单兵装备效能评估系统中虚拟现实平台的设计

维普资讯 http://www.cqvip.com 计算机与现代化　２ＯＯ６年第４期　ＪＩｓＩＩＡＮⅡＹＵ　Ｘ【ＡＮＤＡＪＭＵＡ　总第１２８期　单兵装备效能评估系统中虚拟现实平台的设计　蒋毅，周宏，陈晓，祖嫒嫒　（总后勤部军需装备研究所兵研中心，北京　１０００８８）　摘要：探讨了单兵装备效能评估系统中虚拟现实分系统的设计，重点研究了虚拟现实场景的设计实现，人机交互接口的　设计及音效设计等关键问题。谊分系统用于营造满足装备效能评估实验需求的虚拟战场环境。　关键词：单兵装备；虚拟现实；交互；Ｃｒ￣ｔｏｒ　中图分类号：ＴＰ３９１．９　文献标识码：Ａ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ＶＲ　Ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｉｎ　Ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌ　Ｓｏｌｄｉｅｒ脚ｉ删　ｎｔ　Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ　ＪＩＡＮＧ　Ｙｉ，ＺＨＯＵ　Ｈｏｎｇ，ＣＨＥＮ　Ｘｉａｏ，ＺＵ　Ｙｕａｎ—ｙｕａｎ　（Ｓｏｌｄｉｅｒ　Ｓｕｐｐｏｒｔ　ＳｙｓｔｅｍＣｅｎ【ｅｒ　ｏｆｔｈｅＧｅｎｅｒａｌ　Ｌ　ｃＢＤｏｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ吼ＪＡ，ＢｃｉｊｉｒＩｇ　１０００８８，Ｃｈ．蚰）　ｂｓＩ　ｄ：Ｔｌｌｉ８　ｐａｐｅｒ　ｄｉｓｅｕａ￣ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆＶＲ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｉｎ　ｓｏｌｄｉｅｒ　ｅｑｕｉｐ删蚍ｅｖａｌｕａｉｔｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ，ｅｓｐｅｅ／ａｌｌｙ　ｒｅｓｅａｒ＿ｈｅｓ　ＶＲ　ｓｃｅＩｌｅ　ｄｅＢｉ　，　ｈｕｍａｎ－ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ　ｉｎｔｅｘ￣ｏｅ，ａｎｄ　ａｕｄｉｏ　ｄｅｓｉｇｎ．Ｔｈｉｓ　８ｙｓ￣ｍ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ａ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｈａｔｔｌｅｆｉｅＭ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｆｏｒ　ｓｏｌｄｉｅｒ缸ａｉ血　．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌ　ｓｏｌｄｉｅｒ。ｑｕｉｐｒＩ圮ｎｔ；ｖｉ血ｌａｌ　ｒｅａｌｉｔｙ；ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ；Ｃｒｅａｔｏｒ　０引　言　与配重设计，评估军需装备各组件装配关系的合理　性，强化了作战人员的核心地位与作用［引。　