入模拟训练***局域网，综合处理计算机相连网络交换机接收来自六自由度平台、导调计算机，训练评估计算机，遥控终端的交互信息，选择OpenDDS作为数据分发服务DDS的基础开发平台，借助虚拟现实引擎Unity相关场景构建模块，在网络之间转发和转换数据，共同组成以综合处理计算机为处理中枢，在同一网络中完成信息交互的地面运载装备虚实模拟训练***，导调管理计算机设计任务想定，通过想定解析器解析想定数据，模拟训练过程的调度管控，综合处理计算机通过网络交换机收集六自由度平台车辆模拟器的姿态信息和驾驶操作信息，在任务开始时生成战场初始场景，合成战场综合态势信息，对参训者在物理环境中的操作动作进行跟踪与定位，多精细化驾驶训练人同场景的自由交互，共同参与操作同一个虚拟事件，共同感受，多人全身姿态动作交互与空间定位的紧密结合，协同各地面运载装备工作在一个训练场景中，将其映射至虚拟场景中，复用异地分布的各类训练资源，解算出目标在空间内的三维位置信息和动作姿态并实时推送到车辆模拟器视景显示部件，车辆模拟器结合半实物虚实模拟车辆驾驶的功能，在推送的场景中进行模拟训练，遥控终端通过有线或无线两种方式发送控制命令到车辆模拟器，通过六自由度平台的六个方向的运动完成驾驶过程中的摇晃、颠簸、、倾斜各类动作，控制车辆的驾驶，远程遥控车辆模拟器，完成遥控驾驶训练。

运行在便携式遥控终端的遥控驾驶软件包括，视频显示模块，状态信息显示模块，控制指令发送模块，视频显示模块视频显示区域显示当前的模拟场景；状态信息显示模块状态信息显示区域主要显示车辆的状态信息等，控制指令发送模块控制指令区域涵盖了遥控终端可以发送给车辆模拟器的所有命令，命令采用UDP通信协议发送。

遥控驾驶软件采用乌班图(Ubuntu)桌面操作***，结合图形开发工具QT进行开发，以OpenDDS体系结构为手段和其他分***进行信息互联，在视景显示器场景的基础上，在VR眼镜中再进行虚拟内容的叠加，结合驾驶操作部件进行模拟训练，对模拟驾驶的场景进行处理和显示。

综合处理机按需构建统一的训练资源注册、发布机制与实时准确的信息交互机制、训练资源的标准数据定义和交互接口、通用的模型算法进行虚实训练空间的坐标转换，按需设置训练想定、装备参数、裁决规则和评估标准模板数据，形成面向任务灵活组装实际训练和仿真模拟资源，以及训练导调和裁决评估工具。

综合处理计算机是模拟训练***的处理中枢，用来生成初始作战场景，由于***中场景生成和姿态解算部分都在此分***完成，所以对计算机性能要求较高，软件需要运行在高性能计算机上，以Windows10操作***为基础运行平台。综合处理计算机以Windows操作***为基础运行平台，采用VisualStudio开发环境，使用C#编程语言，结合Unity3D引擎进行三维场景的生成和姿态解算部分，以OpenDDS体系结构为手段和其他分***进行信息互联接，利用收车辆模拟器的状态信息，形成综合态势后向各视景显示器和AR/VR眼镜推送，促进各分***在统一场景下协同工作，

参阅图2。导调计算机运行导调管理软件，包括：与导调管理并行传输的训练任务设置模块、按需灵活设置的训练场景设置模块、训练模式模块、训练运行控制模块和运行状态监控模块，训练任务设置模块对车辆行动路线和行动区域进行训练任务设置，训练场景设置模块在训练前对地理和气象场景进行设置，训练模式模块对车辆行动路线和行动区域目的地驾驶、区域巡逻和自由驾驶进行设置，训练运行控制模块对训练的启动、暂停、结束等进行控制，运行状态监控模块对训练场景中的车辆状态运行状态监控显示；训练任务设置模块通过分布式体系结构，把车辆状态实时速度、实时爬坡角、实时位置信息发送到导调管理计算机，训练模式模块选择本机控制训练场景在车上进行实际操作驾驶、遥控控制或无人驾驶，在场景中进行自主驾驶。训练场景设置模块支持山地、城市和丘陵场景。

