CN108766092A - 一种多自由度动态综合坦克自动装填系统射击模拟器及其方法 - Google Patents

Abstract

一种多自由度动态综合坦克自动装填系统射击模拟器，包括：底盘；装弹操纵台，其可旋转支撑在所述底盘上；炮长操纵台，其设置在所述底盘上方，位于所述装弹操纵台后方；车长操纵台，其设置在所述底盘上方，位于所述装弹操纵台另一侧；信号模拟系统，其设置在所述炮长操纵台后方，用于对炮长射击操控部件中的射击操作信号进行采集与处理，并与视景计算机实时进行信息交互；视景计算机，其为嵌入式视景计算机，用于射击训练时的视景仿真和信号控制；控制中心，其设置在所述炮长操纵台后方，用于教官指挥和控制模拟器，还公开了一种多自由度动态综合坦克自动装填系统射击模拟方法。

Description

一种多自由度动态综合坦克自动装填系统射击模拟器及其 方法

技术领域

本发明涉及坦克模拟射击领域，更确切地说，本发明涉及一种多自由度动态综合坦克自动装填系统射击模拟器和一种多自由度动态综合坦克自动装填系统射击模拟方法。

背景技术

近年来，坦克模拟训练因其经济性、安全性、可重复性而备受各国军队的关注。利用坦克模拟器进行装甲部队的训练，不仅可以提高部队的训练质量和效率，而且可以节省训练经费，延长装备的使用寿命，对于提高部队战斗力也起到了十分重要的作用。随着国际形式的变化，装甲部队训练质量和效率要求越来越高，这样对坦克模拟器的仿真度提出了更高的要求，随着信息化时代的来临，已涌现出大量以微机为核心的信息处理与控制过程相结合的使用系统。目前模拟器多在静止模式下进行，且结构简单，训练效果差。

发明内容

本发明设计开发了一种多自由度动态综合坦克自动装填系统射击模拟器，通过数学模型仿真坦克装弹射击过程，并能够推测命中概率，提高坦克乘员对坦克射击的熟练程度。

本发明还设计了一种多自由度动态综合坦克自动装填系统射击模拟方法，建立三维场景模拟炮弹发射过程，并计算命中概率，为学员发射训练进行打分，模拟度高，训练效果好。

一种多自由度动态综合坦克自动装填系统射击模拟器，包括：

底盘；

装弹操纵台，其可旋转支撑在所述底盘上；

炮长操纵台，其设置在所述底盘上方，位于所述装弹操纵台后方；

车长操纵台，其设置在所述底盘上方，位于所述装弹操纵台另一侧；

信号模拟系统，其设置在所述炮长操纵台后方，用于对炮长射击操控部件中的射击操作信号进行采集与处理，并与视景计算机实时进行信息交互；

视景计算机，其为嵌入式视景计算机，用于射击训练时的视景仿真和信号控制；

控制中心，其设置在所述炮长操纵台后方，用于教官指挥和控制模拟器。

优选的是，所述底盘包括：

上舱板；

下底板，其与所述上舱板平行设置；

中心柱，其为伸缩柱，所述中心柱一端设置在所述下底板中心位置，另一端连接所述上舱板，所述上舱板能够绕所述中心柱旋转；

多个支撑柱，其为弹性伸缩柱，所述支撑柱一端固定连接所述下底板，另一端能够支撑所述上舱板。

一种多自由度动态综合坦克自动装填系统射击模拟方法，包括：

步骤一、调用场景数据，根据坦克的真实驾驶图，进行三维建模，动态仿真驾驶场景显示在视景计算机上，调用打击目标数据，将打击目标导入驾驶场景中；

步骤二、调用炮弹数据，并根据炮弹出射位置、角度和初速度模拟炮弹运行轨迹；

步骤三、根据炮弹运行轨迹计算命中概率，并结合所述场景数据得到炮弹在场景中的运动；

步骤四，将所述命中概率与阈值比较，得到射击分数。

优选的是，所述步骤一中的三维建模采用双目投影模型建立。

优选的是，在三维坐标系下，炮弹运行方程为：

其中，M表示炮弹质量，x,y,z表示炮弹所在的空间位置，v_x,v_y,v_z分别表示炮弹的平移速度在x,y,z方向上的分量，θ为轨迹角，表示炮弹速递方向与xz平面成角，为方位角，表示炮弹速度在xz平面上投影与z轴正方向成角，α为倾斜角，是F_L力与其在xz平面上的分量所成角度，R表示炮弹所受空气阻力，F_L表示炮弹旋转所受侧向作用力，G表示炮弹所受重力；

