基于虚拟现实VR的空战对抗虚拟训练系统

摘要

本申请提出一种基于虚拟现实VR的空战对抗虚拟训练系统，包括：飞行教控管理分系统和多个模拟器；其中，飞行教控管理分系统，用于根据训练科目、机型、地图选择、环境设置信息，生成训练场景；模拟器包括：飞行训练平台分系统用于接收飞行教控管理分系统发送的训练场景；飞行性能仿真分系统根据选择的机型信息运行对应的飞行性能仿真模型，以使受训学员通过操作系统控制飞机速度、高度和姿态；显示分系统用于显示训练平台模型和仪表的运行状态信息；运动平台用于接收飞行训练平台分系统发送的飞行状态参数，并根据飞行状态参数产生动感。本申请实施例的系统具有结构简单、成本低特点的同时，还具有仿真逼真度高、飞行沉浸感强等优点。

说明书

技术领域

本申请涉及虚拟现实技术领域，尤其涉及一种基于VR(Virtual Reality，虚拟现实)的空战对抗虚拟训练系统。

背景技术

相关技术中，飞行模拟训练系统通常有以下两大类：桌面式虚拟飞行训练系统和半实物模拟飞行训练系统。其中，1)桌面式虚拟飞行训练系统：结构相对简单，一般采用PC(Personal Computer，个人计算机)机+游戏杆的模式，部分桌面式虚拟飞行训练系统配置了VR虚拟眼镜，以增加训练的沉浸感。其中PC机作为系统的核心，完成飞行仿真、虚拟座舱仿真、杆舵数据采集以及系统控制管理等功能。此类虚拟飞行训练系统的优势是结构简单，飞行仿真等核心软件多采用飞行游戏软件。2)半实物模拟飞行训练系统：此类系统多采用半实物虚拟座舱+球幕(或柱幕、折幕)视景的模式，其中半实物虚拟座舱内部布局一般与模拟的飞机座舱内部布局基本一致，视景系统完成相关机场模型、飞机模型等外部场景显示。半实物模拟飞行训练系统针对某一机型构建，多用于新学员座舱实习、基本飞行驾驶术模拟训练，以及改装、技术保持等。

然而，虽然桌面式虚拟飞行训练系统具有结构简单、成本低等优点，但是沉浸感不强、飞行体验不佳等缺点，当采用飞行游戏软件作为飞行仿真核心软件时，飞行仿真的逼真性不佳，娱乐性更强。半实物模拟飞行训练系统具有仿真逼真度高、飞行沉浸感强等优点，但其系统结构复杂，成本昂贵，难以做到大批量配置，多用于飞行部队。且该类模拟系统多针对某一机型构建，通用型较差。

发明内容

本申请的目的旨在至少在一定程度上解决上述的技术问题之一。

为此，本申请的一个目的在于提出一种基于虚拟现实VR的空战对抗虚拟训练系统，该系统具有结构简单、成本低特点的同时，还具有仿真逼真度高、飞行沉浸感强等优点。

为达上述目的，本申请一方面实施例提出了一种基于虚拟现实VR的空战对抗虚拟训练系统，包括：

飞行教控管理分系统和多个模拟器，所述飞行教控管理分系统与每个所述模拟器通过局域网连接和通信，其中，

所述飞行教控管理分系统，用于根据训练科目、机型、地图选择、环境设置信息，生成训练场景；

所述模拟器包括：飞行训练平台分系统、飞行性能仿真分系统、操作系统、运动平台和显示分系统，其中，所述飞行训练平台分系统用于接收所述飞行教控管理分系统发送的所述训练场景；所述飞行性能仿真分系统根据选择的机型信息运行对应的飞行性能仿真模型，以使受训学员通过所述操作系统控制飞机速度、高度和姿态；

所述飞行训练平台分系统还用于获取飞机的位置信息、姿态信息、加速度信息和速度信息，并根据所述位置信息、姿态信息、加速度信息和速度信息驱动训练平台模型和仪表运行；

所述显示分系统用于显示所述训练平台模型和仪表的运行状态信息；

所述运动平台用于接收所述飞行训练平台分系统发送的飞行状态参数，并根据所述飞行状态参数产生动感。

根据本申请实施例的基于虚拟现实VR的空战对抗虚拟训练系统，通过飞行教控管理分系统根据训练科目、机型、地图选择、环境设置信息，生成训练场景，并通过飞行训练平台分系统接收飞行教控管理分系统发送的训练场景；飞行性能仿真分系统根据选择的机型信息运行对应的飞行性能仿真模型，以使受训学员通过操作系统控制飞机速度、高度和姿态，飞行训练平台分系统获取飞机的位置信息、姿态信息、加速度信息和速度信息，并根据位置信息、姿态信息、加速度信息和速度信息驱动训练平台模型和仪表运行，并通过显示分系统显示训练平台模型和仪表的运行状态信息，运动平台接收飞行训练平台分系统发送的飞行状态参数，并根据飞行状态参数产生动感。由此可见，本申请实施例的系统具有结构简单、成本低特点的同时，还具有仿真逼真度高、飞行沉浸感强等优点。

