基于VR技术的舰炮射击模拟器研究与设计
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高低角和方向角的变化量是连续的模拟信号，必须进行 Ａ／Ｄ转换，系统设计用两个圆形光栅编码器来完成。
通过单片机的输入接口，将圆形光栅编码器产生的信号 和舰炮发射开关产牛的信号送入单片机，利用存储在单片机 中的程序对对这些脉冲进行编码，并将编码后的数据送到 Ｐｃ机，从而完成对舰炮动作的数据采集工作。 ４．２弹道坐标的解算
ｔ１１ｅ枷ｃｌｅ，鲫ｄ ｉｃ ｔｍｉｎｅｒ ｆｏｒ ｔｈｅ ｎａｖａｌ ｇｕｎ ｆｉ阳ｗｅｒｅ ｄｅ８ｉｇｎｅｄ ｉｎ
ｔｈｅ ８ｈｅｌｌ ｎ甸ｅｃｔｏｒｙ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ ｒｅ８０ｌｖｉｎｇ ｐｍｂｌｅｍ ｗ鹪
ａｌｓｏ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｖｅ弘ｗ髓ｃｏＩＴｌｂｉｎｅｄ诵山Ｃ删ｏｒ ｔｏ ｃａｎｙ删ｔ ｇｍｕｎｄ ｖｉｓｉｏｎ ８ｙ８ｔｅｍ’ｓ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，鲫ｄ ａ“ｂｌｅｔｏｐ—ｌｉｋｅ
Ｒ姻ｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ＮａＶａｌ Ｇｕｎ Ｆｉｒｉｎｇ
Ｓｉｍｌｌｌａｔｏｒ Ｂ嬲ｅｄ蚰ｖｉｍｌａｌ Ｒｅａｌｉｔｙ ＴｅｃｌｌＩｌｏｌｏ醑
ＺＨＡＯ Ｗｅｉ，ＷＵ Ｘｕ—ｇｕ锄ｇ
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的Ｃ语言应用程序ＡＰＩ接几，同时还拥有一个町以大大简化
应用程序开发过程的图形环境用，。，操作界面Ｉ胛ｘ。 Ｖｅｇａ奉身，现行ｉ种应用程序模型：经典模型，主程序为
ｍａｊｎ（）；标准的ｗｉｎｄｏｗｓ应用程序，主程序为ｗｉｎＭａｉｎ（）；基
于ＭＦｃ的ｗｉｎｄｏＷｓ应用程序。但不论何种模式，Ｖｅｇａ应用
程序的主要一Ｊ：作流程构架均由下列语句构成：
简单的能够包同复杂鼍维物体的最小长方体代替三维物体。
三维场景的分割，是把大面积的场景分割成某种钉序的小面
积场景，在进行碰撞榆测时，先确定两个碰撞物体是否同时
处于某个小面积场景中。如果足，则进一步判断是否碰撞；
如果不足，则表明这两个物体一定不会碰撞。合理确定采样
问隔，最简单的采样方法就是固定时间间隔法，每隔一定的
ｖｇＩｎｉｔｓｙｓ（）；
／／初始化系统
ｖｇＤｅ６ｎｅｓｙｓ（“ｍｙａｐｐ．ａｄ｜ｆ，）；／／定义系统
ｖｇＣｏｒＩｆｉｇｓｙｓ（）； ｗｈｊｌｅ（１）
／／设置系统
｛
／／实时循环体
ＡＢＳＴＲ▲ｃＴ：Ｐ嘲哪Ⅱｙ，ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ｏ日弘ｎｉｚｅｄ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ日ｌｉ伽ｃ伽ｐｌｅｘ ｏｆ ｔＩＩｅ ｆｉ而ｎｇ ｐ眦ｔｉ∞，ｔｈｅ ｆ；ｒｉＩＩｇ ｐ彘ｔｉｃｅ ｔｒａｉｎ－
