一种榴弹发射虚拟训练平台及训练方法与流程

本发明涉及战术动作训练领域，尤其涉及一种榴弹发射虚拟训练平台及训练方法。
背景技术：
：榴弹发射器是一种以枪炮原理发射小型榴弹的武器。与其它轻武器相比，榴弹发射器兼具了射程远、杀伤范围广等特点，在现代战场中具有重要作用。我国自主研制的某型号榴弹发射器由于其优异的性能与可靠性，在国内外军贸市场上取得了令人瞩目的口碑和反响。该型号榴弹发射器可选轻型和重型两种状态的发射器，可配备多种瞄准镜，用于打击600米内敌工事射击孔或建筑物门窗，杀伤敌内部据守有生目标和2200米内有生目标，毁伤800米内敌轻型装甲类器材目标；此外还可发射空炸弹，杀伤暴露和隐蔽的敌有生目标。榴弹发射器的实际使用效果在很大程度上依赖于士兵的日常操作训练，包括射击训练、拆装训练、故障处理与维护训练等。其中，最为关键的项目是射击训练。由于榴弹发射器与弹药成本相对高昂，射击训练对训练场所和条件要求相对较高，且易受环境等其它客观因素影响，榴弹发射器的射击训练存在一定程度的局限性。而模拟训练则相对安全经济，过程可控，可多次重复，不受气候条件和场地空间限制，能够实现常规操作训练和复杂环境下的操作训练，并且训练效率较高，因此得到了各国军方的高度重视。现有的模拟训练系统普遍采用大屏幕投影，基于光学的运动追踪器进行训练，虽然取得了一定的训练效果，但是仍然缺乏交互式操作与沉浸式体验，较大地限制了训练内容，训练仿真程度与训练效果有待改进。此外，现有的仿真训练系统普遍缺乏射击后坐力和声响，与真实射击环境存在较大差异。综上，针对现有仿真训练系统的缺点，基于虚拟现实技术，提出一种榴弹发射器虚拟训练专家系统，对于提升战术动作训练水平及保障训练安全性具有非常重要的现实意义。技术实现要素：本发明克服了现有技术的不足，提供一种榴弹发射虚拟训练平台及训练方法。该方法该系统包括发射器模组、瞄准镜模组、头戴式交互模组、姿态监测模组等设备，具有多种训练模式与效果评价等功能，可以为学员提供沉浸式、交互式的完整训练体验。为实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：一种榴弹发射虚拟训练平台，包括训练位、路由器模组和服务器模组；其中，路由器模组用于构建局域网络；服务器模组提供计算、存储功能；训练位为操作者提供独立的训练区域，每个训练位可容纳一名操作者进行训练，训练位接入路由器模组所构建的局域网与服务器模组建立网络连接。进一步地，训练位的配置相同，每个训练位包括发射器模组、瞄准镜模组、交互模组和姿态监测模组；在每个训练位中，发射器模组用于模拟训练中提供虚拟弹发射功能；瞄准镜模组提供模拟校准瞄准镜过程的功能；瞄准镜模组安装在发射器模组上；交互模组用于提供信息交互通道；姿态监测模组用于提供身体姿态、弹道监测的功能；每个训练位的发射器模组、瞄准镜模组、交互模组和姿态监测模组接入局域网络中，与服务器模组建立网络连接。进一步地，n个训练位包含的发射器模组具有相同的结构，在j=1,2,...,n中第j发射器模组包括第j发射器本体装置、第j电磁制动装置、第j底座装置；其中，第j发射器本体装置，可以为第j瞄准镜模组及第j电磁制动装置提供搭载平台，第j发射器本体装置内有通讯器件，可以与路由器模组建立网络连接。搭载方式为卡槽连接。第j电磁制动装置包括铁芯、弹簧、通电线圈、冲击头和击发器，用于提供模拟榴弹发射时的后坐力。第j底座装置包含构件，第j两脚架或第j三脚架。进一步地，训练位包含的瞄准镜模组具有相同的结构，在j=1,2,...,n中第j瞄准镜模组包括第j透镜本体装置、第j角度传感装置；其中，第j透镜本体装置内有通讯器件，可以与路由器模组建立网络连接；第j角度传感装置安装于第j透镜本体装置上，设计有反馈电路，可以为第j交互模组提供的虚拟瞄准镜校准数据。