本申请附加的方面和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，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本申请实施例所提供的一种基于虚拟现实VR的空战对抗虚拟训练系统的结构示意图；

图2是根据本申请实施例的基于虚拟现实VR的空战对抗虚拟训练系统的结构示例图；

图3是根据本申请另一个实施例的基于虚拟现实VR的空战对抗虚拟训练系统的结构示例图；

图4是根据本申请实施例的模拟器状态判断逻辑示例图；

图5是根据本申请实施例的飞行性能仿真分系统的整体架构示例图；

图6是根据本申请实施例的仿真线程间通信基本逻辑的示例图。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

下面参考附图描述本申请实施例的基于虚拟现实VR的空战对抗虚拟训练系统。

图1为本申请实施例所提供的一种基于虚拟现实VR的空战对抗虚拟训练系统的结构示意图。如图1所示，该基于虚拟现实VR的空战对抗虚拟训练系统10可以包括：飞行教控管理分系统100和多个模拟器200。其中，飞行教控管理分系统100与每个模拟器200可通过局域网连接和通信。例如，如图2所示，飞行教控管理分系统100可通过交换机11与每个模拟器200连接和通信。

在本申请实施例中，飞行教控管理分系统100可用于根据训练科目、机型、地图选择、环境设置信息，生成训练场景。其中，在本实施例中，每个模拟器200的架构相同，是主要训练功能的载体。如图2所示，模拟器200包括：飞行训练平台分系统210、飞行性能仿真分系统220、操作系统230、运动平台240和显示分系统250。另外，该模拟器200还可包括模拟器主体结构、乘员座椅。需要说明的是，模拟器的数量可根据实际情况而定，作为一种示例，该模拟器200的数量不小于12台，比如图2中所示的n≥12。

在本申请实施例中，飞行训练平台分系统210用于接收飞行教控管理分系统发送的训练场景；飞行性能仿真分系统220根据选择的机型信息运行对应的飞行性能仿真模型，以使受训学员通过操作系统230控制飞机速度、高度和姿态；飞行训练平台分系统还用于获取飞机的位置信息、姿态信息、加速度信息和速度信息，并根据位置信息、姿态信息、加速度信息和速度信息驱动训练平台模型和仪表运行；显示分系统250用于显示训练平台模型和仪表的运行状态信息；运动平台240用于接收飞行训练平台分系统发送的飞行状态参数，并根据飞行状态参数产生动感。

作为一种示例，操纵系统可包括操纵杆、油门台、脚蹬、VR输入设备以及数据采集模块。其中，操纵杆、油门台、脚蹬可采用Hotas A10-C飞行控制组件。其中，飞行性能仿真分系统可包括飞行性能仿真计算机、3型飞机飞行性能仿真模型；飞行训练平台分系统可包括飞行训练平台计算机和飞行训练平台软件；显示分系统包括显示器和VR设备。在训练任务中，飞行训练平台分系统接收来自飞行教控管理分系统发送的基于训练科目、机型、地图选择、环境设置信息而生成的训练场景；飞行性能仿真分系统根据选择的机型信息运行相应的飞行性能仿真模型。受训学员通过VR输入设备进行座舱电门控制，通过操纵输入设备控制飞机速度、高度、姿态等，飞机的位置、姿态、加速度、速度等信息驱动训练平台模型和仪表运行，显示在显示器或者VR设备中。同时飞行参数会驱动运动平台产生动感，给学员更逼真的飞行体验。

需要说明的是，飞行教控管理分系统100主要实现模拟器管理、训练任务管理、训练成绩管理、成绩排名查看和态势监控等功能，包括教控软件、二维态势软件和三维态势软件等三个软件。使用两台计算机，一台计算机采用单屏布局，运行教控软件，一台计算机采用双屏布局，运行二维态势软件和三维态势软件。在本申请一些实施例中，如图3所示，飞行教控管理分系统100可包括：模拟器管理模块110、训练任务模块120、组网对抗模块130、信息管理模块140和态势显示模块150。