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炮弹发射后每个弹丸的弹道坐标都可以通过解弹道方 程得到，该弹道方程足二阶微分方程，本系统将该方程转换 成两个一阶方程，应用标准四阶龙格一库塔方法求解弹道方
警一‰（”Ｐ．（Ｅ∞志 程。两个一阶微分方程为： 警一‰ｃ肌川州，志㈩
‰＝％·嘣岛
‰＝Ｋ’ｓｉｎ如
生 出 ：ｙ。
鲁＝匕
（２）
‰＝０
ｙｏ＝Ｏ
式中：Ｃ删（＾，）——弹丸阻力系数函数；
铅垂线为ｚ轴表示的三维坐标系巾，这样就可以得到相对于
发射点的三维坐标，再加上发射点的绝对坐标，就可以得到
弹丸坐标的三维绝对坐标。
ｒ ２算…Ｂ㈣＋彤
，
｛儿＝茗·Ｂｉｎ（ｚ｜ｃ＋卢）
（３）
【乙：，，
４．３命中目标问题
舰炮射击模拟器不但要计算每发炮弹在空中的运行轨
迹，而且还要判断每发炮弹在发射后是否命中Ｆ１标，因此要
３系统的组成
根据海军舰炮射击¨Ｉｌ练的需要，综合考虑海军舰炮射击 时的程序流程，设计模拟器的软件构成图如图ｌ所示，硬件 构成图如图互所示。
４系统设计中的关键技术
模拟器设计的关键技术有：Ａ／Ｄ转换及单片机数据采集 技术；舰炮发射炮弹时弹道坐标的解算；炮弹命中目标的问
一３０２一
万方数据
圈ｌ舰炮射击训练模拟器软件构成圈
ｔｙｐｅ ｓｙｓｔｅｍ
１引言 虚拟现实（Ｖｉｒｔｕａｌ Ｒ训畸，简称ＶＲ），是一种基于可计算
信息的沉浸式交互环境，具体地说，就是采用以计算机技术 为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉一体化的特定 范围的虚拟环境，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟 环境中的对象进行交互作用、相互影响，从而产生亲临等同 真实环境的感受和体验。
台为Ｐｃ平台，ＭｕＩｔｉｇｅｎ ｃ陀ａｔｏｒ也可借助各种专业３Ｄ图形加
速膏，给用户提供一个“所见即所得”的交瓦式叮视化建模软
件环境。它的主要功能包括：多边形建模功能、模制数据库
控制功能、纹理映射功能、多细节层次（ＬＯＤ）建模等。
４．４．２实时仿真驱动软件
Ｖｅｇａ既叮以运行于专门的图像图形１二作站，也可以运行
设计系统为一个半实物、人在同路的训练模拟器。模拟 器提供炮手进行训练的实物平台和单片机、显示器等设备的 安装平台，炮手通过操纵高低和方向手轮控制舰炮的俯仰和 旋回，击．发开天进行射击。
本系统需要解决以下几个问题： １）系统能灾时采集炮手的操作，并根据炮手的操作产生 相应的视景变化。 ２）占发时虚拟弹头能模拟真实弹头的运动轨迹，并能判 断是否命中目标。 ３）由Ｐｃ机生成的三维海战场景与各个战斗实体必须和 真实的情况相似，使炮手产生身临其境的真实感受。 ２．３模拟器的仿真方法 本文结合计算机数据采集技术、计算机三维实时仿真技 术、虚拟现实技术、弹道学原理和舰艇运动原理，以常用的海 军３７毫米舰炮武器为仿真对象，对舰炮射击训练模拟器进 行了系统的整体技术研究。 本文设计在单片机和Ｐｃ机构成的硬件平台上，利用 Ｐｍｔｅｌ９９ＳＥ设计实时数据采集的硬件电路，用｝ｆ：编语言编写 实时数据采集的单片机程序，用ｃ＋＋语言编写实口寸数据采 集的Ｐｃ机程序，利用ｃｒｅａｔｏｒ建立模拟器中所需的各种三维 实体模璎，用Ｖｃ和Ｖｅｇａ建立仿真的＝三维海战视景和声音环 境，并凡研究了炮弹弹道坐标的解箅＾Ⅱ题以及利用场景分割 和包围盒等技术提高炮弹命中检测效率的方法。
