CN112632750A

CN112632750A - 虚拟战场环境不同要素相互耦合的仿真建模方法及系统

Info

Publication number: CN112632750A
Application number: CN202011382782.1A
Authority: CN
Inventors: 王奎; 高甜容; 周艳艳; 张福林; 郭鹏飞; 杜文; 赵森; 宋小标; 江文辉; 姚长江; 李莹; 郁健; 韩勇
Original assignee: North Information Control Institute Group Co ltd
Current assignee: North Information Control Institute Group Co ltd
Priority date: 2020-12-01
Filing date: 2020-12-01
Publication date: 2021-04-09
Anticipated expiration: 2040-12-01
Also published as: CN112632750B

Abstract

本发明公开了一种虚拟战场环境不同要素相互耦合的仿真建模方法及系统，首先在虚拟地理环境中构建地表含水量数学模型，根据虚拟地理环境中不同地表分别设置干圆锥指数、湿圆锥指数；再根据不同地表含水量的不同，构建地表含水量与地面圆锥指数数学模型；根据装备类型的不同，设置仿真装备圆锥指数；最后将将装备在虚拟战场环境中的不同地表、气象条件下的速度变化关系，将虚拟战场环境中的虚拟气象、虚拟地理环境、仿真装备三部分构造成相互耦合的统一整体，提高了虚拟战场仿真的逼真性。

Description

虚拟战场环境不同要素相互耦合的仿真建模方法及系统

技术领域

本发明属于虚拟战场仿真技术领域，特别是一种虚拟战场环境不同要素相互耦合的仿真建模方法及系统。

背景技术

随着计算机技术的发展，利用计算机网络模拟战场环境进行对抗已越来越受到各国军方的关注。虚拟战场环境的逼真度，不仅强调构成要素的完整性，同时还强调不同要素间的关联性。保证高逼真的虚拟战场环境的同时构建仿真装备、虚拟气象环境、虚拟地理环境之间的动态的影响关系，是虚拟战场环境仿真研究过程的一项重要工作。

目前虚拟战场环境的构建通过拍照及材质库贴图进行处理得到纹理数据，数据采集完成后进行初步处理，去掉不正确的和冗余的数据，进行数据转换和裁剪，把纹理图片转换为Creator软件支持的RGBA文件；最后利用Creator软件建立相关模型构建虚拟地理环境；虚拟气象环境通过采集仿真对象区域的气象数据，并在虚拟仿真引擎中进行视觉效果的渲染；仿真装备，通过设计图纸和真实装备的实体外观，进行3DMax创建；因此，气象、仿真模型、虚拟地形三者之间是独立制作的，并没有考虑三者之间的耦合影响关系，在统一的虚拟战场环境中，会带来气象无法改变地表、无法影响仿真装备战术机动等虚拟战场环境仿真逼真度不高的问题。

构建虚拟气象仿真环境、虚拟地理环境、仿真装备组成的虚拟战场环境，用于战术的仿真对抗训练，关键问题在于如何实现三个相互独立的要素之间可以相互关联，可以实现与实际战场条件相一致气象、土质对不同装备的战术影响关系。此外，同一地表随着雨水、积雪融化的时间增长，地表会变得松软，装备通过性会逐渐变差，并且履带装备的机动优势会逐渐显现；随着阳光的照射，地表会变得坚硬，轮式装备的高速特性会逐渐显现，不应该单一的定义何种装备机动性强，同时也不能因为地表变化，突然使装备速度变化，而没有过度性。此问题的解决事关虚拟环境构建是否逼真，装备机动方案的选择是否有训练意义，气象的干扰要素能否实现对战斗的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种虚拟战场环境不同要素相互耦合的仿真建模方法及系统，将虚拟战场环境中的虚拟气象、虚拟地理环境、仿真装备三部分构造成相互耦合的统一整体，以提高虚拟战场仿真的逼真性。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种虚拟战场环境不同要素相互耦合的仿真建模方法，包括以下步骤：

步骤1、由虚拟地理环境构建地面含水量数学模型；

步骤2、虚拟地理环境根据不同的地表土质特性分别设置干圆锥指数与湿圆锥指数；

步骤3、虚拟地理环境根据不同地表含水量，构建地面圆锥指数数学模型；

步骤4、完成虚拟气象环境到虚拟地理环境的映射关系数学模型；

步骤5、设置车辆圆锥指数；

步骤6、按照车辆在不同地表通过性的可通过性，构建虚拟地理环境到虚拟作战装备的映射关系数学模型，得到车辆在不同地表的通过速度。

一种虚拟战场环境不同要素相互耦合的仿真建模系统，包括参数输入单元、含水量计算单元、地面圆锥指数计算单元、车辆通过速度计算单元；

所述参数输入单元用于输入降雨参数、地表干圆锥指数、虚拟地理环境的湿圆锥指数dryCi和湿圆锥指数wetCi、相关系数、车辆圆锥指数VehicleConeIndex；所述降雨参数包括降雨或降雪时间t、降雨量大小系数α、车辆最大速度VelicityMax；；所述相关系数包括影响程度系数m、地表圆锥指数区间调整参数n、

