CN113053200B - 一种火炮仿真训练系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种火炮仿真训练系统及方法，主控计算机获取气象检测传感器采集的靶区气象检测结果和工业相机采集的靶区图像，根据靶区图像确定靶标坐标及速度并将靶标坐标转换为弹道坐标系下的目标坐标；射击诸元计算器根据弹道坐标系下靶标坐标、速度，计算射击诸元；传感器实时检测火炮角度并上传主控计算机；主控计算机根据火炮角度，解析弹道坐标系下弹丸落点坐标，并将弹丸落点坐标转换为靶区坐标系下的射击坐标；主控计算机将射击坐标发送给控制器，控制器控制转台转动到射击坐标位置后启动激光枪发射激光至靶区；主控计算机接收工业相机上传的图像，根据靶区图像确定激光弹着点与靶标的位置关系，判断射击训练结果将结果存储到数据库中。

Description

一种火炮仿真训练系统及方法

技术领域

本发明涉及模拟训练技术领域，特别是涉及一种火炮仿真训练系统及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提到了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

炮兵射击指挥技能的形成需要通过大量的射击指挥训练，实弹射击训练不同于轻武器射击训练，需要有足够大的场地和大量经费的支持，动用资源也相当多，尤其是远程火炮实弹射击训练，更增加了训练风险，通常一年只能进行一两次实弹射击训练。

火炮仿真训练系统能够完成射击指挥技能的模拟训练和考核，既能训练常规操作，又能提高训练效率，已被各国军队所认可并广泛应用。目前，南京邮电大学进行了基于虚拟现实的某自行火炮模拟训练系统设计，研究了自行火炮在直角坐标系与自然坐标系下的外弹道模型；炮兵学院南京分院进行了某型枪代炮射击训练系统设计研究，利用枪代炮系统对指挥员的射击指挥技能进行训练和考核，为部队和院校培养了大量的人材。但上述火炮模拟训练系统存在如下问题：训练系统是局部环节的模拟训练，功能单一，无法实现火炮射击全程训练；训练系统结构复杂，移植性差；训练中缺少智能化考评环节，信息化水平有待提高。

上述问题导致火炮仿真训练系统难以在基层部队大规模推广，因此亟需一种基于实战化、全环节、智能化仿真训练系统。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种火炮仿真训练系统及方法；在缩小的场地上模拟火炮实弹射击训练全部过程，将靶标、射击诸元、火炮、弹着点及考评等环节通过计算机网络关联为一体，实现火炮射击训练智能化仿真，提高炮兵训练效率和质量。