进一步地，训练位包含的交互模组具有相同的结构，在j=1,2,...,n中第j交互模组采用可穿戴式设计，包括第j显示器、第j传感器装置，其中，第j显示器为使用者提供虚拟训练环境，第j显示器中的通讯装置与路由器模组建立网络连接；第j传感器装置为第j姿态监测模组提供位姿信息。进一步地，训练位包含的姿态监测模组具有相同的结构，在j=1,2,...,n中第j姿态监测模组采用激光扫描定位技术获取位姿信息，第j姿态监测模组设置有第一激光发射器和第二激光发射器，激光发射器间隔距离布置，用于在水平和垂直方向进行定位。间隔距离为2.5米。在第j发射器模组、第j瞄准镜模组、第j交互模组表面均设有光敏传感器，为第j姿态监测模组的测量提供基础。进一步地，服务器模组设计有硬件装置、软件系统；其中，硬件装置选用现有服务器产品，可以为软件系统提供运行平台。服务器模组包含的软件系统设计有通信子系统、虚拟现实子系统、计算与控制子系统、训练管理数据库子系统，其中，通信子系统用于对局域网络建立数据通道；虚拟现实子系统通过通讯子系统向j=1,2,...,n中第j交互模组传输虚拟场景数据；计算与控制子系统用于分析操作者姿态和虚拟弹发射结果并输出评价结果；训练管理数据库子系统用于储存训练过程及评价结果信息。进一步地，服务器模组包含的虚拟现实子系统包括背景虚拟模块、爆炸虚拟模块、环境气候特征模块、音效虚拟模块、瞄准镜使用虚拟模块、目标虚拟模块，背景虚拟模块用于模拟包括发射器在内的真实训练中环境图像；爆炸虚拟模块用于模拟真实训练中不同类型榴弹爆炸时的影像；环境气候特征模块用于模拟真实训练时的气候特征；音效虚拟模块用于模拟各类型榴弹爆炸时的音效以及环境气候特征音效；瞄准镜使用虚拟模块用于提供辅助射击功能；目标虚拟模块用于模拟虚拟敌人目标。背景虚拟模块可模拟的背景环境包括平原模式、山地模式、碉堡模式和战壕模式。爆炸虚拟模块可模拟的榴弹种类包括杀伤榴弹模式、燃烧榴弹模式、高爆榴弹模式、破甲榴弹发烟榴弹模式、照明榴弹模式、训练榴弹模式和可编程榴弹模式；环境气候特征模块可模拟的气候特征包括春天模式、夏天模式、秋天模式、冬天模式以及不同气候组合下的复杂天气情况。目标虚拟模块可模拟的目标类型包括定点靶模式和移动靶模式。进一步地，服务器模组包含的计算机控制子系统包括位姿就算模块、弹道计算模块、综合评价模块；位姿计算模块用于监测佩戴者训练过程中位姿特征参数，其中可测得的位姿特征参数包括佩戴者持发射器时的脚间距、臂距以及与j=1,2,...,n中相应的第j发射器模组的相对距离；弹道计算模块用于计算弹道飞行轨迹特征参数曲线，并分析出沿此曲线最终对目标的命中数据结果；综合评价模块用于记录综合分析位姿特征参数、飞行轨迹特征参数、命中率的信息。服务器模组包含的训练管理数据库子系统用于存储虚拟现实子系统的数据以及综合评价模块的数据；对注册认证用户开放数据下载、数据管理通道。还包括一种榴弹发射虚拟训练方法，基于榴弹发射虚拟训练平台，按如下步骤进行：s1：选取教练和n名学员参与训练模式；s2：n个学员中任一第n学员进入对应的第n训练位，第n学员在第n训练位对应的设备包括：第j发射器模组、第j瞄准镜模组、第j交互模组、第j姿态监测模组，其中j=1,2,...,n；s3：教练p0启动榴弹发射虚拟训练平台；教练定义训练模式；s4：n个学员中任一第n学员组装第j发射器模组和第j瞄准镜模组；s5：n个学员中任一第n学员佩戴第j交互模组；s6：n个学员中任一第n学员，假设其被分配在第i组，基于第j交互模组上显示的第i训练场景，在第j底座装置的第j两脚架、第j三脚架两个选项中任选其一，并根据第j定点靶模式给出的目标所在位置距离，调整第j瞄准镜模组上的第j角度传感装置；s7：得到教练p0口头下达的发射指令后，n个学员中任一第n学员基于第j发射器模组发射；并观察第j交互模组中同步显示的榴弹发射、飞行轨迹、爆炸这一过程动态影像；s8：训练结束；n个学员中任一第n学员可在服务器模组注册登陆指定的学员账号，下载近期的训练报告，从中学习并改进射击姿态，教练可以在服务器模组上登陆指定教练账号，对背景环境数据、榴弹种类数据、气候特征数据进行更新；并对软件系统中的数据评价算法进行修正。