在高技术条件下，未来信息化战争将以联合作战　本文主要介绍系统中与单兵装备人机工效性能　为主要的作战形式，作战空间“”化，各种“控制　评估关系最为密切的虚拟作战场景设计、人机交互接　权”争夺激烈；作战节奏加快，持续时间缩短，诸军兵　口、参试人员行进方式设计等三个主要方面。　种机动能力大大提高，在短时间内即可形成多方位、　立体、高压的作战布势。同时军人在战斗中必须承受　１系统功能介绍　极其沉重的心理负荷，情绪、意志、性格和能力在作战　近似实战的训练、检验环境，是最大限度地贴近　期间都将呈现出不同的特点和状态【２Ｊ，因此在考虑装　高技术战争实战研制单兵装备检验装备性能的重要　备性能时，装备的使用者军人是必须考虑的。　物质条件。单兵装备效能评估平台通过虚拟现实分　为了达到打赢信息化条件下的一场局部战争，各　系统提供各种满足实验研究的战场对抗环境，结合心　国除普遍重视改进单兵携行装备、减轻负荷、增　肺功能测量仪、肌电扫描仪、生物反馈测试仪、心率表　加有效携行外，更加重视在研制、设计战斗装备时，统　等各种生理学生物力学测试仪器，得出单兵装备战斗　筹考虑作战物资随战斗装备的携行问题。美国的　效能的客观评价，从而为装备研制训练提供一条新的　Ｎａｔｉｃｋ士兵系统中心研制了ＩＵＳＳ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｕｎｉｔ　Ｓｉｍｕ．　途径。虚拟作战场景，逼真的战场地形设计，可创造　１ａｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔ￣ｎ）［　，采用全数字的仿真模型评价在激烈　出一种接近真实战场环境的氛围，给参试者以身临其　战斗中单兵及分队系统、子系统的战斗效能，通过仿　境的感受。　真过程中的分析数据提供战术指令、士兵任务及装备　系统充分运用声、光、电、像等模拟手段，把未来　设计上的参考意见。　联合作战的“高技术性”充分展示出来，以促使训练者　总后军需装备研究所人机工效实验室设计单兵　高效使用所携带各种装备，寻求制胜之策，系统强化　装备效能评估平台采用混合仿真的方式，综合检验单　了各种战场特效的设计。外军认为，战场的外部景　兵装备系统各种设计方案战术技术性能，协调各分系　象，主要是猛烈的爆炸、强烈的闪光、弥漫的硝烟、熊　统之间的关系和技术指标，科学地评价士兵系统负荷　熊的烈火、震耳欲聋的飞机和坦克轰鸣，以及断壁残　收稿日期＂２００５．０７－２７　作者简介：蒋毅（１９７９－）。男，Ｉ￣ｔＪＩＩ武胜人，总后勤部军需装备研究所兵研中心助理工程师，硕士，研究方向：作战模拟，虚拟现　实，计算机测量及控制；周宏（１９６３－）．男。北京人，主任。高工，博士。研究方向：计算机仿真，人体测量，工效学；陈晓（１９７１－）。　男。重庆人。高工。博士，研究方向：工效学。机械。力学；祖嫒嫒（１９ｒ７８＿）。女。北京人，助工，研究方向：计算机应用。　维普资讯 http://www.cqvip.com １１８　计算机与现代化　２００６年第４期　墙和人员伤亡等情景。这些都可以使受训人员真切　地感受到战场上可能出现的各种刺激因素对感官的　刺激，体验他们对心理的震撼和冲击　Ｊ。　作战模拟分系统是系统的子系统，其中计算机生　成兵力模块提供接近实战的战斗氛围，给参试人员以　真实的作战感受。系统建立和灵活使用假想敌人，使　试验的过正像实战那样“对”起来，“抗”起来，在　一一　贴近实战的对抗中斗智斗勇，决胜负。