第一方面，本发明提供了一种火炮仿真训练系统；

一种火炮仿真训练系统，包括：主控计算机；所述主控计算机分别与气象检测传感器、工业相机、射击诸元计算器、传感器、控制器连接；

主控计算机获取气象检测传感器采集的靶区气象检测结果和工业相机采集的靶区图像，根据靶区图像确定靶标坐标及速度，并将靶标坐标转换为弹道坐标系下的目标坐标；

射击诸元计算器根据弹道坐标系下靶标坐标和速度，计算出射击诸元；

传感器实时检测火炮角度并上传主控计算机；

主控计算机根据火炮角度，解析出弹道坐标系下弹丸落点坐标，并将弹丸落点坐标转换为靶区坐标系下的射击坐标；

主控计算机将射击坐标发送给控制器，控制器控制转台转动到射击坐标位置后，启动激光枪发射激光至靶区。

第二方面，本发明提供了一种火炮仿真训练方法；

一种火炮仿真训练方法，包括：

主控计算机依据炮手选定的训练参数，在靶区布置靶标，遥控靶标运动状态；

主控计算机接收工业相机上传的靶区图像，根据靶区图像确定靶标坐标及速度，并转换至弹道坐标系下目标坐标；

根据靶标位置及速度信息，通过射击诸元计算器计算出射击诸元；

根据射击诸元，炮手对火炮进行装填操作，调整方向角和俯仰角，同时，传感器实时检测火炮的方向角和俯仰角，判断调整结束后上传主控计算机；

主控计算机接收传感器上传的火炮方向角和俯仰角，解析弹道坐标系下弹丸落点坐标，并将该落点坐标转换为靶区坐标系下的靶区射击坐标；

主控计算机将射击坐标发送给控制器，控制器控制转台转动到射击坐标位置后，启动激光枪发射激光至靶区；

主控计算机接收工业相机上传的图像，根据靶区图像确定激光弹着点与靶标的位置关系，判断射击训练结果并将结果存储到数据库中；

重复上述所有过程，直至训练结束。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明提供的一种火炮仿真训练系统，包含靶标、射击诸元、火炮、弹着点以及考评等射击训练的关键环节，实现火炮射击全程仿真训练。

(2)本发明提供的火炮仿真训练系统及方法是感知技术和计算机仿真技术在火炮武器训练中的创新应用，丰富了炮兵实战化训练的方式方法，有利于降低炮兵技能训练成本，提高训练效率和质量。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的一种火炮仿真训练系统结构框图；

图2为本发明的一种火炮仿真训练方法流程；

图3为本发明的一种外弹道质心方程解算流程；

图4(a)为弹丸初速度400m/s，方位角为0°，弹着点随俯仰角变化曲线；

图4(b)为弹丸初速度400m/s，俯仰角为30°，弹着点随方位角变化曲线。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步地说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

本实施例提供了一种火炮仿真训练系统；

如图1所示，一种火炮仿真训练系统，包括：主控计算机；所述主控计算机分别与气象检测传感器、工业相机、射击诸元计算器、传感器、控制器连接；

主控计算机获取气象检测传感器采集的靶区气象检测结果和工业相机采集的靶区图像，根据靶区图像确定靶标坐标及速度，并将靶标坐标转换为弹道坐标系下的目标坐标；

射击诸元计算器根据弹道坐标系下靶标坐标和速度，计算出射击诸元；

传感器实时检测火炮角度并上传主控计算机；

主控计算机根据火炮角度，解析出弹道坐标系下弹丸落点坐标，如图3、图4(a)和图4(b)所示，并将弹丸落点坐标转换为靶区坐标系下的射击坐标；

主控计算机将射击坐标发送给控制器，控制器控制转台转动到射击坐标位置后，启动激光枪发射激光至靶区。

进一步地，所述主控计算机，被配置为：基础信息设置、靶标定位、弹道解算和激光弹着点检测。

进一步地，所述基础信息设置，包括配置弹药参数、虚拟炮位阵地参数、训练参数的录入及管理。

进一步地，靶标定位，包括实时接收工业相机上传的靶区图像，根据靶区图像确定靶区坐标系下靶标坐标及速度，并将靶标坐标转换为弹道坐标系下的目标坐标。

进一步地，所述弹道解算，通过建立外弹道弹丸质心运动方程，依据俯仰角、方位角、温度、风速、气压等参数，解析出弹道坐标系下的火炮弹丸落点，并将该落点坐标转换为靶区坐标系下的射击坐标。

进一步地，所述激光弹着点检测，主控计算机接收工业相机上传的靶区图像，根据靶区图像确定激光弹着点与靶标的位置关系，判断训练结果并将结果存储到数据库中。

进一步地，所述气象检测传感器和工业相机均布设在靶区；所述靶区设有靶标。

进一步地，所述靶区为按照设定比例缩小的训练场地。

进一步地，所述靶标为靶区内静止或可自由移动的模型车，模拟射击目标，可远程遥控靶标运动。

进一步地，所述射击诸元计算器、火炮为炮手操作的真实装备。

进一步地，所述气象检测传感器，包括：温湿度传感器、风速传感器、气压传感器；其中，温湿度传感器用于检测靶区的温度和湿度；风速传感器用于检测靶区的风速；气压传感器用于检测靶区的气压和高差。