在本申请实施例中，模拟器管理模块110可包括模拟器状态监控、远程锁定等功能。其中，1)模拟器状态监控：模拟器管理模块可用于显示各模拟器运行状态、任务状态和当前学员信息。模拟器管理模块接收网内各模拟器心跳包，获取模拟器运行状态。例如，心跳包100ms发送一次，连续500ms未收到模拟器心跳包，则认为该模拟器离线；心跳包主要数据包括心跳包编号、模拟器ID、学员ID等。例如，如图4所示，为模拟器状态判断逻辑示例图，在本示例中，模拟器管理模块可接收网内各模拟器心跳包，若接收到心跳包，则解析模拟器ID和学员ID，判断该学员ID是否有效，若有，则查询数据库，读取学员信息，并确定学员已完成登录，更新模拟器状态；若连续300ms未收到模拟器心跳包，则认为该模拟器离线，若判断学员ID无效，则确定学员未登录，并更新模拟器状态。其中，模拟器状态分为离线、模拟器上线学员未登录、模拟器上线学员登录等三种状态。模拟器离线显示为灰色圆形，模拟器上线学员为登录显示未绿色轮廓空心圆形，学员登录后在绿色边框内显示学员头像。任务状态分为未分配、已分配未执行、执行中和执行完毕四种状态。任务状态在模拟器状态图标下以带框文字显示。

2)模拟器远程锁定：模拟器管理模块110还可实现模拟器任意状态下的冻结功能，冻结状态下，运动平台回中、飞行器和显示画面静止、仪表参数冻结、操纵无效。需要说明的是，该冻结指令可对选定模拟器生效，也可对所有模拟器生效。

在本申请实施例中，训练任务模块120主要包括训练任务制定发布、训练成绩管理、训练科目管理等功能。作为一种示例，训练任务模块120可包括训练任务管理单元，该训练任务管理单元可提供飞行技术训练管理页面，该飞行技术训练管理页面整体分成左右结构，可包括训练科目任务列表与项任务详情信息。训练任务制定包括科目选择、环境选择以及模拟器及人员匹配。设置完成后，单击“确认”按钮可将训练科目和环境设置发送到参训学员模拟器，参训学员根据科目信息进行训练。训练任务发送数据包包括数据包编号、训练区域编号、训练类别编号、科目编号、环境设置编号和学员ID列表。数据包通过广播方式发送，确保所有在线模拟器都能收到设置信息。

在本实施例中，训练任务模块120还可实现训练成绩管理功能，例如，在训练任务结束后，由教员通过任务详情页学员名单列表录入学员的成绩及教员评估等信息；预留训练成绩输出接口。

在本实施例中，训练任务模块120还可包括训练科目管理单元。例如，训练科目管理单元提供训练科目的添加、修改和删除功能，通过主界面顶部的图标进入。训练科目包括科目编号、机型、科目分类、科目名称、科目训练过程简述、科目评估标准和备注等五项。其中，科目分类分为飞行技术训练和对抗训练两大类，飞行技术训练又分为单机训练科目和多机协同训练科目。训练科目管理单元还可提供训练科目管理页面。训练科目管理页面打开后，训练科目管理单元读取训练科目数据库，获取所有科目信息，并在左侧表格中显示(仅显示科目编号和科目名称)。双击已有科目列表行，在右侧区域显示当前科目详细信息，在显示的信息中可以对当前科目进行修改，修改完成后单击“保存”按钮，则修改信息生效。双击表后空白区域，可添加新的训练科目，科目信息在右侧区域进行编辑后保存。

在本申请实施例中，组网对抗模块130可提供组网对抗模式和成绩排名显示功能。作为一种示例，对抗分为分组对抗和自由对抗两种可选模式。分组对抗模式下可将学员分别拖放到分组区域，完成学员分组，每组最多6人；自由对抗模式下，同样采用选取方式添加学员，最多可支持12人。地图选择和环境设置与飞行训练模式操作相同。设置完成后点击开始按钮，等待所有学员加入后开始对抗训练。对抗任务结束后，分组对抗显示双方胜败状态以及各学员的击落数量、生存时间等信息；自由对抗按照学员击落数量与生存时间由高到低依次进行排名展示。

在本申请实施例中，信息管理模块140主要实现人员信息的添加、修改和删除等功能，包括教员、学员和管理员等。模块内置管理员账户，不可外部更改。信息管理模块140可提供人员信息管理页面。在人员信息管理页面打开后，左侧表格加载已存在数据库中学员信息。双击学员信息行，学员详细信息会显示在右侧区域，此时管理员可以进行学员信息修改和删除操作。修改学员信息，可以在对应项上直接修改，修改后点击保存按钮更新数据库信息。使用“Delete”可将学员信息删除。双击表格空白处，可在右侧信息区域编辑新增学员信息，编辑完成后点击保存按钮，更新数据库和列表学员信息。