ｂ｛璩ｉｃａｌｌｙ矧ｉｚｅｄ ｖｉｒｔｕａｌ ｒｅａｌｉｔｙ ｓｙ８ｔｅｍ ｗ鹊ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｉｔ ｈａ８
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在普通的ＰＣ机的Ｗｉｎｄｏｗｓ平台上，相比于其他开发工具以
及底层开发手段，Ｖｅｇａ足一套完整地用于开发交互式、可视
化仿真应用的软件平台和Ｔ具集，它最基本的功能足驱动、
控制、管理虚拟场景并能够方便的实现大量特殊视觉和声音
效果，它拥有大量的功能齐全的功能模块，它包含了一整套
可以提供最充分的软件挖制同时又具有最大灵活性的完备
Ｐ一啮合参数，Ｐ＝≮三？，ｉ为弹性系数，５为弹丸横 厶’ｎ‘
断面积，ｐ为空气密度，ｍ为弹丸质量。
由于弹道方程中的标准弹丸阻力系数函数％。（．ｊｌ，）由
弹丸的存速决定，而Ｃ。。，（ＪＩ，）是一个不规则曲线，可通过查 表得到，所以每一步先查表得到ｃ，。。（肘）的值，然后应用龙 格一库塔函数解出弹丸的存速，将该存速作为参数再一次调
第２５卷第１２期 文章编号：ｌ∞６—９３４８（２００８）１２—０３０ｌ—０４
计算 机仿 真
２００８年１２月
基于ＶＲ技术的舰炮射击模拟器研究与设计
赵伟，吴旭光，成静
（西北工业大学航海学院，陕西西安７１００ｒ７２）
摘要：由了：进行实弹射击的组织实施复杂，花费多，危险性大，易受天气、海况等条件影响，海军舰艇部队进行的实弹射击训 练非常有限。远远不能达到实战的需要。对舰炮射击仿真训练模拟器的软件、硬件进行了总体｛殳计，研究了炮弹弹道坐标的 解算问题，使用Ｖｅｇａ结合ｃｒｅａｌｏｒ进行视景系统的开发，研究建立了桌面式的虚拟现实系统。基本实现了舰炮射击仿真训 练模拟器的桌面原型系统，为火炮操作人员进行射击训练提供了一个小型的模拟平台，也为今后实装部队和院校教学的半 实物洲练模拟器或利用头盔显示器实现沉浸式虚拟现实系统打下了较好的技术基础。 关键词：数据采集；弹道解算；可视化建模；视景仿真；桌面原型系统 中圈分类号：１∞９１．９ 文献标识码：Ｂ
砌ｎｉｎｇ． Ｉｔ ｈ鹪ａｌｓｏ ｐｍｖｉｄｅｄ ａ ９００ｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ ｂａ船ｆｏｒ ｆｕｔｌＩｒｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏ哪．
圈姗７０劝Ｓ：Ｄａｂ∞ｑｕｉｓｉｌｉ佣；７Ｉ’ｍｊｅｃｔｏｒｙ瑚ｏｌ“ＩＩｇ；Ｖｉ８ｕａｕｚｍｉｏｎ ｍｏｄ出ｎｇ；Ｖｉ陇ａｌ Ｓｉ舢１８ｔｉ伽；’Ｉ址ｌｅｔｏｐ ｐ呲ｏ．
龙格一库塔函数解出弹丸的位置。前面的弹道方程的坐标
系都足以发射点为原点，以炮口水平面和射击平面的交线为
ｘ轴，过发射点的铅垂线为ｙ轴表示的，是两维弹道方程，要
在三维场景巾描述弹道轨迹，还要将通过解ｉ亥方程化得到的