进一步地，所述气象检测传感器和工业相机，均通过固定支架安装在靶区内，且均通过网线与主控计算机连接。

进一步地，火炮的炮管口朝向靶标的方向，所述传感器安装在火炮的炮管上，用于检测火炮的俯仰角以及方位角，并将检测的俯仰角和方位角上传给主控计算机。

进一步地，所述传感器包括角度传感器、拉绳传感器，用于实时检测炮管俯仰角和方位角。

进一步地，所述传感器通过网线与主控计算机相连。

进一步地，所述控制器分别与转台和激光枪连接，所述激光枪安装在转台上，控制器通过控制转台的转动，控制激光枪的转动。

进一步地，所述控制器包括运动控制卡和/或单片机，用于驱动转台和控制激光枪。

进一步地，所述控制器通过网线与主控计算机相连。

进一步地，所述激光枪，用于发射激光指向靶区目标。

进一步地，所述转台为X_Y两轴高精密转台

实施例二

本实施例提供了一种火炮仿真训练方法；

如图2所示，一种火炮仿真训练方法，包括：

S101：主控计算机依据炮手选定的训练参数，在靶区布置靶标，遥控靶标运动状态；

S102：主控计算机接收工业相机上传的靶区图像，根据靶区图像确定靶标坐标及速度，并转换至弹道坐标系下目标坐标；

S103：根据靶标位置及速度信息，通过射击诸元计算器计算出射击诸元；

S104：根据射击诸元，炮手对火炮进行装填操作，调整方向角和俯仰角，同时，传感器实时检测火炮的方向角和俯仰角，判断调整结束后上传主控计算机；

S105：主控计算机接收传感器上传的火炮方向角和俯仰角，解析弹道坐标系下弹丸落点坐标，并将该落点坐标转换为靶区坐标系下的靶区射击坐标；

S106：主控计算机将射击坐标发送给控制器，控制器控制转台转动到射击坐标位置后，启动激光枪发射激光至靶区；

S107：主控计算机接收工业相机上传的图像，根据靶区图像确定激光弹着点与靶标的位置关系，判断射击训练结果并将结果存储到数据库中；

S108：重复S101～S107，直至训练结束。

作为一个或多个实施例，所述方法S101步骤之前，还包括：

S100：检查主控计算机通信线路是否正常，若正常后完成参数初始配置，同时启动数据通信监控线程，完成靶区图像标定；

进一步地，所述S100具体包括：

S1001：确认主控计算机与传感器、控制器、气象检测传感器、工业相机通信正常；

S1002：在主控计算机上配置弹药号、初速度、射程、虚拟炮位阵地海拔高度、虚拟炮位阵地坐标、最大射击距离(x_max、y_max)、最小射击距离(x_min、y_min)、靶区长度L、靶区宽度H、靶标数量等训练参数；

S1003：启动数据通信监控线程，在线程函数中实时接收传感器、气象检测传感器、工业相机上传的数据；

S1004：在通信监控线程中，根据工业相机上传的多幅靶区图像，完成靶区图像标定，确定测量分辨率K。

进一步地，所述S102：主控计算机接收工业相机上传的靶区图像，根据靶区图像确定靶标坐标及速度，并转换至弹道坐标系下目标坐标；具体包括：

S1021：主控计算机接收工业相机上传图像，经过阈值分割处理后获取二值图像；

S1022：二值图像通过Sobel边缘轮廓检测及Hough变换后确定靶标的中心坐标(bx，by)；

S1023：根据连续多帧图像的靶标中心坐标变化，以及工业相机采样帧频率参数，计算出靶标速度V，公式如下：

其中，Δt为工业相机采样帧频率，K为测量分辨率，Δl为两幅图像中靶标中心的相对移动距离(像素)。

S1024：将靶标中心坐标(b_x，b_y)转换为弹道坐标系下的目标坐标(x，y)，转换公式如下：

其中，(x，y)为弹道坐标系下坐标点，(b_x，b_y)为靶区坐标系下坐标点，x_max、x_min为火炮弹丸射程方向最大值、最小值，y_max、y_min为火炮弹丸高程方向最大值、最小值，L为靶区长度，H为靶区宽度，a、b为修正常数。