其中，D为炮弹直径，ω为炮弹旋转角速度，ρ为空气密度，v为空气相对于炮弹的流速；

其中，C_D为与炮弹集合形状相关的阻力系数，ρ为空气密度，A为炮弹的横截面积，

根据炮弹发射时的初始位置S(x,y,z)，平移速度V₀，旋转角速度ω以及运动初始轨迹角θ₀、方位角和倾侧角α₀带入炮弹运行方程得到炮弹的运行轨迹，由此可知炮弹运动的最大水平位移，最大高度和横向偏折，可以在虚拟场景中绘制出炮弹的运动轨迹。

优选的是，所述步骤三中命中概率计算公式为：

其中，S_k(x_k,y_k,0)为炮弹落点位置坐标，B_k(x_e,y_e,0)为打击目标位置坐标,B_a为方向偏差，B_e为位置偏差，l为炮弹射伤半径，Δx为位置偏差系数，Δy为位置偏差，ρ为空气密度，φ为修正系数。

优选的是，所述步骤四中分数计算公式为：

λ＝9.27[2.08ln(P-0.8)][0.02P²+0.9P+0.1]

其中，λ为分数，P为命中概率。

优选的是，还包括：当时，给出坦克射击的修正偏角，其计算公式为：

其中，l_s炮弹运动的最大水平位移，h为炮弹运行的最大高度。

本发明的有益效果

本发明设计开发了一种多自由度动态综合坦克自动装填系统射击模拟器，通过数学模型仿真坦克装弹射击过程，并能够推测命中概率，提高坦克乘员对坦克射击的熟练程度利用虚拟模型进行实验和操作，具有经济、安全可靠、试验周期短的特点。

本发明还设计了一种多自由度动态综合坦克自动装填系统射击模拟方法，建立三维场景模拟炮弹发射过程，并计算命中概率，为学员发射训练进行打分，模拟度高，训练效果好。

附图说明

图1为本发明所述的多自由度动态综合坦克自动装填系统射击模拟器的结构示意图。

图2为本发明所述的车长操控台的结构示意图。

图3为本发明所述的车长操纵台的结构示意图。

图4为本发明所述的炮长操纵台的结构示意图。

图5为本发明所述的坦克射击模拟器底盘的结构示意图。

图6为本发明所述的自由度动态综合坦克射击模拟方法流程图。

图7为本发明所述的三维坐标系下炮弹角度关系图。

图8为本发明所述的炮弹运行轨迹仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1所示，本发明提供的自由度动态综合坦克射击模拟器，包括：底盘110、装弹操纵台120、炮长操纵台140、车长操纵台130和控制中心160。

如图5所示，底盘110，包括：上舱板111和平行设置的下底板112，上舱板111和下底板112通过中心柱113连接，中心柱113为伸缩柱，一端设置在下底板112中心位置，另一端连接上舱板111，上舱板能够绕中心柱113旋转；多个支撑柱114为弹性伸缩柱，支撑柱一端固定连接下底板112，另一端能够支撑上舱板111，底盘110能够仿真坦克动态运动过程，通过调整中心柱113的高度，配合调整支撑柱的伸缩高度，可以调整底盘的倾斜角度，能够对坦克的动作进行模拟，如坦克的颠簸，打炮后作，侧滑和炮塔旋转等动作。装弹操纵台120可旋转支撑在底盘110上；车长操纵台130设置在底盘110上方，位于装弹操纵台另120一侧，包括车长控制台131和通讯台132位于车长控制台131上方壳体上，炮长操纵台140设置在底盘110上方，位于装弹操纵台120后方；信号模拟系统，其设置在炮长操纵台后方，用于对炮长射击操控部件中的射击操作信号进行采集与处理，并与视景计算机实时进行信息交互；视景计算机，其为嵌入式视景计算机，用于射击训练时的视景仿真和信号控制；控制中心160设置在所述炮长操纵台后方，用于教官指挥和控制模拟器。

如图2-4所示，底盘部分根据旋转输弹机大小设计,底盘直径190cm。舱壁高137.4cm，直径190cm，炮塔座圈宽24.5cm，其上部镂空，以放置装弹操纵台、火控计算机、左右配电盒、计算机显示屏，上半部分距顶部74cm。其下为密封结构，在车长右后侧，炮手左后侧分别设置一个出口，以便练习人员进出，下半部分距离底盘高63.4cm，出口宽一人距离即可。外壳前部根据实车外观设计，以便逼真，外壳前部全长230cm，宽120cm，最前沿距地面高95cm，前侧机枪口宽8.5cm。身管全长2.25米。舱体后侧为故障设置台，用于考官设置故障，具体大小根据实际确定。嵌入式视景计算机,显示屏为24寸计算机触摸式显示屏。放置在车长正前方，距车长直线距离为100cm。