在任务开始后，导调管理计算机按照导调管理软件，将训练任务，训练场景、训练模式传输到综合处理软件生成初始场景，训练想定进行实时导调干预和空间坐标解算，按照导调管理软件的场景处理与推送功能要求进行三维地理环境、气候环境和装备模型的准备；综合处理计算机运行综合处理软件，利用软件内置初始场景生成模块生成初始场景，利用收集状态信息模块收集模拟器状态和操作状态，并推送合成场景模块收集驾驶部件回传的操作信息和六自由度平台回传的车体状态信息，整合状态收集信息形成综合态势，并与具体场景位置进行信息整合，完成车辆姿态迭代解算，各部分信息综合解算后，生成场景综合态势，并推送合成场景到车辆模拟***进行车辆模拟操作训练、遥控训练，通过六自由度平台的六个方向的运动完成驾驶过程中的摇晃、颠簸、倾斜等各类动作，向各视景显示器和AR/VR眼镜推送，结合分布式体系架构，在工作在同一场景中进行同步信息交互，完成车辆姿态迭代解算，驾驶部件通过数据线发送到综合处理软件，反馈至场景推送回到训练场景，重新开始，返回上一级收集状态信息，并推送到视景显示器和AR/VR眼镜，视景显示器状态显示。

车辆模拟***在综合处理计算机、综合处理软件的控制下，按照导调管理软件的设置生成初始训练场景，结合驾驶操作信息合成综合态势场景，解算出目标在空间内的三维位置信息和动作姿态并实时推送到视景显示部件，同时将车辆姿态信息高频率发送给车辆模拟器进行相同姿态运动，把驾驶操作部件、六自由度平台、运输车驾驶舱和视景显示部件的状态信息实时反馈给综合处理软件形成动作指令，经过交互迭代处理，完成全过程作战模拟训练。

车辆模拟***结合车辆操作训练状态变化信息和遥控训练场景变化信息，将形成的综合态势送入训练评估软件，训练评估软件在导调管理软件启动训练进程后，数据采集与存储模块收集整个训练过程中车辆的实时速度、实时位置和车身碰撞次数的数据信息，数据整合模块整合收集驾驶部件回传的操作信息和六自由度平台回传的车体状态信息，并与具体场景位置进行信息整合，数据查看与管理模块按照分类把信息存储到数据库中，评估分析模块利用存储的数据按照指标评估体系对训练效果进行评估分析，对存储的数据进行分析计算，完成车辆姿态迭代解算，以图像形式对速度曲线图、行车路线图和碰撞次数统计图的训练效果进行评估，数据查看模块在训练任务结束后，对存储模块存储的数据进行显示查看，并对各类数据进行分类管理；数据回放模块根据辆模拟器传输的训练数据进行数据回放，以此循环迭代，完成全套驾驶训练流程数据查看。

遥控驾驶分***通过有线或者无线的方式与车辆模拟器进行信息互联，在遥控终端界面操作发送控制指令到综合处理计算机，综合处理计算机通过平台控制柜，驱动六自由度平台，模拟器进行相应的动作展现，同时向遥控终端回传车辆的状态信息和实时场景信息，在遥控终端界面可以实时查看视频显示和车辆信息。

远程遥控车辆模拟器，利用遥控终端通过有线或无线两种方式发送控制命令到车辆模拟器，控制车辆的驾驶，完成遥控驾驶训练，有线遥控方式的控制命令可直接通过交换机下达到综合处理计算机；无线方式为利用无线通信***进行远程操控，背负式电台和车载式电台遥控驾驶软件组成控制指令下发、状态信息回传和虚拟场景推的送无线通信***。

训练评估计算机和运行在训练评估计算机上的训练评估软件，在训练过程中件实时收集、记录运行信息，收集模拟训练过程中各项数据，按照建立的评估指标体系，在训练结束后根据用户选择按类别和时间等形式对数据进行显示和处理，依据记录的信息对训练全过程进行记录、数据查看、显示和统计，根据评估规则对参训人员和参训装备的训练效果进行评估，模拟驾驶模拟训练***训练效果验证，对训练效果进行数据化评估，在训练结束后根据用户选择按类别和时间等形式对状态信息存储，数据存入到信息数据库中进行显示和处理。

训练评估软件包括，数据采集与与整合模块、数据查看与管理模块和评估分析模块，数据采集与存储模块在训练过程中收集车辆的实时速度、实时位置和车身碰撞次数，并存入到数据库中；数据查看与管理模块在训练任务结束后，对存储模块存储的数据进行显示查看，并对各类数据进行分类管理；评估分析模块则对存储的数据进行分析计算，以图像形式对速度曲线图、行车路线图和碰撞次数统计图的训练效果进行评估。