进一步地，所述S104：根据射击诸元，炮手对火炮进行装填操作，调整方向角和俯仰角，同时，传感器实时检测火炮的方向角和俯仰角，判断调整结束后上传主控计算机；具体包括：

S1041：根据射击诸元，炮手进行弹药装填操作，调整火炮表尺、俯仰角和方位角；

S1042：定义数组A[10]，计数变量i，i初始化为0，传感器实时检测炮管俯仰角、方位角；

S1043：每间隔10秒，将实时检测的俯仰角存入A[i]中，同时计数变量增1，即i＝i+1；

S1044：循环执行步骤S1043，当i＝＝9时，执行A[i]＝A[i+1]操作后将i置0；

S1045：遍历数组A中数值，按照如下规则判断火炮状态：

S1046：当火炮处于静止状态时，将当前检测的俯仰角及方位角数值上传至主控计算机；

S1047：循环执行S1043至S1046。

进一步地，所述S105：主控计算机接收传感器上传的火炮方向角和俯仰角，解析弹道坐标系下弹丸落点坐标，并将该落点坐标转换为靶区坐标系下的靶区射击坐标；具体包括：

S1051：主控计算机建立外弹道质心运动方程：

其中，g为重力加速度，v为质心运动速度矢量，c_b为弹道系数，H(y)为空气密度函数，G(v)为虚拟阻力函数。τ_ON地面标准虚温，τ为虚温，θ为弹道倾角，x为弹丸水平方向距离，y为弹丸垂直方向高度；

S1052：根据训练参数配置弹药装药号数以及传感器上传的火炮方向角和俯仰角，确定弹道解算初始条件为：

t＝0,x(0)＝0,y(0)＝0,v_x(0)＝v₀cosθ₀cosΨ₀,v_y(0)＝v₀sinθ₀cosΨ₀

其中θ₀为火炮俯仰角，Ψ₀为火炮方位角。

S1053：采用变步长四阶龙格库塔法对外弹道质心运动方程进行迭代计算，得到落点诸元信息：x，y，v；

S1054：循环执行步骤S1053，当y<0.5时，循环结束，计算出最终弹丸落点坐标(x，y)；

S1055：将弹道坐标系下弹丸落点坐标(x，y)转换为靶区坐标系下的射击坐标(b_x，b_y)，转换公式如下：

其中，x_max、x_min为火炮弹丸射程方向最大值、最小值，y_max、y_min为火炮弹丸高程方向最大值、最小值，L为靶区长度，H为靶区宽度，a、b为修正常数。

进一步地，所述S107：主控计算机接收工业相机上传的图像，根据靶区图像确定激光弹着点与靶标的位置关系，判断射击训练结果并将结果存储到数据库中；具体包括：

S1071：主控计算机接收工业相机上传图像，经过阈值分割处理后获取二值图像；

S1072：对二值图像进行联通区域分析，确定靶标区域，根据激光点区域的圆度特征来选取圆形区，确定激光弹着点区域；

S1073：若激光弹着点包含在靶标区域在，则本次射击训练合格，反之，射击训练不合格；

S1074：将射击训练结果存储在数据库中。

本发明提供一种火炮仿真训练系统及方法，在缩小的场地上模拟火炮实弹射击训练全部过程，将靶标、射击诸元、火炮、弹着点以及考核等环节通过计算机网络关联为一体，实现火炮射击训练智能化仿真，提高炮兵训练效率和质量。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种火炮仿真训练方法，其特征是，包括：

