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图 1 系统中各部分欧拉角定义
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由于系统中各个部分坐标系及转角应用顺序定义不一
表 1 传感器安装表
标号 0
1
2
3
4
意义 左大臂 左小臂 左大腿 左小腿 右大臂
标号 6
7
8
9
10
意义 右大腿 右小腿 头部 胸部 仿真武器准心
5 右小臂
11 保留
系统还具有德国 JAEGER公司大型运动平台 、攀登式功 率计 、功率自行车等功率测试及人机交互设备 。
3 系统功能
针对单兵装备系统效能评估测试的需求及现代作战方 式的特点 ,作战模拟系统具有以下主要功能 : 虚拟战场环境 内的任意路径漫游 ,通过大型运动平台 、多种人机交互接口 设备能方便地实现高沉浸感的实时漫游 ,满足装备的各种测 试规程 ;特定路线 、速度 、坡度下的行军 ,实现特定条件下装 备性能的测试 ;分队作战模拟 ,用于模拟信息条件下小规模 冲突中的对抗演练 ,可以根据试验目的设定对抗强度 ,在不 同战场条件下检验装备的各项性能 。
致 ,采集到的数据需进行解算后才能用于姿态拟合 。考虑到
精确固定传感器位置的复杂性 , 系统在进行姿态数据解算
前 ,应用采集到的第一帧数据对传感器位置进行初始化 ,即
通过一次变换将传感器由实际固定位置扭转到理想的关节
点位置 ,获得一个转换矩阵 ,即传感器的初始化矩阵 。在每次
解算变换中左乘该矩阵进行传感器位置的校正 。初始化时人
为了创造近似实战的训练环境 ,本系统结合参试人员的 预定作战任务 ,在预定的或相近的作战空间 ,进行必要的战 场准备 ,实施有针对性的作战训练 ; 同时在计算机中建立智
收稿日期 : 2005 - 06 - 03
能化的假想敌人 , 使联合作战训练真正像实战那样“对抗 ” 起来 ,在贴近实战的对抗中斗智斗勇 ,决胜负 ; 充分运用声 、 光 、电 、像等模拟手段 ,创造近似实战的训练环境 ,把未来联 合作战的“高技术性 ”、装备的各种性能充分展示出来 。在模 拟训练过程中 ,通过讲解使参试人员了解一般的作战原则和 基本知识 ,熟悉战争的特点和手中武器装备的战术技术性 能 。该作战模拟系统中有针对性地设置近似的未来战场作战 环境和条件 ,使受训人员体验到一定强度的心理刺激 ,使军 人在试验条件下体验到战斗条件下需要承受的心理负荷 ,从 而使测试更逼真 [2 ] 。
为 1 (单位矩阵 ) ,即标准正立姿势 ,式 ( 2) 变为 :
1 = TI, 2 ·TR, 2 ·TE, 2 ·TA, 2 ·TA, 1 T ·TE, 1 T ·TR, 1 T ·TI, 1 T ( 3) 即可反算出传感器 2的初始化矩阵 TI, 2 的值 。 初始化完成后应用 ( 2) 式对人体姿态进行解算 , 此时为
2 系统开发平台的介绍
系统运行环境为 W indow s2000系统 ,三维建模及视景驱 动开发平台为 M ultigen - Pa rad igm公司基于 PC的开发软件 C rea to r和 V ega。系统编程环境为 M icro soft公司的 VC + + 610,运用多线程技术实现对各种交互接口的同步控制 。图形 工作站采用 Sim FU S ION5000,它是美国 E&S公司的将其高端 的图形技术移植到 PC平台的产品 ,该系统双 CPU 具有强大 图形处理能力 [3 ] 。投影系统采用松下公司 LCD (液晶 ) 投影
0 - SR CR
SE 0 CE
CA SA 0
TA = - SA CS 0 0 01
式中 C表示 Cos ( ) , S 表示 sin ( ) 根据胸口传感器固定方式可得其初始化矩阵
TI = TE =90°
(1)
传感器间的初始化矩阵及相对转换矩阵由 ( 2) 式计算 :
T21 = TI, 2 ·TR, 2 ·TE, 2 ·TA, 2 ·TA, 1 T ·TE, 1 T ·TR, 1 T ·TI, 1 T
float x; float y; float z; float az; float el; float ro ll; / / 传感器 6个自由度值 } FT_PNO _DA TA _STRUCT;
typedef struct _STA T ION _EUL ER _AN GEL { FT_PNO _DA TA _STRUCT ange lInfo [ 5 ] [ 4 ]; / /每组 4个
须保持立正姿态 ,以完成各个传感器初始化矩阵的求解 。系
统中选取胸口的传感器为唯一的基准点 ,并做如下假设 : 胸
口传感器在初始化阶段的摆放位置是绝对精确的 。定义 TR 、 TE、TA 分别为传感器角度输出值对应的旋转矩阵 。
10 0
CE 0 - SE
TR = 0 CR SR TE = 0 1 0
第 23卷 第 06期 文章编号 : 1006 - 9348 ( 2006) 06 - 0045 - 04
计 算 机 仿 真
步兵分队作战模拟系统的设计
2006年 06月
蒋毅 ,周宏 ,陈晓