在本申请实施例中，态势显示模块150可采用二维和/或三维的形式，针对单个飞行训练任务以及组网对抗任务进行跟踪显示。其中，二维模式下以电子地图为背景；航空器以军标形式显示，航空器标识位置、航向同飞行训练端保持一致；航空器右上方以文本形式显示学员编号和姓名。三维模式以三维地理地形为背景，航空器以3D模型的形式显示，航空器位置、高度、航向同飞行训练端一致；支持多角度视点跟踪显示。

在本申请一些实施例中，如图3所示，飞行训练平台分系统210包括：登录管理模块211、训练任务模块212、快速行动模块213、基础资源库214和虚拟座舱215。飞行训练平台分系统210是训练任务的执行平台，所有学员的训练任务在飞行训练平台分系统上进行，飞行训练平台分系统主要实现视景显示功能、仿真仪表功能、训练控制台下发任务响应功能等。

在本申请实施例中，登录管理模块211实现用户登录功能，预留人脸识别接口。模拟器开机后默认进入登录界面，用户登录后方可使用训练任务等功能。登录后在主界面右上角显示学员照片，单击学员照片显示学员详细信息。学员详细信息包括学员姓名、学员编号、各类任务名和统计数据等。学员任务结束需要注销登录，注销登录后模拟器返回开机界面，仅可进入“快速启动”功能，其他功能区域不可用。

在本申请实施例中，训练任务模块212响应控制台任务设置。例如，飞行教控管理分系统下发任务后，飞行训练平台分系统自动中断当前所进行的单机操作进入任务模式。训练任务模块212接收到飞行教控管理分系统发任务后，根据飞行教控管理分系统下发的地图编号、天气编号和共同执行人编号等自动配置训练环境，训练环境配置完成后进入任务界面。进入任务界面后开始倒计时。学员进入训练任务模块后可看到飞行教控管理分系统下发的任务，启动任务并开始执行。进入训练任务界面后，画面中央区域显示科目名称、科目条件和共同执行人，默认倒计时15S后进入训练任务。

在本申请实施例中，快速行动模块213用于在模拟器运行模式为自由模式时，提供针对地图、机型、时间、天气的自由选择功能。例如，模拟器运行模式为“自由模式”时，该功能可用。学员可自由选择地图、机型、时间、天气等，进行自由训练，仅用于单机飞行体验模式。

在本申请实施例中，基础资源库214包括地景库和飞行器模型。其中，地景库提供几个典型的训练机场及其周边≥100平方千米区域，精度≥0.5米地景，周边地形包括山脉、河流、城市等。地景库可根据训练需要添加。另外，飞行器模型可包括3型飞机的三维模型，外观与实装基本一致。飞行器模型可根据训练需要增加。

在本申请实施例中，虚拟座舱215为飞行器模型所对应的型号飞机的虚拟座舱模型。其中，虚拟座舱模型可采用3dmax构建。虚拟座舱与实际的飞机座舱内部基本一致，仪表可通过飞行参数驱动。

在本申请一些实施例中，飞行性能仿真分系统220可采用数据模型分离的方式构建，可根据提供的气动、发动机、控制系统等参数的不同模拟不同机型的飞行性能。在本实施例中，系统提供了前述3型飞机的飞行性能仿真。如图5所示，飞行性能仿真分系统220包括本地数据、基础算法、网络通信和各子系统仿真模块。其中，本地数据以规定格式存储气动、发动机、起落架等仿真所需数据；网络通信接收来自飞行教控管理分系统、飞行控制设备(两杆一舵)、虚拟座舱等数据并解析，同时将各仿真线程计算获得数据发送给各使用数据系统；各业务仿真模块以独立线程运行，数据通过内部线程通信机制交互，交互逻辑如图6所示。具体而言，在本实施例中，飞行性能仿真分系统220包括：气动特性仿真模块、飞行控制系统仿真模块、发动机仿真模块、起落架系统仿真模块、质量特性仿真模块和运动学仿真模块。其中，气动特性仿真模块包括基础气动特性仿真、副翼仿真、升降舵仿真、方向舵仿真、起落架、扰流板仿真、滑流、地效仿真、其他和气动力/力矩计算和转换等。基础气动特性仿真是指飞机在空中、除襟翼外舵面无偏转、起落架收起状态时飞机的气动特性仿真，副翼、升降舵、方向舵、起落架、减速板、滑流、地效等模块以增量形式出现。