二维坐标转换为三维坐标，转换方法是通过将二维坐标分解
到以发射点为原点，以真北为ｙ轴，正东为ｘ轴，过发射点的
目前，虚拟现实在军事领域的应用越来越广泛。在战场 环境仿真、武器装备训练、实弹射击模拟等方面，虚拟现实技 术都有着非常广泛的应用。
由于进行舰炮实弹射击的组织实施复杂，花费多，危险
收稿日期：２０魄一们一２３修回日期：２０∞一鸺一仍
万方数据
性大，易受天气海况等条件影响。海军舰艇部队实际进行的 实弹射击训练非常有限，远远不能达到实战的需要。舰炮射 击仿真训练模拟器的研制，即可以满足海军基层舰艇部队火 炮控制人员进行模拟射击训练的需要，提高部队舰炮射击训 练水平；又可以用于海军院校中从事舰炮教学的相关单位进 行模拟器仿真操作教学，使教学更加形象化、真实化、激发学 生的学习积极性和参与性。本文将对海军舰炮武器系统进 行射击训练模拟器的系统总体设计分析研究，为今后实装部 队和院校教学的半实物训练模拟器或利用头盔显示器实现 沉浸式虚拟现实系统打下了较好的技术基础。
２系统的原理
海军装备使用的舰炮武器系统分为无指挥仪和有指挥 仪两种，下面以无指挥仪的”毫米舰炮武器为例，对模拟器
一３０ｌ一
进行总体设计。对于有指挥仪的舰炮武器系统，则需要进行 一些改动。 ２．１射击过程分析
本模拟器主要针对舰炮的瞄准系统进行设计，瞄准系统 主要涉及高低机、方向机、对空瞄准具和对海瞄准具四个 装置。
时间进行一次检测。
４．４三维海战场景的建模与显示
４．４．１实时仿真建模软件
Ｍｕｌｔｉｇｅｎ Ｃ陀ａｔｏｒ软件包是Ｍｕｌｔｉｇｅｎ—Ｐ姗ｄｉｇｒｎ公司针对
视景仿真行业专门推出的三维建模软件，它提供ｒ分别运行
于高端ｓＧｌ Ｉ冬Ｉ形Ｔ：作站和低端ＰＣ平台的不同版本，可以最
大限度的满足不同的应用需求。本文所采用的硬件应用平
对每发炮弹进行命中检测，也就是进行碰撞检测。
为了逼真再现门标的形状，每个日标的表面从几百个到
几千个三角平面不等。如果没，ｆｆ高效的命中检测方法，命巾
检测将占用ＣＰＵ大量的时间，将严重影响整个系统的实时
性。因此本系统从ｉ维物体简化、场景分割及合理确ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ采样
间隔三方面人手，提高炮弹命巾检测的效率。
简化复杂ｉ维物体的方法一般采用包围盒法，即用一个
３７毫米舰炮主要用于射击近距离的空中和海、岸目标。 射击过程中，由指挥所用语音通报目标的位置、运动方向和 速度等信息。对窄射击时，根据目标进入角和速度计算提前 系数和提前速度，操纵高低和方向手轮使目标保持在对窄瞄 准器速度环的相应位置上，根据情况进行射击，然后进行弹 着点修正。对海射击时，根据指挥所下达的距离角和方向 角，操纵高低和方向手轮使目标保持在对海瞄准器分划板的 相应位置上，根据情况迸行射击，进行弹着点修正。 ２．２模拟器的功能
舰 —．１离１医角光Ｉ憎码器Ｐ一．
电
鱼
平
ＰＣ
炮 —·Ｉ方向角光－簟毋嚣｝＿－ 片 —＿－ 转 ＿．
叫㈣开关卜 武
机
换
机
器
芯
—．｜ 对空髓准显示器ｌ —叫 ｌ 对簿瞄水显小船 —．１ 教练显示嚣 ｌ
。１ 立体青糟
Ｉ
圉２靓炮射击训练模拟器硬件构成图 题；三维海战场景的建模与显乐；立体显示技术等。 ４．１ Ａ／Ｄ转换及单片机数据采集技术