训练评估软件在导调管理软件启动训练进程后，收集整个训练过程中的数据信息，按照分类把信息存储到数据库中，在训练任务结束后，根据需要对数据进行查看，利用存储的数据按照指标评估体系对训练效果进行评估分析。平台各部件之间通过高强度螺栓联接紧固，保证连接强度。场景处理与推送模块通过六自由度平台的六个方向的运动完成驾驶过程中的摇晃、颠簸、倾斜等各类动作；在任务进行时，状态收集与整合模块收集驾驶部件回传的操作信息和六自由度平台回传的车体状态信息，并与具体场景位置进行信息整合，完成车辆姿态迭代解算；

遥控驾驶分***由遥控终端、背负式电台和车载式电台组成，遥控终端放置在定制机柜第三层，工作时抽出使用，背负式电台由参训人员背在身上与遥控终端相连接，车载式电台安装在车体原发动机位置上方。遥控终端采用机械按键、摇杆和平板触摸屏“软按键”相结合的方式进行设计。是具有无人车基本驾驶和操控显示功能的便携式人机接口设备，满足担任操作任务的需求。遥控驾驶分***负责实现远程遥控车辆模拟器的功能，使士兵具备无人车远程操控能力。

参阅图3。车辆模拟器根据视景显示器显示的场景，进行操作驾驶，控制六自由度平台的驾驶动作，通过网络连接网络交换机和综合处理计算机、遥控终端、导调管理计算机、训练评估计算机组合在一起完成信息交互，通过视景显示器观察融合了车辆姿态的综合态势信息，根据综合态势信息控制六自由度平台，修正驾驶姿态，以此循环迭代，完成驾驶训练流程。

车辆模拟器通过安装在车辆驾驶位的驾驶操作部件和固定在车体前窗的视景显示部件组成安装固定在六自由度平台上的6×6物资运输车驾驶舱，车辆模拟器根据综合态势信息，利用驾驶解算***顺次串联的D/A转换卡，通过控制器、电机传动机构产生操纵力，通过并行相连的D/A转换卡送入驾驶解算***，实时观察整个虚拟场景状的实时变化，修正驾驶方向。

参阅图4-图7。六自由度平台采用六个电动缸，上、下各六只万向铰链和上、下两个平台，通过顶端上的叉耳铰链2交联顶板1定制上平台，通过底端上的铰接头4相连圆柱盘5，带动上平台，圆柱盘5对支杆3实现六个杆长控制，上平台在空间(α，β，γ，X，Y，Z)六个自由度的运动，模拟出各种空间运动姿态，实现平台垂荡、纵荡、横荡平移和纵摇、横摇和偏航旋转功能，从而可以模形成空间运动转换的六自由度平台数学模型，整个运动模型如下：

行程L(i)＝TT(a,β,γ,X,Y,Z)，由此实时算出每一运动时刻的行程，通过D/A接口的转换，给出实际行程值。其中，TT是一个空间转换矩阵模型。

六自由度平台数学模型利用六自由度控制软件接收到综合处理软件发来的驾驶操作信息，初始状态上、下铰点高度差，获取上铰点分布圆半径R_p、下铰点分布圆半径R_β、下铰点分布角θ_β、上铰点分布角θ_p5个结构参数，控制六自由度平台的运行，在时间段上连续捕捉特征点形成空间数据流特征点的运动轨，迹复现车辆姿态，确定空间时间点中的任意-个点在x、y、z三轴坐标空间中的位置，结合地形数据和舱体行驶数据经过解算之后，得出上平台各个自由度特征点俯仰、横滚、偏航数据的角度的动作数据及特征点的运动轨迹，根据这些数据平台控制柜控制平台的运动，精准完成各类驾驶动作和全过程作战仿真模拟训练。

六自由度平台数学模型根据上平台输入模块偏航角、横摇角、纵摇角、X轴平移量、Y轴平移量、Z轴平移量实现坐标变换算法数学模型，坐标变换算法数学模型根据下平台的几何尺寸求得下平台各铰点的坐标，根据上平台的几何尺寸求得上平台各铰点在动坐标系OX^，Y，Z，，下静坐标系OXYZ的绝对坐标(a，b，c)和各杆的杆长，根据平台平移量和旋转量求解各支撑杆长度的运动学反解，按空间坐标变换原理旋转变换矩阵后得到各绞点的坐标数据，当动坐标系移动到绝对坐标(a，b，c)，及绕固定坐标系X、Y、Z轴分别旋转时，根据上平台平移量和旋转量求得变换矩阵H：