在本实施例中，飞行控制系统仿真模块包括数据采集、操纵与传动。数据采集单元实现操纵杆、油门台、脚蹬及其设备上开关/按钮等数据的采集处理；操纵与传动仿真单元实现操纵杆、脚蹬、起落架收放手柄、油门台等操纵机构的仿真，实现操纵杆系、舵机传动或作动特性的仿真。

在本实施例中，发动机仿真模块包括发动机基本性能仿真单元、发动机控制系统仿真单元、发动机操纵仿真单元、发动机故障响应单元和发动机力和力矩计算单元。其中，发动机基本性能仿真单元计算发送机推力/拉力、转速、排气温度、涡轮间温度、功率/扭矩；发动机控制单元根据系统需要，实现发动机转速/功率控制等，输出量为油门开度/燃油流量；发动机操纵仿真单元实现发动机油门操纵、气动/关车程序等操纵功能。

在本实施例中，起落架系统仿真模块包括起落架收放、前轮转弯、减震支柱模型、轮胎模型、刹车模型和故障响应等单元。其中，起落架收放单元对前起落架和主起落架收放过程仿真；前轮转弯仿真实现前轮转弯操纵、前轮转弯角计算等功能；减震支柱仿真模型包括前起落架减震支柱模型、左主起落架减震支柱模型和右主起落架支柱模型，实现包括支柱压缩量、支柱压缩速度、支反力计算等功能；轮胎模型包括前轮轮胎模型、左主起落架轮胎模型和右主起落架轮胎模型，实现轮胎变形(主要是压缩和侧向变形)、轮胎摩擦、轮胎侧力计算等功能；刹车模型包括左主起落架和右主起落架刹车模型，实现刹车压力事件、刹车力矩和刹车力计算、刹车热力学、防滑和自动刹车(如果有)等功能。

在本实施例中，质量特性仿真模块主要包括实时总重、实时重心和实时转动惯量计算。影响质量特性的参数主要包括机组变化、燃油消耗、武器投放、人员或物资投放等。

在本实施例中，运动学仿真模块主要包括体轴系合力和合力矩计算、平动动力学仿真、转动动力学仿真和地理信息参数计算等单元。其中，体轴系合力和合力矩计算主要计算体轴系下的合力和合力矩；平动动力学仿真单元计算体轴系三轴加速度、速度和空速，地轴系三向加速度、速度和地速，迎角、侧滑角、航迹俯仰角和航迹偏航角等，同时响应教员台空速/地速冻结和重置等；转动动力学仿真单元计算体轴系绕三轴角加速度、角速度、欧拉角等；地理信息仿真单元计算飞机经纬度、几何升降率、海拔高度、气压高度等参数。

综上所述，本申请实施例的基于虚拟现实VR的空战对抗虚拟训练系统主要可用于单机飞行技术训练、多机编队训练、多机对抗训练，主要具备如下功能：1)模拟器管理功能：用于监控模拟器和任务运行状态、管理模拟器运行模式等；2)任务管理功能：实现单机/多机任务管理，下发任务给对应学员/模拟器；3)具备联网训练功能：支持编队训练、对抗训练等；4)任务记录和回放功能；5)学员信息管理功能；6)多种机型飞行性能模拟：本申请已集成了三种型号飞机的飞行仿真模型，模型采用的是高逼真度飞行仿真模块，与相应机型的飞机飞行性能高度一致；7)提供与飞行性能仿真分系统220相对应的三型飞机的三维模型，包括座舱仪表模型，与实装基本保持一致；8)动感模拟功能：动感平台提供的平台运动可实现部分飞行机动的动感模拟。

根据本申请实施例的基于虚拟现实VR的空战对抗虚拟训练系统，通过飞行教控管理分系统根据训练科目、机型、地图选择、环境设置信息，生成训练场景，并通过飞行训练平台分系统接收飞行教控管理分系统发送的训练场景；飞行性能仿真分系统根据选择的机型信息运行对应的飞行性能仿真模型，以使受训学员通过操作系统控制飞机速度、高度和姿态，飞行训练平台分系统获取飞机的位置信息、姿态信息、加速度信息和速度信息，并根据位置信息、姿态信息、加速度信息和速度信息驱动训练平台模型和仪表运行，并通过显示分系统显示训练平台模型和仪表的运行状态信息，运动平台接收飞行训练平台分系统发送的飞行状态参数，并根据飞行状态参数产生动感。由此可见，本申请实施例的系统具有结构简单、成本低特点的同时，还具有仿真逼真度高、飞行沉浸感强等优点。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。