进一步地，在步骤s3中，训练模式包含m种训练场景，第1~m训练场景中的第i个训练场景需要指定如下内容：背景虚拟模块可模拟的任一背景环境、爆炸虚拟模块可模拟的任一榴弹种类；环境气候特征模块可模拟的任一气候特征；目标虚拟模块可模拟的任一目标类型，教练p0将n名学员分为m个组，指定第i组学员按照第i训练场景进行训练，i=1,2,...,m。训练方法基于虚拟训练平台，训练模式灵活，不受时间和场地限制；通过构建子弹飞行模型，精确度量了环境因素对训练结果的影响，使得对受训者战术能力评估更为科学；提供了沉浸式体验，在保证训练效果的同时，基本避免了传统训练方法存在的危险性。与现有技术相比，本发明的优点在于：首先，训练模式灵活，不受时间和场地限制，由于采用虚拟发射方法，相比传统的实弹训练而言，系统不需要专用场地，可依托室内进行，对室内环境无特殊要求，解决实弹训练的场地问题，训练成本大幅度降低。其次，及时反馈训练报告，优势与不足一目了然；构建子弹飞行模型，仿真度高，本发明通过综合计算环境参数模拟子弹飞行过程，更加精确的计算子弹飞行误差，判断是否有环境因数的影响，对是否击中目标的评估更加科学。再次，沉浸式体验，与一般虚拟训练平台相比，视觉、听觉、触觉方面大幅度改善，并且采取的是模拟器材，不会因为装备使用问题造成不必要的人身危险。附图说明图1为本发明提供的一种榴弹发射虚拟训练平台构成图。图2为本发明提供的一种榴弹发射虚拟训练平台姿态监测示意图。图3为一种榴弹发射虚拟训练平台软件系统原理图。图4为背景虚拟模块结构图。图5为爆炸虚拟模块结构图。图6为环境气候特征模块结构图。图7为目标虚拟模块结构图。附图标记：10、训练平台；n、训练位；15、路由器模组；16、服务器模组；j1、发射器模组；j2、瞄准镜模组；j3、交互模组；j4、姿态监测模组；j11、发射器本体装置；j12、电磁制动装置；j13、底座装置；j131、两脚架；j132、三脚架；j21、透镜本体装置；j22、角度传感装置；j31、显示器；j32、传感器装置；j41、第一激光发射器；j42、第二激光发射器；161、硬件装置；162、软件系统；31、通信子系统；32、虚拟现实子系统；33、计算与控制子系统；34、训练管理数据库子系统；320、默认选项；321、背景虚拟模块；322、爆炸虚拟模块；323、环境气候特征模块；324、音效虚拟模块；325、瞄准镜使用虚拟模块；326、目标虚拟模块；3211、平原模式；3212、山地模式；3213、碉堡模式；3214、战壕模式；3221、杀伤榴弹模式；3222、燃烧榴弹模式；3223、高爆榴弹模式；3224、破甲榴弹发烟榴弹模式；3225、照明榴弹模式；3226、训练榴弹模式；3227、可编程榴弹模式；3231、春天模式；3232、夏天模式；3233、秋天模式；3234、冬天模式；3235、复杂天气情况；3261、定点靶模式；3262、移动靶模式；331、位姿计算模块；332、弹道计算模块；333、综合评价模块。具体实施方式下面结合实施例，对本发明作进一步的描述，但不构成对本发明的任何限制，任何在本发明权利要求范围所做的有限次的修改，仍在本发明的权利要求范围内。如图1所示，本发明提供的一种榴弹发射虚拟训练平台10包括：9个训练位01~09，记为训练位n、1个路由器模组15、1个服务器模组16。路由器模组15用于构建局域网络；服务器模组16提供计算、存储功能。训练位01~09的配置相同，以训练位n为例，其配置有发射器模组j1、瞄准镜模组j2、交互模组j3、姿态监测模组j4，瞄准镜模组j2安装在发射器模组j1上；发射器模组j1用于模拟训练中提供虚拟弹发射功能；瞄准镜模组j2模拟校准瞄准镜过程功能；交互模组j3提供信息交互通道；姿态监测模组j4提供身体姿态、弹道监测功能，其中n表示训练位的序号，n=1,2,...,9。