其中：S为正弦，C为余弦,α为偏航角、β为横摇角、γ为纵摇角。

视景显示部件包括：用于接收来自综合处理计算机推送过来的场景信息的视景显示器、接收和显示来自综合处理计算机的场景的VR眼镜和AR眼镜，其中VR眼镜用于副驾驶员佩戴并结合操控手柄完成一些选择、瞄准、射击等任务。

六自由度平台采用六个电动缸5对支杆3实现六个杆长控制，通过顶端上的叉耳铰链2交联顶板1定制上平台，通过底端上的铰接头4相连圆柱盘5，带动上平台，实现平台垂荡、纵荡、横荡平移和纵摇、横摇和偏航旋转功能，形成六自由度平台数学模型。

六自由度平台数学模型利用六自由度控制软件接收到综合处理软件发来的驾驶操作信息，初始状态上、下铰点高度差，获取上铰点分布圆半径R_p、下铰点分布圆半径R_β、下铰点分布角θ_β、上铰点分布角θ_p5个结构参数，控制六自由度平台的运行，在时间段上连续捕捉特征点形成空间数据流特征点的运动轨，迹复现车辆姿态，确定空间时间点中的任意-个点在x、y、z三轴坐标空间中的位置，结合地形数据和舱体行驶数据经过解算之后，得出上平台各个自由度特征点俯仰、横滚、偏航数据的角度的动作数据及特征点的运动轨迹，根据这些数据平台控制柜控制平台的运动，精准完成各类驾驶动作和全过程作战仿真模拟训练。

通过以上的解算就可以精准控制六自由度平台的运动，实现驾驶过程中的体感模拟。

车辆模拟器采用半实物虚实结合的方式模拟车辆驾驶的功能，模拟过程中车辆在地形之中的姿态数据以报文形式实时发送到综合处理计算机进行姿态解算，综合态势形成模块在各部分信息综合解算后，生成战场综合态势，结合分布式体系架构，使得各设备可以在工作在同一场景并能同步信息交互；综合处理计算机在场景处理与推送模块推送的场景中进行模拟训练。

在一台AR眼镜由主驾驶员佩戴，另一台AR眼镜用于遥控驾驶模式时，操作人员进行佩戴进行场景显示。模拟过程中接收车辆驾驶操作部件等人机交互输入的数据，与综合处理软件生成的虚拟场景无缝融合，训练过程中人、模拟器、外部环境、外部装备之间数据交互迭代解算，将解算后的信息发送到六自由度平台控制软件，进而实现六自由度平台完成驾驶动作，达到与实装操作一致、体验效果一致的目的。

遥控终端充分考虑人机工程学相关设计原则，多处进行人性化的细节设计。主机重量约为1.68kg，最大外形尺寸为340mm×165mm×72mm，主体部分采用镁铝合金材料，为密封式设计。遥控终端正面顶部右侧设有开关机按键，左侧设有急停按键，下侧设有6个备份功能键，中间设计有前置摄像头，左右侧设有2个拇指摇杆并分别设有一个钮子开关。左侧拇指摇杆控制转向，右侧拇指摇杆控制进退。左侧纽子开关为遥控使能开关，右侧钮子开关为档位开关。遥控终端顶部设有7个航插接口，用于外部电源供电和网络、USB通讯等。设有Wifi天线1个。整机内部小型固定件选用镁合金；按键帽采用PC塑料，按键内部叠层选用硅胶。