系统实现效果　如图ｌ所示。　２系统设计中的关键问题　根据装备功效学性能检验的需要，以濒海山地进　攻战斗为主要作战样式设计了虚拟的战场地形，包括　山地、台地、盆地、平原等特殊地理形态。同时提供了　漫游、定向越野、突破敌方防御阵地等一系列的控制　方式，结合大型的自适应运动平台、攀登式功率器及　各种生理学检测装置能够对整个实验过程进行检测、　记录【３ｌ。　１．战场地形的设计。　地形是行动的客观基础，是构成作战活动的基本要　素之一。战斗、战役乃至战争的胜负，最终表现为对一定地区　和重要地形的占领、控制或施加影响。陆地表面上局部作战　地幅内的高地、隘日、道路、河流、居民区以及各种方位物都将　对单兵的行动带来极大的影响。因此战场的地形是检验装备　人机功效性能的一个重要方面。通过对特定区域、特定地形　的模拟再现，能有效地对装备的舒适性、便携性及其对人体力　的消耗进行测定。在系统设计中应用美国ＭｕｌｔｉＣ，ｅｎ公司的三　维建模软件Ｃｒｅ咖ｒ结合３ＤＭＡＸ等软件设计了一个海岛登陆　作战的战场环境。　根据实际应用需要开发的岛屿地形，岛上多平原和丘陵，　有一定的纵深，交通发达，利于建立大规模登陆场和向纵深发　展。整个地形面积为：１６８平方公里。海拔高度在一５米至　７４３．２９９米，其模型由１０４４５０个三角形面片组成。其中最高山　峰为７４３．２９９米，坡度约为６０度；盆地面积为８平方公里，盆　地内地势较为平坦，内有一条小型河流，最大宽度ｌ１．２米。　地形东南部为高山。海岸以平岸为主，岸滩多为沙质，比较坚　硬，海域宽阔，自然障碍少；岸上交通发达，设计高等级公路一　条，南北贯通铁路一条，隧道一条。地形内容以防御为主，根　据岛屿海岸防御战斗的战术要求制定主要防御方向、防御要　点、阵地编成及火力配系一个基地。在主要防御方向上根据　实际的比例尺建有碉堡、单兵坑、堑壕若干，采用三角配置，四　周防御的方针，使火力、工事、障碍相互结合；武器模型主要集　中在登陆地段和主攻方向上。地形及部分工事如图２所示。　（ａ）海岛地形效果图　（ｂ）工事示意图　图２虚拟战场环境图　２．人机交互设计。　虚拟现实技术的一个特点便是高沉浸感，能使参试人员　真实地感受到虚拟的战场环境。结合对大型自适应运动平台　的控制能模拟在虚拟战场环境中的各种行进。可以帮助参试　人员了解作战环境，同时通过对行进时间、方式的控制，能为　装备的基本性能提供有效的实验数据。运动平台通过通用的　串行接口与图形工作站进行通讯，同时根据地形条件及规定　的相关约束条件对运动平台控制进而控制参试人员的运动方　式。实验控制流程及心理生理测量规程可依据单兵携行标准　进行设定。　设计的ＵＳＢ系统由Ｐｈｉｌｉｐｓ公司的ＰＤＩＵＳＢＤ１１及Ｐ８９Ｃ５８　单片机构成ｒ引。由于下位机的存在，使系统除能处理复杂的　ｕｓＢ协议外，还能进行多种事件的处理。下位机控制程序实　现包括数据打包、船包，Ｄ／Ａ、ＡｉＤ转换电路的控制及串１３通　讯控制等多种功能。由于５１单片机还具有（异步）串Ｉ２１，通过　电平转换元件ＭＡＸ２３２即可实现串１３通讯电路。　ＶＲ工作站　ｔ　ＵＳＢ接口电路　ｔ　ＭＣＵ（５１）Ｈ串ｕ通ｉｆ．Ｉ　。———一ｔ—＼　Ｉ　ＤＡ￣￥１电路ｌ　ｌ　输入控制电路　Ｉ　ＡＤ控制电路ｌ　ｔ　ｔ　运动平台参数调节Ｉｌ　行动方式检测　Ｉ运动平台参数检濑　图３　ＵｓＢ接ｌＺｌ电路图　单片机提供的双向三态Ｉ／Ｏ口能够直接输入　ＩＴＩＬ电平信号，用其Ｐｌ口对转弯及射击信号进行采　集。