(总后勤部军需装备研究所 ,北京 100088 )
摘要 :战术级步兵分队作战模拟系统利用计算机技术 、自动控制技术 、虚拟现实技术 、电子技术等设置模拟训练场 ,模拟现代 战场的外部景象和复杂的战斗情景 ,使参试人员感受到“真枪实弹 ”进行战斗的对抗状态 。文章介绍了该系统的构成 、功能 及开发平台 ,并重点论述了系统设计中单兵姿态采集 、拟合及计算机兵力生成控制两个关键模块设计 。该系统的开发为单兵 装备的研制 、系统性能的评估 、装备的适应性训练等提供了一条新的途径 ,为检验 、提高单兵装备系统的综合作战效能奠定 了实验室基础 。 关键词 :作战模拟 ;步兵分队 ;虚拟现实 ;姿态采集 中图分类号 : TP391. 9 文献标识码 : A
人体运动所体现的关节运动是有先后顺序和其独特的 拓扑结构的 。系统中根据姿态采集的目的 ,选取 10个关节点 作为采集点如表 1,其中以胸关节作为整个采集系统的基准 点 。设计 CFa strakContro l类对传感器数据进行采集存储 , 通 过串口按读取六自由度空间定位装置 FA STRA K输出值 。每 台仪器能同时跟踪 4个移动目标 ,三台设备级联实现 12点姿 态数据的实时采集 。CFa strakCon tro l类对串口接收的 4个传 感器的值进行解包 ,根据需要将数据进行保存 。传感器数据 存储结构如下 。 typ edef struct _PNO _DA TA _STRUCT {
1 引言
步兵分队作战模拟系统是军需装备研究所人机工效实 验室单兵装备系统人机功效测试平台中的一个分系统 ,主要 为单兵装备的系统效能评估提供一个作战模拟的战场环境 , 创造出一种接近实战的氛围 ,为参试人员提供交互对手 ,使 其获得身临其境的战场体验 ,进而达到检验单兵装备整体作 战性能的目的 。
计算机作战模拟是指将士兵或分队放到虚拟战场环境 中的一个模拟平台上 ,在战术级别与计算机生成兵力进行对 抗 ,该方式减少了装备 、士兵 、场地的需求 , 节约了弹药 、燃 料 。美国正研制虚拟单兵战斗仿真系统 ,下车勇士网络仿真 系统 ,下车步兵半自动兵力生成系统及分队战术训练系统等 用于单兵装备研制及单兵战术演练 [1 ] 。
4 系统中关键问题
4. 1 单兵姿态采集 本系统采用电磁式运动捕捉方式对人体多个关节的运
动姿态信息进行实时采集 。美国 POLHEMU S公司生产的六 自由度空间定位装置 Fastrak[4 ] ,三台设备级联可同时对 12 个点的空间位置数据 , 以 30Hz的频率进行采集 , 经姿态解 算 、拟合可得出 D I_GUY中人体模型的各个关节的控制参 数 ,调用 V ega中相关函数就可实现单兵姿态的跟踪 。该方式 实现了全副装备条件下单兵姿态的采集 、解算 、拟合 ,这是光 学等其它运动捕捉技术由于遮挡限制较难实现的 。针对实验 现场各种金属物体引起的磁场畸变 ,应用传感器间的相对运 动关系进行姿态拟合 ,减少了磁场畸变的影响 。 4. 1. 1 单兵姿态采集
D e sign of Infan try Un it W a r Gam ing Sy stem
J IAN G Yi, ZHOU Hong, CH EN G X iao
( So ld ie r Suppo rt System Center of the General Logistic s D epa rtm en t of CPLA , B eijing 100088, Ch ina)
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仪 Panason ic PT - U1X9。虚拟场景由两个屏幕拼合形成显示 幕墙 。同时系统还具有调音台 ,音响等战场音效播放设备 。
(2)
式中为传感器 2相对传感器 1的转换矩阵 。下标为 1的
矩阵为基准关节传感器的变换矩阵 。下标 T21 为 2的矩阵为 需要求解传感器的变换矩阵 。在初始化阶段 , 为传感器 2 的
基准传感器 1的初始化矩阵 , 系统中规定人体大臂 、大腿的
基准均为胸口 , 而小臂 、小腿的基准分别为大臂 、大腿 , 令其
传感器 5个时刻值 doub le R eadTim e r[5 ] ; / / 读取时间
} FT_STA T ION _AN GEL; 4. 1. 2 单兵姿态解算 、拟合
Fastrak设备的六个自由度输出值为 U , V , W , A z, El, Ro ll。前三个值为传感器位置信息 ,姿态拟合中只用到表示角 度变化的后三个数据 ,其定义如图 1 ( a) 。方位角 (A z) 为 X, Y坐标轴绕 Z轴转动的角度 , X′, Y′为转动后的 X, Y轴 。俯仰 角 ( El) 为 X′, Z轴绕 Y′轴转动的角度 , x及 Z′为转动后的 X′, Z轴 。翻滚角 (Ro ll) 为 Y′, Z′绕 x轴转动的角度 。D I_点 。V ega 中函数按照 Yaw (H ) , Pitch ( P) , Ro ll(R) 三个欧拉角的顺 序控制该节点的运动 ,三个转角定义如图 1 ( b) 。