通过单片机的输入接口，将圆形光栅编码器产生的信号 和舰炮发射开关产牛的信号送入单片机，利用存储在单片机 中的程序对对这些脉冲进行编码，并将编码后的数据送到 Ｐｃ机，从而完成对舰炮动作的数据采集工作。 ４．２弹道坐标的解算
ｔ１１ｅ枷ｃｌｅ，鲫ｄ ｉｃ ｔｍｉｎｅｒ ｆｏｒ ｔｈｅ ｎａｖａｌ ｇｕｎ ｆｉ阳ｗｅｒｅ ｄｅ８ｉｇｎｅｄ ｉｎ
ｔｈｅ ８ｈｅｌｌ ｎ甸ｅｃｔｏｒｙ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ ｒｅ８０ｌｖｉｎｇ ｐｍｂｌｅｍ ｗ鹪
ａｌｓｏ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｖｅ弘ｗ髓ｃｏＩＴｌｂｉｎｅｄ诵山Ｃ删ｏｒ ｔｏ ｃａｎｙ删ｔ ｇｍｕｎｄ ｖｉｓｉｏｎ ８ｙ８ｔｅｍ’ｓ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，鲫ｄ ａ“ｂｌｅｔｏｐ—ｌｉｋｅ
Ｒ姻ｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ＮａＶａｌ Ｇｕｎ Ｆｉｒｉｎｇ
Ｓｉｍｌｌｌａｔｏｒ Ｂ嬲ｅｄ蚰ｖｉｍｌａｌ Ｒｅａｌｉｔｙ ＴｅｃｌｌＩｌｏｌｏ醑
ＺＨＡＯ Ｗｅｉ，ＷＵ Ｘｕ—ｇｕ锄ｇ
（Ｃｏｕｅｇｅ ０ｆ Ｍ耐他Ｅｎｇｉｎ唧｛Ｉｌｇ，Ｎ叭ｈ嘲ｔｅｍ Ｐｏｌｙ魄ｈｎｉｃａｌ ｕｎｉＶｅ玛ｉ哆，ｘｉ＇舯Ｓｈ哪ｉ ７１０凹２，Ｃ．Ｉｉ眦）
的Ｃ语言应用程序ＡＰＩ接几，同时还拥有一个町以大大简化
应用程序开发过程的图形环境用，。，操作界面Ｉ胛ｘ。 Ｖｅｇａ奉身，现行ｉ种应用程序模型：经典模型，主程序为
ｍａｊｎ（）；标准的ｗｉｎｄｏｗｓ应用程序，主程序为ｗｉｎＭａｉｎ（）；基
于ＭＦｃ的ｗｉｎｄｏＷｓ应用程序。但不论何种模式，Ｖｅｇａ应用
程序的主要一Ｊ：作流程构架均由下列语句构成：
简单的能够包同复杂鼍维物体的最小长方体代替三维物体。
三维场景的分割，是把大面积的场景分割成某种钉序的小面
积场景，在进行碰撞榆测时，先确定两个碰撞物体是否同时
处于某个小面积场景中。如果足，则进一步判断是否碰撞；
如果不足，则表明这两个物体一定不会碰撞。合理确定采样
问隔，最简单的采样方法就是固定时间间隔法，每隔一定的
ｖｇＩｎｉｔｓｙｓ（）；
／／初始化系统
ｖｇＤｅ６ｎｅｓｙｓ（“ｍｙａｐｐ．ａｄ｜ｆ，）；／／定义系统
ｖｇＣｏｒＩｆｉｇｓｙｓ（）； ｗｈｊｌｅ（１）
／／设置系统
｛
／／实时循环体
ＡＢＳＴＲ▲ｃＴ：Ｐ嘲哪Ⅱｙ，ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ｏ日弘ｎｉｚｅｄ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ日ｌｉ伽ｃ伽ｐｌｅｘ ｏｆ ｔＩＩｅ ｆｉ而ｎｇ ｐ眦ｔｉ∞，ｔｈｅ ｆ；ｒｉＩＩｇ ｐ彘ｔｉｃｅ ｔｒａｉｎ－
ｉｎｇ ｉｓ ｌｉＩＩｌｉｔｅｄ，明ｄ ｃ帅ｎｏｔ ｍｅｅｔ ｔｈｅ∞ｔＩｌａｌ ｃｏ盯也酊８ ｎ∞ｄ ｂｙ ｆｈ．卟ｅ ８０ｆｔ姗鹏明ｄ ｈａｒｄｗａｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ８”ｔｈｅｔ－