主控计算机依据炮手选定的训练参数，在靶区布置靶标，遥控靶标运动状态；

主控计算机接收工业相机上传的靶区图像，根据靶区图像确定靶标坐标及速度，并转换至弹道坐标系下目标坐标；

根据靶标位置及速度信息，通过射击诸元计算器计算出射击诸元；

根据射击诸元，炮手对火炮进行装填操作，调整方向角和俯仰角，同时，传感器实时检测火炮的方向角和俯仰角，判断调整结束后上传主控计算机；具体包括：

(1)根据射击诸元，炮手进行弹药装填操作，调整火炮表尺、俯仰角和方位角；

(2)定义数组A[10]，计数变量i，i初始化为0，传感器实时检测炮管俯仰角、方位角；

(3)每间隔10秒，将实时检测的俯仰角存入A[i]中，同时计数变量增1，即i＝i+1；

(4)循环执行步骤(3)，当i＝＝9时，执行A[i]＝A[i+1]操作后将i置0；

(5)遍历数组A中数值，按照如下规则判断火炮状态：

(6)当火炮处于静止状态时，将当前检测的俯仰角及方位角数值上传至主控计算机；以及，

(7)循环执行(3)至(6)；

主控计算机接收传感器上传的火炮方向角和俯仰角，解析弹道坐标系下弹丸落点坐标，并将该落点坐标转换为靶区坐标系下的靶区射击坐标；

主控计算机将射击坐标发送给控制器，控制器控制转台转动到射击坐标位置后，启动激光枪发射激光至靶区；

主控计算机接收工业相机上传的图像，根据靶区图像确定激光弹着点与靶标的位置关系，判断射击训练结果并将结果存储到数据库中；

重复所有过程，直至训练结束。

2.如权利要求1所述的一种火炮仿真训练方法，其特征是，所述方法还包括：

检查主控计算机通信线路是否正常，若正常后完成参数初始配置，同时启动数据通信监控线程，完成靶区图像标定；

检查主控计算机通信线路是否正常，若正常后完成参数初始配置，同时启动数据通信监控线程，完成靶区图像标定，具体包括：

确认主控计算机与传感器、控制器、气象检测传感器、工业相机通信正常；

在主控计算机上配置弹药号、初速度、射程、虚拟炮位阵地海拔高度、虚拟炮位阵地坐标、最大射击距离(x_max、y_max)、最小射击距离(x_min、y_min)、靶区长度L、靶区宽度H、靶标数量训练参数；

启动数据通信监控线程，在线程函数中实时接收传感器、气象检测传感器、工业相机上传的数据；

在通信监控线程中，根据工业相机上传的多幅靶区图像，完成靶区图像标定，确定测量分辨率K。

3.如权利要求1所述的一种火炮仿真训练方法，其特征是，主控计算机接收工业相机上传的靶区图像，根据靶区图像确定靶标坐标及速度，并转换至弹道坐标系下目标坐标；具体包括：

主控计算机接收工业相机上传图像，经过阈值分割处理后获取二值图像；

二值图像通过Sobel边缘轮廓检测及Hough变换后确定靶标的中心坐标(bx，by)；

根据连续多帧图像的靶标中心坐标变化，以及工业相机采样帧频率参数，计算出靶标速度V；

将靶标中心坐标(b_x，b_y)转换为弹道坐标系下的目标坐标(x，y)。

4.如权利要求1所述的一种火炮仿真训练方法，其特征是，主控计算机接收传感器上传的火炮方向角和俯仰角，解析弹道坐标系下弹丸落点坐标，并将该落点坐标转换为靶区坐标系下的靶区射击坐标；具体包括：

主控计算机建立外弹道质心运动方程；

根据训练参数配置弹药装药号数以及传感器上传的火炮方向角和俯仰角，确定弹道解算初始条件；

采用变步长四阶龙格库塔法对外弹道质心运动方程进行迭代计算，得到落点诸元信息：x，y，v；

循环执行上一步，当y<0.5时，循环结束，计算出最终弹丸落点坐标(x，y)；

将弹道坐标系下弹丸落点坐标(x，y)转换为靶区坐标系下的射击坐标(b_x，b_y)。

5.如权利要求1所述的一种火炮仿真训练方法，其特征是，主控计算机接收工业相机上传的图像，根据靶区图像确定激光弹着点与靶标的位置关系，判断射击训练结果并将结果存储到数据库中；具体包括：