训练位01~09为操作者提供独立的训练区域，每个训练位可容纳一名操作者进行训练。发射器模组11~91(即j1，j=1,2,...,9)、瞄准镜模组12~92（即j2，j=1,2,...,9）、交互模组13~93（即j3，j=1,2,...,9）和姿态监测模组14~94（即j4，j=1,2,...,9）接入路由器模组15所构建的局域网，与服务器模组16建立网络连接。发射器模组11~91具有相同的结构，在j=1,2,...,9中任一发射器模组j1包括发射器本体装置j11、电磁制动装置j12、底座装置j13。其中，发射器本体装置j11设计有卡槽为瞄准镜模组j2及电磁制动装置j12提供搭载平台，发射器本体装置j11内有通讯器件与路由器模组15建立网络连接；电磁制动装置j12设计有铁芯、弹簧、通电线圈、冲击头、击发器，用于提供模拟榴弹发射时的后坐力；底座装置j13包含两个可选构件：两脚架j131和三脚架j132。瞄准镜模组12~92具有相同的结构，其中在j=1,2,...,9中任一瞄准镜模组j2包括透镜本体装置j21、角度传感装置j22。其中，透镜本体装置j21内有通讯器件与路由器模组15建立网络连接；角度传感装置j22安装于透镜本体装置j21上，设计有反馈电路，为交互模组j3提供的虚拟瞄准镜校准数据。交互模组13~93具有相同的结构，其中在j=1,2,...,9中任一交互模组j3采用可穿戴式设计，包括显示器j31、传感器装置j32。其中，显示器j31采用htc公司的vive头戴式显示器，为使用者提供虚拟训练环境，显示器j31中的通讯装置与路由器模组15建立网络连接；传感器装置j32为姿态监测模组j4提供位姿信息。姿态监测模组14~94具有相同的结构，其中在j=1,2,...,9中任一姿态监测模组j4采用激光扫描定位技术获取位姿信息。所述的姿态监测模组j4设置有第一激光发射器j41和第二激光发射器j42，第一激光发射器j41和第二激光发射器j42以间距为2.5米布置，如图2所示，用于在水平和垂直方向进行定位。在发射器模组j1、瞄准镜模组j2、交互模组j3表面均设有10个光敏传感器，为姿态监测模组j4的测量提供基础。服务器模组16设计有硬件装置161、软件系统162。其中，硬件装置161选用现有的服务器联想-st2581型的产品，为软件系统162提供运行平台。软件系统162如图3所示，设计有通信子系统31、虚拟现实子系统32、计算与控制子系统33、训练管理数据库子系统34。其中，通信子系统31用于对已构建的局域网络建立数据通道；虚拟现实子系统32通过通讯子系统31向交互模组j3传输虚拟场景数据；计算与控制子系统33用于分析操作者姿态和虚拟弹发射结果并输出评价结果；训练管理数据库子系统34用于储存训练过程及评价结果信息。虚拟现实子系统32包括背景虚拟模块321、爆炸虚拟模块322、环境气候特征模块323、音效虚拟模块324、瞄准镜使用虚拟模块325、目标虚拟模块326。背景虚拟模块321用于模拟包括发射器在内的真实训练中环境图像；爆炸虚拟模块322用于模拟真实训练中不同类型榴弹爆炸时的影像；环境气候特征模块323用于模拟真实训练时的气候特征；音效虚拟模块324用于模拟各类型榴弹爆炸时的音效以及环境气候特征音效；瞄准镜使用虚拟模块325用于提供辅助射击功能；目标虚拟模块326用于模拟虚拟敌人目标。默认选项320为虚拟现实子系统32的默认值。如图4-7所示，背景虚拟模块321可模拟的背景环境包括平原模式3211、山地模式3212、碉堡模式3213、战壕模式3214；爆炸虚拟模块322可模拟的榴弹种类包括杀伤榴弹模式3221、燃烧榴弹模式3222、高爆榴弹模式3223、破甲榴弹发烟榴弹模式3224、照明榴弹模式3225、训练榴弹模式3226、可编程榴弹模式3227；环境气候特征模块323可模拟的气候特征包括春天模式3231、夏天模式3232、秋天模式3233、冬天模式3234以及不同气候组合下的复杂天气情况3235；目标虚拟模块326可模拟的目标类型包括定点靶模式3261、移动靶模式3262。