运动平台信息的采集及坡度的控制则通过数／　模、模／数转换电路完成，８位的数／模、模／数转换电　路能提供１２７级控制电压，实现精确的控制。ＵＳＢ接　口结构设计如图３所示。　３．大型运动平台的控制。　系统设计目标是模拟激烈的作战环境下装备的　舒适性、可操作性等各种人机关系。其中的多项测试　均需在运动的状态下进行，系统引进德国Ｊ　Ｒ公　司的大型自适应运动平台ＬＥ６ＯＯＣＥＬ　，通过对其速度　和倾角的控制模拟战场复杂地形条件下人体运动时　的能量消耗，系统同时还能测量人体的心率等生理参　数。运动平台接口设计是主程序通过的控制线　程与运动平台通讯，提供运动平台的控制参数。　运动平台控制的核心是实现自适应功能，实现平　台对人体运动速度的自动跟踪。运动平台自适应功　能的实现采用速度逼近算法实现，通过分段逼近的方　法实现。对运动平台进行控制前，按长度对运动平台　进行控制区域划分，划分方法如图４。其中维持区域　为运动平台总长度的ｌ５％，控制区域ｌ一３为１０％，控　维普资讯 http://www.cqvip.com ２００６年第４期　蒋毅等：单兵装备效能评估系统中虚拟现实平台的设计　ｌ１９　制区域４为５％。当运动物体处于维持区域时，平台　的状态不做改变，当处于控制区域时，根据区域所对　应的控制等级进行控制。系统中根据实验结果得出　每个等级对速度递加（递减）控制变量的经验数据。　控　制　区　ｖｇＧｅｔＰｏｓＶｅｅ（）获得该碰撞检测出的坡度值，即为运动平台倾　角的控制值，通过控制线程使运动平台与当前地形倾角相适　．应。　控　制　区　控　制　区　控　制　区　维　目　维　控　制　区　控　制　区　控　制　区　控　制　区　域　域　域　域　持　区　标　区　持　区　域　域　域　域　域　Ｌｅｖｅｌ　［￣ｗｅｌ　Ｌｅｖｅｌ　Ｌｅｖｅｌ　４　３　２　ｌ　域　域　Ｉ．ｅｖｅ】　／￣ｖｅｌ　Ｌｅｖｅｌ　１．ｅｖｄ　１　２　３　４　５．音效模块设计。　ＶＥＧＡ内部提供音效控制（Ａｕｔｏ）模块，通过各种参数设　置可以方便地调节作战模拟过程中各种声音的触发时问、方　位及循环方式等参数，很好满足了特殊音效的应用。　对抗中需要营造比较激烈的战场环境，同时需要给人持　续听觉刺激的背景音。因此在系统设计中将不同激烈程度、　图４运动平台控制区域划分　该模块的白适应功能现阶段能完成不大于１０公里／：ｂ时　内速度的白适应变换，可满足一般作战过程中对参试人员行　进速度控制需求。该功能还需要进一步完善从而实现更快速　平滑的控制，使系统更能满足实战仿真要求，加强参试人员的　沉浸感。　４．行进方式设计。　行进方式现阶段可采用漫游及定向越野两种方式。漫游　方式主要用于模拟特定战场地形条件下特定携行量及规定行　进时间（可按单兵携行标准进行设计）携行装备对参试者生理　上的影响。用于获得参试人员体能消耗，疲劳程度等一系列　参数，而定向越野则包括有若干调整点的行进方式及５公里　定向越野两种样式，用于检验装备在极限运动状态下对参试　人员的影响。　在使用漫游的行进方式时，程序处理比较简单，仅需要实　现ＵＳＢ接口控制线程及运动平台控制线程即可。而行进时问　及行进过程中的相关事项及实验规程均由实验室生理分析专　家系统给出。当实验需要限定参试人员的行进速度时，可直　接改变相应的速度控制值　定向越野为５公里越野跑，在此方式下先在场景中找出　规定的行进路线，参试人员可根据虚拟场景中的相关指示如　数字指南针等以最快方式行进。