所述含水量计算单元用于计算虚拟地理环境下的含水量；

所述地面圆锥指数计算单元用于计算虚拟地理环境下的地表圆锥指数；

所述车辆通过速度计算单元用于计算不同车辆在不同地表的通过速度。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

本发明首先确定了虚拟战场环境的构成要素、映射关系，及各要素内部的主要设置参数，建模层级关系、流程、气象在对地表影响的关系以及最终在装备机动性能上的效果表征，将三个相互独立的要素之间相互关联，实现与实际战场条件相一致气象、土质对不同装备的战术影响关系，实现了气象与地表与装备机动性能的动态关联和耦合；使构建的虚拟战场环境构建更加逼真，提高虚拟战场仿真的逼真度具有重要意义。

附图说明

图1为总体流程图。

图2为履带车辆在不同地表材质下的最大速度关系图。

图3为轮式车辆在不同地表材质下的最大速度关系图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。

本实施例的一种虚拟战场环境不同要素相互耦合的仿真建模方法，包括以下步骤：

步骤1、由虚拟地理环境根据地表性质构建地面含水量数学模型X_watercon，计算模型如下：

X_watercon＝t*α (1)

上式中t为降雨或降雪时间，α为降雨量大小系数，取值无无量纲系数，在0～1之间，值越大表示降雨或降雪量越大。

步骤2，虚拟地理环境根据不同的地表土质特性分别设置干圆锥指数dryCi与湿圆锥指数wetCi，且二者均与地表坚硬程度成正相关。

本实施例给出常见的地表干圆锥指数、湿圆锥指数根据北美WES(WorldEduration Services)评估公司的评估，在一般情况下，非常松软的土壤(圆锥指数Ci<30)约占世界陆地面积的6.5％,松软土壤(圆锥指数Ci＝30-75)约占世界陆地面积的17％，坚硬土壤(圆锥指数Ci>75)约占世界陆地面积的78％。当土壤强度(圆锥指数Ci)大于75时，车辆直线行驶时地面对车辆机动性能的影响不显著，按照该评估公司的评估数据，按照土壤硬度，对沥青地、水泥地、砂石地、草地、泥地、盐碱地、沼泽地分别取干圆锥指数dryCi、湿圆锥指数wetCi,具体取值如下表1所示。

表格1

地面类型	沥青地	水泥地	砂石地	草地	泥地	盐碱地	沼泽地
								干锥指数dryCi	90	80	77	74	70	80	61
湿锥指数wetCi	90	67	65	63	61	61	61

步骤3、虚拟地理环境根据不同地表含水量，构建地面圆锥指数数学模型：

构建地表圆锥指数Coneindex，该指数在不同地表随着地表含水量变化在[dryCi,wetCi]之间变化，地表圆锥指数随着地面含水量的变化而变化，从而实现含水量与地面圆锥指数的变化，计算地面圆锥指数Coneindex的计算模型如下：

Coneindex＝m*X_watercon+n (2)

上式中，m为影响程度系数，由于地表含水量越大，土壤越松软，含水量与地表硬度成反比关系，因此m的取值为-1～0之间，其中m值越小，表示影响程度越大；n为地表圆锥指数区间调整参数，确保地表圆锥指数Coneindex可以在[dryCi,wetCi]之间变化。

步骤4、从步骤1至步骤3，最终完成的图1中的映射M₀₁中虚拟气象环境A₀→虚拟地理环境A₁的映射关系数学模型如下式所示：

Coneindex＝m*t*α+n (3)

上式中，m为影响程度系数，t为降雨或降雪时长，α为降雨量大小系数，n为地表圆锥指数区间调整参数。

步骤5、本实施例中按照美国于2004年提出的使用车辆圆锥指数(VehicleConeIndex)作为车辆极限通过能力的指标。因此，根据车辆机动特性，设置数值不同的车辆圆锥指数VehicleConeIndex。例如，按照车辆通过性经验数据，通常履带车辆的车辆圆锥VehicleConeIndex＝5；轮式车辆的车辆圆锥指数VehicleConeIndex＝40。

步骤6、按照车辆在不同地表通过性的可通过性，构建图1中的映射M₁₂中虚拟地理环境A₁→虚拟作战装备A₂的映射关系如下式所示：

Velicity＝VelicityMax*(Coneindex-VehicleConeIndex)/(dryCi-VehicleConeIndex) (4)

上式中，Velicity表示车辆速度，VelicityMax表示车辆最大速度，VehicleConeIndex表示车辆圆锥指数，Coneindex表示地面圆锥指数，dryCi表示地表干圆锥指数。