炮弹发射后每个弹丸的弹道坐标都可以通过解弹道方 程得到，该弹道方程足二阶微分方程，本系统将该方程转换 成两个一阶方程，应用标准四阶龙格一库塔方法求解弹道方
警一‰（”Ｐ．（Ｅ∞志 程。两个一阶微分方程为： 警一‰ｃ肌川州，志㈩
‰＝％·嘣岛
‰＝Ｋ’ｓｉｎ如
生 出 ：ｙ。
鲁＝匕
（２）
‰＝０
ｙｏ＝Ｏ
式中：Ｃ删（＾，）——弹丸阻力系数函数；
铅垂线为ｚ轴表示的三维坐标系巾，这样就可以得到相对于
发射点的三维坐标，再加上发射点的绝对坐标，就可以得到
弹丸坐标的三维绝对坐标。
ｒ ２算…Ｂ㈣＋彤
，
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【乙：，，
４．３命中目标问题
舰炮射击模拟器不但要计算每发炮弹在空中的运行轨
迹，而且还要判断每发炮弹在发射后是否命中Ｆ１标，因此要
３系统的组成
根据海军舰炮射击¨Ｉｌ练的需要，综合考虑海军舰炮射击 时的程序流程，设计模拟器的软件构成图如图ｌ所示，硬件 构成图如图互所示。
４系统设计中的关键技术
模拟器设计的关键技术有：Ａ／Ｄ转换及单片机数据采集 技术；舰炮发射炮弹时弹道坐标的解算；炮弹命中目标的问
一３０２一
万方数据
圈ｌ舰炮射击训练模拟器软件构成圈
ｔｙｐｅ ｓｙｓｔｅｍ
１引言 虚拟现实（Ｖｉｒｔｕａｌ Ｒ训畸，简称ＶＲ），是一种基于可计算
信息的沉浸式交互环境，具体地说，就是采用以计算机技术 为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉一体化的特定 范围的虚拟环境，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟 环境中的对象进行交互作用、相互影响，从而产生亲临等同 真实环境的感受和体验。
台为Ｐｃ平台，ＭｕＩｔｉｇｅｎ ｃ陀ａｔｏｒ也可借助各种专业３Ｄ图形加
速膏，给用户提供一个“所见即所得”的交瓦式叮视化建模软
件环境。它的主要功能包括：多边形建模功能、模制数据库
控制功能、纹理映射功能、多细节层次（ＬＯＤ）建模等。
４．４．２实时仿真驱动软件
Ｖｅｇａ既叮以运行于专门的图像图形１二作站，也可以运行
设计系统为一个半实物、人在同路的训练模拟器。模拟 器提供炮手进行训练的实物平台和单片机、显示器等设备的 安装平台，炮手通过操纵高低和方向手轮控制舰炮的俯仰和 旋回，击．发开天进行射击。
本系统需要解决以下几个问题： １）系统能灾时采集炮手的操作，并根据炮手的操作产生 相应的视景变化。 ２）占发时虚拟弹头能模拟真实弹头的运动轨迹，并能判 断是否命中目标。 ３）由Ｐｃ机生成的三维海战场景与各个战斗实体必须和 真实的情况相似，使炮手产生身临其境的真实感受。 ２．３模拟器的仿真方法 本文结合计算机数据采集技术、计算机三维实时仿真技 术、虚拟现实技术、弹道学原理和舰艇运动原理，以常用的海 军３７毫米舰炮武器为仿真对象，对舰炮射击训练模拟器进 行了系统的整体技术研究。 本文设计在单片机和Ｐｃ机构成的硬件平台上，利用 Ｐｍｔｅｌ９９ＳＥ设计实时数据采集的硬件电路，用｝ｆ：编语言编写 实时数据采集的单片机程序，用ｃ＋＋语言编写实口寸数据采 集的Ｐｃ机程序，利用ｃｒｅａｔｏｒ建立模拟器中所需的各种三维 实体模璎，用Ｖｃ和Ｖｅｇａ建立仿真的＝三维海战视景和声音环 境，并凡研究了炮弹弹道坐标的解箅＾Ⅱ题以及利用场景分割 和包围盒等技术提高炮弹命中检测效率的方法。