以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体实施方式对本发明进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种沉浸式地面运载装备虚实模拟训练***，包括：与立体声音箱、视景显示器和AR/VR眼镜进行场景交互的综合处理计算机，通过六自由度平台实现驾驶姿态模拟，通过数据线与综合处理计算机交互驾驶操作信息的驾驶操作部件，其特征在于：综合处理计算机连通分布部署的半实物模拟器、计算机仿真兵力资源池及训练资源池和训练基地，进行异地和异构训练资源的网络互连，AR眼镜通过无线电台、遥控终端通过有线或无线两种方式加入模拟训练***局域网，综合处理计算机相连网络交换机接收来自六自由度平台、导调计算机，训练评估计算机，遥控终端的交互信息，选择OpenDDS作为数据分发服务DDS的基础开发平台，借助虚拟现实引擎Unity相关场景构建模块，在网络之间转发和转换数据，共同组成以综合处理计算机为处理中枢，在同一网络中完成信息交互的地面运载装备虚实模拟训练***，导调管理计算机设计任务想定，模拟训练过程的调度管控，综合处理计算机通过网络交换机收集六自由度平台车辆模拟器的姿态信息和驾驶操作信息，在任务开始时生成战场初始场景，合成战场综合态势信息，对参训者在物理环境中的操作动作进行跟踪与定位，多精细化驾驶训练人同场景的自由交互，共同参与操作同一个虚拟事件，共同感受，多人全身姿态动作交互与空间定位的紧密结合，协同各地面运载装备工作在一个训练场景中，将其映射至虚拟场景中，复用异地分布的各类训练资源，解算出目标在空间内的三维位置信息和动作姿态并实时推送到车辆模拟器视景显示部件，车辆模拟器结合半实物虚实模拟车辆驾驶的功能，在推送的场景中进行模拟训练，遥控终端通过有线或无线两种方式发送控制命令到车辆模拟器，通过六自由度平台的六个方向的运动完成驾驶过程中的摇晃、颠簸、、倾斜各类动作，控制车辆的驾驶，远程遥控车辆模拟器，完成遥控驾驶训练。

2.如权利要求1所述的沉浸式地面运载装备虚实模拟训练***，其特征在于：运行在便携式遥控终端的遥控驾驶软件包括，视频显示模块，状态信息显示模块，控制指令发送模块，视频显示模块视频显示区域显示当前的模拟场景；状态信息显示模块状态信息显示区域主要显示车辆的状态信息等，控制指令发送模块控制指令区域涵盖了遥控终端发送给车辆模拟器的所有命令，命令采用UDP通信协议发送；遥控驾驶软件，采用乌班图(Ubuntu)桌面操作***，结合图形开发工具QT进行开发，以OpenDDS体系结构为手段和其他分***进行信息互联，在视景显示器场景的基础上，在VR眼镜中再进行虚拟内容的叠加，结合驾驶操作部件进行模拟训练，对模拟驾驶的场景进行处理和显示。

3.如权利要求1所述的沉浸式地面运载装备虚实模拟训练***，其特征在于：在任务开始后，导调管理计算机按照导调管理软件，将训练任务，训练场景、训练模式传输到综合处理软件生成初始场景，训练想定进行实时导调干预和空间坐标解算，按照导调管理软件的场景处理与推送功能要求进行三维地理环境、气候环境和装备模型的准备；综合处理计算机运行综合处理软件，利用软件内置初始场景生成模块生成初始场景，利用收集状态信息模块收集模拟器状态和操作状态，并推送合成场景模块收集驾驶部件回传的操作信息和六自由度平台回传的车体状态信息，整合状态收集信息形成综合态势，并与具体场景位置进行信息整合，完成车辆姿态迭代解算，各部分信息综合解算后，生成场景综合态势，并推送合成场景到车辆模拟***进行车辆模拟操作训练、遥控训练，通过六自由度平台的六个方向的运动完成驾驶过程中的摇晃、颠簸、倾斜等各类动作，向各视景显示器和AR/VR眼镜推送，结合分布式体系架构，在工作在同一场景中进行同步信息交互，完成车辆姿态迭代解算，驾驶部件通过数据线发送到综合处理软件，反馈至场景推送回到训练场景，重新开始，返回上一级收集状态信息，并推送到视景显示器和AR/VR眼镜，视景显示器状态显示。

4.如权利要求1所述的沉浸式地面运载装备虚实模拟训练***，其特征在于：车辆模拟***在综合处理计算机、综合处理软件的控制下，按照导调管理软件的设置生成初始训练场景，结合驾驶操作信息合成综合态势场景，解算出目标在空间内的三维位置信息和动作姿态并实时推送到视景显示部件，同时将车辆姿态信息高频率发送给车辆模拟器进行相同姿态运动，把驾驶操作部件、六自由度平台、运输车驾驶舱和视景显示部件的状态信息实时反馈给综合处理软件形成动作指令，经过交互迭代处理，完成全过程作战模拟训练。

5.如权利要求1所述的沉浸式地面运载装备虚实模拟训练***，其特征在于：车辆模拟***结合车辆操作训练状态变化信息和遥控训练场景变化信息，将形成的综合态势送入训练评估软件，训练评估软件在导调管理软件启动训练进程后，数据采集与存储模块收集整个训练过程中车辆的实时速度、实时位置和车身碰撞次数的数据信息，数据整合模块整合收集驾驶部件回传的操作信息和六自由度平台回传的车体状态信息，并与具体场景位置进行信息整合，数据查看与管理模块按照分类把信息存储到数据库中，评估分析模块利用存储的数据按照指标评估体系对训练效果进行评估分析，对存储的数据进行分析计算，完成车辆姿态迭代解算，以图像形式对速度曲线图、行车路线图和碰撞次数统计图的训练效果进行评估，数据查看模块在训练任务结束后，对存储模块存储的数据进行显示查看，并对各类数据进行分类管理；数据回放模块根据辆模拟器传输的训练数据进行数据回放，以此循环迭代，完成全套驾驶训练流程数据查看。