炮长操纵台140位于位于装弹操纵台120后方，正对炮长直线距离为37cm，处于左配电盒左侧下方，距离炮长操纵台48cm，距离炮塔座圈高5cm。左配电盒位于火控计算机上方右侧，正对炮长直线距离为50cm，距离炮塔座圈30cm。两者分别固定于空心铁板上。

右配电盒位于车长正右侧，正对车长直线距离为35cm，距离车体前沿30cm，距离炮塔座圈高5cm，装弹操纵台位于车长前方右侧，距离炮塔座圈高40cm，两者相对位置为右配电盒距离装弹操纵台右边缘为5.2cm，低于装弹操纵台下边缘15cm。

炮长操纵台140位于炮长正前方，距离炮长19cm，距离高低机20cm，距离底盘52cm，距离其正左方侧壁52cm，高低机位于炮长操纵台下方，炮手前侧下方，距离炮长25cm，距离底盘30cm，两者可焊接在炮尾上。

炮闩122位于车长和炮手之间，炮身正后方，距离底盘高87cm，距炮手一侧的侧壁73cm，距炮手33cm，抛壳机构框架位于炮闩正后方，距离闩体36cm，应有3个位置：最下位，装填角位置，最上位，距离底盘尺寸一次为35cm，49cm，59cm，距离车长直接距离为15cm，距离车长一侧的侧壁64cm。

车长座距离底盘中心32cm，距离底盘高25cm，防危板在车长座左侧，可前后移动。

提升机位于抛壳机构框架正后方，车长左后方，正对车长距离为40cm，距侧壁30cm，整体长27cm，高92cm，手动转换拉臂、手传动握把置于提升机右侧壁上。

旋转传感器位于底盘上，距底盘中心15cm，距离车长座25cm，手动解脱闭锁拉臂位于底盘上，距离底盘中心65cm，正对车长35cm，旋转输弹机拉臂位于底盘上，正对车长35cm，手动解脱拉臂与输弹机拉臂之间距离为30cm。

控制中心160为长方体形状，贴在半实物平台外侧。由于联动开关较多，内部线路较复杂，无法实现小型化，只能做成操控台形式，给内部结构充足空间

如图6所示，一种多自由度动态综合坦克自动装填系统射击模拟方法，

包括：

步骤S110、调用场景数据，根据坦克的真实驾驶图，进行三维建模，动态仿真驾驶场景显示在视景计算机上，调用打击目标数据，将打击目标导入驾驶场景中；作为一种优选，三维建模采用双目投影模型建立。

如图6-7步骤S120、调用炮弹数据，并根据炮弹出射位置、角度和初速度模拟炮弹运行轨迹；在三维坐标系下，炮弹运行方程为：

其中，M表示炮弹质量，x,y,z表示炮弹所在的空间位置，v_x,v_y,v_z分别表示炮弹的平移速度在x,y,z方向上的分量，θ为轨迹角，表示炮弹速递方向与xz平面成角，为方位角，表示炮弹速度在xz平面上投影与z轴正方向成角，α为倾斜角，是F_L力与其在xz平面上的分量所成角度，R表示炮弹所受空气阻力，F_L表示炮弹旋转所受侧向作用力，G表示炮弹所受重力；

其中，D为炮弹直径，ω为炮弹旋转角速度，ρ为空气密度，v为空气相对于炮弹的流速；

其中，C_D为与炮弹集合形状相关的阻力系数，ρ为空气密度，A为炮弹的横截面积，

如图8所示，根据炮弹发射时的初始位置S(x,y,z)，平移速度V₀，旋转角速度ω以及运动初始轨迹角θ₀、方位角和倾侧角α₀带入炮弹运行方程得到炮弹的运行轨迹，由此可知炮弹运动的最大水平位移，最大高度和横向偏折，可以在虚拟场景中绘制出炮弹的运动轨迹.