ｂ｛璩ｉｃａｌｌｙ矧ｉｚｅｄ ｖｉｒｔｕａｌ ｒｅａｌｉｔｙ ｓｙ８ｔｅｍ ｗ鹊ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｉｔ ｈａ８
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在普通的ＰＣ机的Ｗｉｎｄｏｗｓ平台上，相比于其他开发工具以
及底层开发手段，Ｖｅｇａ足一套完整地用于开发交互式、可视
化仿真应用的软件平台和Ｔ具集，它最基本的功能足驱动、
控制、管理虚拟场景并能够方便的实现大量特殊视觉和声音
效果，它拥有大量的功能齐全的功能模块，它包含了一整套
可以提供最充分的软件挖制同时又具有最大灵活性的完备
Ｐ一啮合参数，Ｐ＝≮三？，ｉ为弹性系数，５为弹丸横 厶’ｎ‘
断面积，ｐ为空气密度，ｍ为弹丸质量。
由于弹道方程中的标准弹丸阻力系数函数％。（．ｊｌ，）由
弹丸的存速决定，而Ｃ。。，（ＪＩ，）是一个不规则曲线，可通过查 表得到，所以每一步先查表得到ｃ，。。（肘）的值，然后应用龙 格一库塔函数解出弹丸的存速，将该存速作为参数再一次调
第２５卷第１２期 文章编号：ｌ∞６—９３４８（２００８）１２—０３０ｌ—０４
计算 机仿 真
２００８年１２月
基于ＶＲ技术的舰炮射击模拟器研究与设计
赵伟，吴旭光，成静
（西北工业大学航海学院，陕西西安７１００ｒ７２）
摘要：由了：进行实弹射击的组织实施复杂，花费多，危险性大，易受天气、海况等条件影响，海军舰艇部队进行的实弹射击训 练非常有限。远远不能达到实战的需要。对舰炮射击仿真训练模拟器的软件、硬件进行了总体｛殳计，研究了炮弹弹道坐标的 解算问题，使用Ｖｅｇａ结合ｃｒｅａｌｏｒ进行视景系统的开发，研究建立了桌面式的虚拟现实系统。基本实现了舰炮射击仿真训 练模拟器的桌面原型系统，为火炮操作人员进行射击训练提供了一个小型的模拟平台，也为今后实装部队和院校教学的半 实物洲练模拟器或利用头盔显示器实现沉浸式虚拟现实系统打下了较好的技术基础。 关键词：数据采集；弹道解算；可视化建模；视景仿真；桌面原型系统 中圈分类号：１∞９１．９ 文献标识码：Ｂ
砌ｎｉｎｇ． Ｉｔ ｈ鹪ａｌｓｏ ｐｍｖｉｄｅｄ ａ ９００ｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ ｂａ船ｆｏｒ ｆｕｔｌＩｒｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏ哪．
圈姗７０劝Ｓ：Ｄａｂ∞ｑｕｉｓｉｌｉ佣；７Ｉ’ｍｊｅｃｔｏｒｙ瑚ｏｌ“ＩＩｇ；Ｖｉ８ｕａｕｚｍｉｏｎ ｍｏｄ出ｎｇ；Ｖｉ陇ａｌ Ｓｉ舢１８ｔｉ伽；’Ｉ址ｌｅｔｏｐ ｐ呲ｏ．
龙格一库塔函数解出弹丸的位置。前面的弹道方程的坐标
系都足以发射点为原点，以炮口水平面和射击平面的交线为