默认选项320为虚拟现实子系统32的默认值，具体的，背景虚拟为平原模式3211、爆炸虚拟为杀伤榴弹模式3221、气候虚拟为春天模式3231、目标虚拟为定点靶模式3261。所述计算机控制子系统33包括位姿计算模块331、弹道计算模块332、综合评价模块333。位姿计算模块331用于监测佩戴者训练过程中位姿特征参数，其中可测得的位姿特征参数包括佩戴者持发射器时的脚间距、臂距以及与发射器模组j1的相对距离；弹道计算模块332用于计算弹道飞行轨迹特征参数曲线并分析出沿此曲线最终对目标的命中数据结果。综合评价模块333用于记录综合分析位姿特征参数、飞行轨迹特征参数、命中率的信息。训练管理数据库子系统34用于存储虚拟现实子系统32的数据以及综合评价模块333数据；对注册认证用户开放数据下载、数据管理通道。本实施例进一步提供一种榴弹发射虚拟训练方法，本实施例基于训练平台10按如下步骤进行：s1：选取1名教练p0和9名学员p1~p9参与训练模式m1。s2：学员p1~p9分别进入各自的训练位01~09，学员p1~p9与训练位01~09之间及其所配置的发射器模组11~91、瞄准镜模组12~92、交互模组13~93、姿态监测模组14~94之间的关系如表1所列。表1学员p1p2p3p4p5p6p7p8p9训练位010203040506070809发射器模组112131415161718191瞄准镜模组122232425262728292交互模组132333435363738393姿态监测模组142434445464748494训练场景m11m11m11m11m12m12m12m12m12s3：教练p0启动训练平台10；教练定义训练模式m1。训练模式m1包含训练场景m11、训练场景m12。训练场景m11是指夏天模式3232、山地模式3212、燃烧榴弹定点靶模式3222、射击定点靶模式3261，训练场景m12是指秋天模式3233、碉堡模式3213、高爆榴弹模式3223、射击定点靶模式3261。教练p0指定学员p1~p4按训练场景m11执行，学员p5~p9按训练场景m12执行。s4：所述学员p1~p9中任一学员pj组装发射器模组j1和瞄准镜模组j2。s5：所述学员p1~p9中任一学员pj佩戴交互模组j3。s6：所述学员p1~p9中任一学员pj基于所述交互模组j3上显示的训练模式场景（m11或m12，如表1所列），在底座装置j13的两脚架j131、三脚架j132两个选项中任选其一，并根据定点靶模式3261给出的目标所在位置距离，调整瞄准镜模组j2上的角度传感装置122~922。s7：得到教练p0口头下达的发射指令后，所述学员p1~p9中任一学员pj基于发射器模组j1发射；并观察交互模组j3中同步显示的榴弹发射、飞行轨迹、爆炸这一过程动态影像。s8：训练结束。学员p1~p9中任一学员pj可在服务器16注册登陆指定的学员账号，下载近5次的训练报告，从中学习并改进射击姿态。教练p0可以在服务器模组16上登陆指定教练账号，对背景环境数据、榴弹种类数据、气候特征数据进行更新；并对软件系统162中的数据评价算法进行修正。从所述实施例中可以发现，采用本发明提出的榴弹发射虚拟训练平台及训练方法具有如下三个优点：1）训练模式灵活，不受时间和场地限制；由于采用虚拟发射方法，相比传统的实弹训练而言，系统不需要专用场地，可依托室内进行，对室内环境无特殊要求，解决实弹训练的场地问题，训练成本大幅度降低。2）及时反馈训练报告，优势与不足一目了然；构建子弹飞行模型，仿真度高，本发明通过综合计算环境参数模拟子弹飞行过程，更加精确的计算子弹飞行误差，判断是否有环境因数的影响，对是否击中目标的评估更加科学。3）沉浸式体验，与一般虚拟训练平台相比，视觉、听觉、触觉方面大幅度改善。并且采取的是模拟器材，不会因为装备使用问题造成不必要的人身危险。当前第1页12