6.如权利要求1所述的沉浸式地面运载装备虚实模拟训练***，其特征在于：车辆模拟器采用六自由度控制软件对场景初始化，根据视景显示器场景显示驾驶操作，控制六自由度平台的驾驶动作，通过网络连接网络交换机和电台、遥控终端、导调管理计算机、训练评估计算机组合在一起完成信息交互，进行场景初始化后，通过视景显示器将场景显示驾驶操作发送到综合处理计算机，融合车辆姿态信息，将融合车辆姿态信息送入六自由度平台控制软件，然后将座舱呈现真实驾驶感受反馈至视景显示器。

7.如权利要求1所述的沉浸式地面运载装备虚实模拟训练***，其特征在于：车辆模拟器通过安装在车辆驾驶位的驾驶操作部件和固定在车体前窗的视景显示部件组成安装固定在六自由度平台上的6×6物资运输车驾驶舱，车辆模拟器根据综合态势信息，利用驾驶解算***顺次串联的D/A转换卡，通过控制器、电机传动机构产生操纵力，通过并行相连的D/A转换卡送入驾驶解算***，实时观察整个虚拟场景状的实时变化，修正驾驶方向。

8.如权利要求7所述的沉浸式地面运载装备虚实模拟训练***，其特征在于：六自由度平台采用六个电动缸，上、下各六只万向铰链和上、下两个平台，通过顶端上的叉耳铰链(2)交联顶板(1)定制上平台，通过底端上的铰接头(4)相连圆柱盘(5)，带动上平台，圆柱盘(5)对支杆(3)实现六个杆长控制，上平台在空间(α，β，γ，X，Y，Z)六个自由度的运动，模拟出各种空间运动姿态，实现平台垂荡、纵荡、横荡平移和纵摇、横摇和偏航旋转功能，从而可以模形成空间运动转换的六自由度平台数学模型，整个运动模型如下：

行程L(i)＝TT(a,β,γ,X,Y,Z)，由此实时算出每一运动时刻的行程，通过D/A接口的转换，给出实际行程值,其中，TT是一个空间转换矩阵模型。

9.如权利要求8所述的沉浸式地面运载装备虚实模拟训练***，其特征在于：六自由度平台数学模型利用六自由度控制软件接收到综合处理软件发来的驾驶操作信息，初始状态上、下铰点高度差，获取上铰点分布圆半径R_p、下铰点分布圆半径R_β、下铰点分布角θ_β、上铰点分布角θ_p5个结构参数，控制六自由度平台的运行，在时间段上连续捕捉特征点形成空间数据流特征点的运动轨，迹复现车辆姿态，确定空间时间点中的任意-个点在x、y、z三轴坐标空间中的位置，结合地形数据和舱体行驶数据经过解算之后，得出上平台各个自由度特征点俯仰、横滚、偏航数据的角度的动作数据及特征点的运动轨迹，根据这些数据平台控制柜控制平台的运动，精准完成各类驾驶动作和全过程作战仿真模拟训练。

10.如权利要求9所述的沉浸式地面运载装备虚实模拟训练***，其特征在于：六自由度平台数学模型根据上平台输入模块偏航角、横摇角、纵摇角、X轴平移量、Y轴平移量、Z轴平移量实现坐标变换算法数学模型，坐标变换算法数学模型根据下平台的几何尺寸求得下平台各铰点的坐标，根据上平台的几何尺寸求得上平台各铰点在动坐标系OX^，Y，Z^，，下静坐标系OXYZ的绝对坐标(a，b，c)和各杆的杆长，根据平台平移量和旋转量求解各支撑杆长度的运动学反解，按空间坐标变换原理旋转变换矩阵后得到各绞点的坐标数据，当动坐标系移动到绝对坐标(a，b，c)，及绕固定坐标系X、Y、Z轴分别旋转时，根据上平台平移量和旋转量求得变换矩阵H：

其中：S为正弦，C为余弦,α为偏航角、β为横摇角、γ为纵摇角。

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