主控计算机接收工业相机上传图像，经过阈值分割处理后获取二值图像；

对二值图像进行联通区域分析，确定靶标区域，根据激光点区域的圆度特征来选取圆形区，确定激光弹着点区域；

若激光弹着点包含在靶标区域在，则本次射击训练合格，反之，射击训练不合格；

将射击训练结果存储在数据库中。

6.应用权利要求1-5中任一项所述的火炮仿真训练方法的火炮仿真训练系统，其特征是，包括：主控计算机；所述主控计算机分别与气象检测传感器、工业相机、射击诸元计算器、传感器、控制器连接；

主控计算机获取气象检测传感器采集的靶区气象检测结果和工业相机采集的靶区图像，根据靶区图像确定靶标坐标及速度，并将靶标坐标转换为弹道坐标系下的目标坐标；

射击诸元计算器根据弹道坐标系下靶标坐标和速度，计算出射击诸元；

传感器实时检测火炮角度并上传主控计算机；

主控计算机根据火炮角度，解析出弹道坐标系下弹丸落点坐标，并将弹丸落点坐标转换为靶区坐标系下的射击坐标；

主控计算机将射击坐标发送给控制器，控制器控制转台转动到射击坐标位置后，启动激光枪发射激光至靶区。

7.如权利要求6所述的火炮仿真训练系统，其特征是，所述主控计算机，被配置为：基础信息设置、靶标定位、弹道解算和激光弹着点检测；

所述基础信息设置，包括配置弹药参数、虚拟炮位阵地参数、训练参数的录入及管理；

所述靶标定位，包括实时接收工业相机上传的靶区图像，根据靶区图像确定靶区坐标系下靶标坐标及速度，并将靶标坐标转换为弹道坐标系下的目标坐标；

所述弹道解算，通过建立外弹道弹丸质心运动方程，依据俯仰角、方位角、温度、风速、气压参数，解析出弹道坐标系下的火炮弹丸落点，并将该落点坐标转换为靶区坐标系下的射击坐标；

所述激光弹着点检测，主控计算机接收工业相机上传的靶区图像，根据靶区图像确定激光弹着点与靶标的位置关系，判断训练结果并将结果存储到数据库中。

8.如权利要求6所述的火炮仿真训练系统，其特征是，所述气象检测传感器和工业相机均布设在靶区；所述靶区设有靶标；

所述靶区为按照设定比例缩小的训练场地；

所述靶标为靶区内静止或可自由移动的模型车，模拟射击目标，可远程遥控靶标运动；

所述射击诸元计算器、火炮为炮手操作的真实装备；

所述气象检测传感器，包括：温湿度传感器、风速传感器、气压传感器；其中，温湿度传感器用于检测靶区的温度和湿度；风速传感器用于检测靶区的风速；气压传感器用于检测靶区的气压和高差。

9.如权利要求6所述的火炮仿真训练系统，其特征是，气象检测传感器和工业相机，均通过固定支架安装在靶区内，且均通过网线与主控计算机连接；

火炮的炮管口朝向靶标的方向，所述传感器安装在火炮的炮管上，用于检测火炮的俯仰角以及方位角，并将检测的俯仰角和方位角上传给主控计算机；

所述传感器包括角度传感器、拉绳传感器，用于实时检测炮管俯仰角和方位角；所述传感器通过网线与主控计算机相连；所述控制器分别与转台和激光枪连接，所述激光枪安装在转台上，控制器通过控制转台的转动，控制激光枪的转动；

所述控制器包括运动控制卡和/或单片机，用于驱动转台和控制激光枪；所述控制器通过网线与主控计算机相连；所述激光枪，用于发射激光指向靶区目标；所述转台为X_Y两轴高精密转台。

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