ｘ轴，过发射点的铅垂线为ｙ轴表示的，是两维弹道方程，要
在三维场景巾描述弹道轨迹，还要将通过解ｉ亥方程化得到的
二维坐标转换为三维坐标，转换方法是通过将二维坐标分解
到以发射点为原点，以真北为ｙ轴，正东为ｘ轴，过发射点的
目前，虚拟现实在军事领域的应用越来越广泛。在战场 环境仿真、武器装备训练、实弹射击模拟等方面，虚拟现实技 术都有着非常广泛的应用。
由于进行舰炮实弹射击的组织实施复杂，花费多，危险
收稿日期：２０魄一们一２３修回日期：２０∞一鸺一仍
万方数据
性大，易受天气海况等条件影响。海军舰艇部队实际进行的 实弹射击训练非常有限，远远不能达到实战的需要。舰炮射 击仿真训练模拟器的研制，即可以满足海军基层舰艇部队火 炮控制人员进行模拟射击训练的需要，提高部队舰炮射击训 练水平；又可以用于海军院校中从事舰炮教学的相关单位进 行模拟器仿真操作教学，使教学更加形象化、真实化、激发学 生的学习积极性和参与性。本文将对海军舰炮武器系统进 行射击训练模拟器的系统总体设计分析研究，为今后实装部 队和院校教学的半实物训练模拟器或利用头盔显示器实现 沉浸式虚拟现实系统打下了较好的技术基础。
２系统的原理
海军装备使用的舰炮武器系统分为无指挥仪和有指挥 仪两种，下面以无指挥仪的”毫米舰炮武器为例，对模拟器
一３０ｌ一
进行总体设计。对于有指挥仪的舰炮武器系统，则需要进行 一些改动。 ２．１射击过程分析
本模拟器主要针对舰炮的瞄准系统进行设计，瞄准系统 主要涉及高低机、方向机、对空瞄准具和对海瞄准具四个 装置。
时间进行一次检测。
４．４三维海战场景的建模与显示
４．４．１实时仿真建模软件
Ｍｕｌｔｉｇｅｎ Ｃ陀ａｔｏｒ软件包是Ｍｕｌｔｉｇｅｎ—Ｐ姗ｄｉｇｒｎ公司针对
视景仿真行业专门推出的三维建模软件，它提供ｒ分别运行
于高端ｓＧｌ Ｉ冬Ｉ形Ｔ：作站和低端ＰＣ平台的不同版本，可以最
大限度的满足不同的应用需求。本文所采用的硬件应用平
对每发炮弹进行命中检测，也就是进行碰撞检测。
为了逼真再现门标的形状，每个日标的表面从几百个到
几千个三角平面不等。如果没，ｆｆ高效的命中检测方法，命巾
检测将占用ＣＰＵ大量的时间，将严重影响整个系统的实时
性。因此本系统从ｉ维物体简化、场景分割及合理确ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ采样
间隔三方面人手，提高炮弹命巾检测的效率。
简化复杂ｉ维物体的方法一般采用包围盒法，即用一个
３７毫米舰炮主要用于射击近距离的空中和海、岸目标。 射击过程中，由指挥所用语音通报目标的位置、运动方向和 速度等信息。对窄射击时，根据目标进入角和速度计算提前 系数和提前速度，操纵高低和方向手轮使目标保持在对窄瞄 准器速度环的相应位置上，根据情况进行射击，然后进行弹 着点修正。对海射击时，根据指挥所下达的距离角和方向 角，操纵高低和方向手轮使目标保持在对海瞄准器分划板的 相应位置上，根据情况迸行射击，进行弹着点修正。 ２．２模拟器的功能
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圉２靓炮射击训练模拟器硬件构成图 题；三维海战场景的建模与显乐；立体显示技术等。 ４．１ Ａ／Ｄ转换及单片机数据采集技术