按表1设置的地面圆锥指数后，将履带车辆与轮式车辆分别在公路、土路、砂石地、草地、泥地在干圆锥、湿圆锥条件下分别做最大速度测试，测试结果如图2、图3所示。

图2、图3中实线代表车辆在不同地表的干圆锥指数dryCi条件下最大速度的上极限值；虚线表示车辆在不同地表的湿圆锥指数wetCi条件下最大速度的下极限值。同一地表随着降雨降雪的增加，地面的圆锥指数ConeIndex会不断变化，从而使装备的在同一地表下的速度不断变化。可以看出履带车辆与轮式车辆在相同地表材质条件下，车辆通过能力不一样；同一车辆在不同地表条件下，车辆随着地表材质变换，通过能力不断变化；同一地表，随着降雨或降雪时长的增加，地表圆锥指数在干圆锥与湿圆锥指数之间不断变化。

基于上述仿真建模方法，本发明还公开了一种虚拟战场环境不同要素相互耦合的仿真建模系统，包括参数输入单元、含水量计算单元、地面圆锥指数计算单元、车辆通过速度计算单元；

所述参数输入单元用于输入降雨参数(包括降雨或降雪时间t、降雨量大小系数α)、地表干圆锥指数、虚拟地理环境的湿圆锥指数dryCi和湿圆锥指数wetCi、相关系数(包括影响程度系数m、地表圆锥指数区间调整参数n)、车辆圆锥指数VehicleConeIndex、车辆最大速度VelicityMax；

所述含水量计算单元用于计算虚拟地理环境下的含水量，计算过程如下：

X_watercon＝t*α

所述地面圆锥指数计算单元用于计算虚拟地理环境下的地表圆锥指数，计算过程如下：

Coneindex＝m*X_watercon＝m*t*α+n；

所述车辆通过速度计算单元用于计算不同车辆在不同地表的通过速度，计算过程如下：

Velicity＝VelicityMax*(Coneindex-VehicleConeIndex)/(dryCi-VehicleConeIndex)

其中Velicity表示车辆速度，VelicityMax表示车辆最大速度，VehicleConeIndex表示车辆圆锥指数。

本发明将三个相互独立的要素之间相互关联，实现与实际战场条件相一致气象、土质对不同装备的战术影响关系。此外，同一地表随着雨水、积雪融化的时间增长，地表会变得松软，装备通过性会逐渐变差，并且履带装备的机动优势会逐渐显现；随着阳光的照射，地表会变得坚硬，轮式装备的高速特性会逐渐显现，实现气象与地表与装备机动性能的动态关联。使构建的虚拟战场环境构建更加逼真，部队战术仿真训练更加真实。

Claims

1.一种虚拟战场环境不同要素相互耦合的仿真建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、由虚拟地理环境构建地面含水量数学模型；

步骤5、设置车辆圆锥指数；

2.根据权利要求1所述的虚拟战场环境不同要素相互耦合的仿真建模方法，其特征在于，步骤1构建地面含水量数学模型X_watercon为：

X_watercon＝t*α (1)

上式中t为降雨或降雪时间，α为降雨量大小系数。

3.根据权利要求1所述的虚拟战场环境不同要素相互耦合的仿真建模方法，其特征在于，步骤3构建地面圆锥指数数学模型：计算地面圆锥指数Coneindex：

Coneindex＝m*X_watercon+n (2)

其中m为影响程度系数，X_watercon为地面含水量数学模型，n为地表圆锥指数区间调整参数。

4.根据权利要求1所述的虚拟战场环境不同要素相互耦合的仿真建模方法，其特征在于，步骤4完成虚拟气象环境到虚拟地理环境的映射数学模型为：

Coneindex＝m*t*α+n (3)

5.根据权利要求1所述的虚拟战场环境不同要素相互耦合的仿真建模方法，其特征在于，步骤6构建虚拟地理环境到虚拟作战装备的映射关系数学模型为：

6.一种虚拟战场环境不同要素相互耦合的仿真建模系统，其特征在于，包括参数输入单元、含水量计算单元、地面圆锥指数计算单元、车辆通过速度计算单元；

所述含水量计算单元用于计算虚拟地理环境下的含水量；

7.根据权利要求6所述的虚拟战场环境不同要素相互耦合的仿真建模系统，其特征在于，所述地面圆锥指数计算单元计算过程如下：

Coneindex＝m*X_watercon＝m*t*α+n。

8.根据权利要求6所述的虚拟战场环境不同要素相互耦合的仿真建模系统，其特征在于，所述车辆通过速度计算单元计算过程如下：

Velicity＝VelicityMax*(Coneindex-VehicleConeIndex)/(dryCi-VehicleConeIndex)

其中Velicity表示车辆速度，VehicleConeIndex表示车辆圆锥指数。