步骤S130、根据炮弹运行轨迹计算命中概率，并结合所述场景数据得到炮弹在场景中的运动；命中概率计算公式为：

其中，S_k(x_k,y_k,0)为炮弹落点位置坐标，B_k(x_e,y_e,0)为打击目标位置坐标,B_a为方向偏差，B_e为位置偏差，l为炮弹射伤半径，Δx为位置偏差系数，为0.356，Δy为位置偏差系数，数值为0.213，ρ为空气密度，φ为修正系数，数值为0.21。

步骤S140，将所述命中概率与阈值比较，得到射击分数,分数计算公式为：

λ＝9.27[2.08ln(P-0.8)][0.02P²+0.9P+0.1]

其中，λ为分数，P为命中概率。

步骤S150，还包括：当时，给出坦克射击的修正偏角，其计算公式为：

其中，l_s炮弹运动的最大水平位移，h为炮弹运行的最大高度，数值为根据测试学员成绩的平均数获得，一般为学院平均成绩分数的75％。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (8)

1.一种多自由度动态综合坦克自动装填系统射击模拟器，其特征在于，包括：

底盘；

装弹操纵台，其可旋转支撑在所述底盘上；

炮长操纵台，其设置在所述底盘上方，位于所述装弹操纵台后方；

车长操纵台，其设置在所述底盘上方，位于所述装弹操纵台另一侧；

信号模拟系统，其设置在所述炮长操纵台后方，用于对炮长射击操控部件中的射击操作信号进行采集与处理，并与视景计算机实时进行信息交互；

视景计算机，其为嵌入式视景计算机，用于射击训练时的视景仿真和信号控制；

控制中心，其设置在所述炮长操纵台后方，用于教官指挥和控制模拟器。

2.根据权利要求1所述的多自由度动态综合坦克自动装填系统射击模拟器，其特征在于，所述底盘包括：

上舱板；

下底板，其与所述上舱板平行设置；

中心柱，其为伸缩柱，所述中心柱一端设置在所述下底板中心位置，另一端连接所述上舱板，所述上舱板能够绕所述中心柱旋转；

多个支撑柱，其为弹性伸缩柱，所述支撑柱一端固定连接所述下底板，另一端能够支撑所述上舱板。

3.一种多自由度动态综合坦克自动装填系统射击模拟方法，其特征在于，包括：

步骤一、调用场景数据，根据坦克的真实驾驶图，进行三维建模，动态仿真驾驶场景显示在视景计算机上，调用打击目标数据，将打击目标导入驾驶场景中；

步骤二、调用炮弹数据，并根据炮弹出射位置、角度和初速度模拟炮弹运行轨迹；

步骤三、根据炮弹运行轨迹计算命中概率，并结合所述场景数据得到炮弹在场景中的运动；

步骤四，将所述命中概率与阈值比较，得到射击分数。

4.根据权利要求3所述的多自由度动态综合坦克自动装填系统射击模拟方法，其特征在于，所述步骤一中的三维建模采用双目投影模型建立。

5.根据权利要求3所述的多自由度动态综合坦克自动装填系统射击模拟方法，其特征在于，在三维坐标系下，炮弹运行方程为：

其中，M表示炮弹质量，x,y,z表示炮弹所在的空间位置，v_x,v_y,v_z分别表示炮弹的平移速度在x,y,z方向上的分量，θ为轨迹角，表示炮弹速递方向与xz平面成角，为方位角，表示炮弹速度在xz平面上投影与z轴正方向成角，α为倾斜角，是F_L力与其在xz平面上的分量所成角度，R表示炮弹所受空气阻力，F_L表示炮弹旋转所受侧向作用力，G表示炮弹所受重力；

其中，D为炮弹直径，ω为炮弹旋转角速度，ρ为空气密度，v为空气相对于炮弹的流速；

其中，C_D为与炮弹集合形状相关的阻力系数，ρ为空气密度，A为炮弹的横截面积，

根据炮弹发射时的初始位置S(x,y,z)，平移速度V₀，旋转角速度ω以及运动初始轨迹角θ₀、方位角和倾侧角α₀带入炮弹运行方程得到炮弹的运行轨迹，由此可知炮弹运动的最大水平位移，最大高度和横向偏折，可以在虚拟场景中绘制出炮弹的运动轨迹。

6.根据权利要求5所述的多自由度动态综合坦克自动装填系统射击模拟方法，其特征在于，所述步骤三中命中概率计算公式为：

其中，S_k(x_k,y_k,0)为炮弹落点位置坐标，B_k(x_e,y_e,0)为打击目标位置坐标,B_a为方向偏差，B_e为位置偏差，l为炮弹射伤半径，Δx为位置偏差系数，Δy为位置偏差系数，ρ为空气密度，φ为修正系数。

7.根据权利要求6所述的多自由度动态综合坦克自动装填系统射击模拟方法，其特征在于，所述步骤四中分数计算公式为：

λ＝9.27[2.08ln(P-0.8)][0.02P²+0.9P+0.1]

其中，λ为分数，P为命中概率。

8.根据权利要求5-7中任一项所述的多自由度动态综合坦克自动装填系统射击模拟方法，其特征在于，还包括：当时，给出坦克射击的修正偏角，其计算公式为：

其中，l_s炮弹运动的最大水平位移，h为炮弹运行的最大高度。