用于模拟战场条件下的单兵　行军行动。检验装备对中、长途行军的影响。５公里越野跑控　制方式，利用运动平台的自适应控制实现，模拟战场地形条件　下的装备对参试人员快速冲击能力的影响。行进过程中可根　据自己的状态调整速度，运动平台会自动作出调整。根据需　要还在虚拟场景中添加炮火袭击等战场因素，增加系统的沉　浸感。　系统中设计一线程对运动平台进行控制。在视景驱　动部分设计了一个碰撞检测参量，用于检测当前位置的相关　参数如坡度、海拔高度等。在主程序中，调用ＶＥＧＡ函数　不同条件下的战场特效声音文件转化为ＭＰ３型音频格式，用　于不同场景的调用。在程序设计中通过ＤｉｒｅｅｔＸ组件：ＤｉｒｅｅｔＸ　Ａｕｔｏ来控制实现部分实时特效ＷＡＶ和战场背景音效ＭＰ３的　播放，Ｍｔｒ３是媒体流，在播放时候不是将其整个读入的，取而　代之的是分期读入，节省了系统资源。系统初步实现中，根据　需要选择录制了几部电影和游戏中的音乐作为背景音乐。　３结束语　将虚拟现实、自动控制、人工智能技术应用于单　兵装备的人机功效性能的检测，为装备的研制、装备　的适应训练及装备配备后的训练方法的研究提　供了新的手段，为装备性能的定性、定量评估提供了　新的途径。系统实现效果如图１所示。该系统是单　兵装备人机功效实验室研究项目，研究还处于比较低　的层次，上述设计中还存在着控制精度及方式比较简　单，计算机对抗功能比较粗糙。随着研究的逐步深　入，必将为单兵装备的研制带来深远的影响。　参考文献：　［１］周国泰，等．美国陆军士兵系统司令部１９９７年年报，美　国陆军生化防御司令部１９９８年年报［Ｍ］．北京：军事科　学出版社，２０００．　［２］郭炎华．外军心理训练研究［Ｍ］．北京：国防大学出版社，　２ＯＯ４．　［３］周宏，蒋毅。陈晓，等．未来战争与军事系统［Ａ］．军事系　统工程委员会第十二届学术年会［Ｃ］．北京：军事科学出　版社。２００３．　［４］周立功．ＵＳＢ固件编程与驱动开发［Ｍ］．北京：北京航空　航天大学出版社，２００３．　［５］Ｈ／Ｐ／Ｃｏｓｍｏｓ　Ｉｎｃ．Ｈ－Ｐ－ＣＯＳＭＯＳ　ＰａｒａＧｒａｐｊｉｃｓｆ　Ｍ］．Ｈ／Ｐ／Ｃｏｓ・　ｍｏｂ　Ｉｎｅ，２０００．　（上接第１１６页）于某城市某区域的原型阳ｓ。如图５所　示，信息采集模块负责采集区域内某一停车场的现有停车空　位，监控中心集成了信息处理，负责处理采集得到的信息并转　发至二级诱导屏。数据传输由Ｓｏｃｋｅｔ完成。　藤蕊黼黼　■　。　ＰＧＩＳ功能的基础上，提出了ＰＧＩＳ总体结构，为ＰＧＩＳ　的实现提供了参考。ＰＧＩＳ十分复杂，本文仅分析了　其中的几个技术要点，还有很多难题有待研究，例如　路况预测、停车需求预狈４、诱导分区策略等等。　参考文献：　｝商　÷－幽　粕　｜　薯　０　｜　ｉ　辆　ｌ　链一　｜ｔ　ｊ　｜　Ｉ叠：　｛　■——－图５　ＰＧＩＳ应刖实例　　［１］中国城市规划设计研究所，苏州市规划局．苏州市中心　停车系统规划及智能停车系统研究［ｚ］．中国城市规划　设计研究所，苏州市规划局，２００４．　［２］杨晓光．城市停车诱导信息系统设计［Ｊ］．交通运输系统　工程与信息，２００４，４（１）．　５结束语　我国城市交通面临严峻的挑战，急需先进合理的　应对措施，ＰＧＩＳ对司机进行了停车诱导，为缓解交通　压力作出了贡献，具有广阔的应用前景。本文在分析　［３］关宏志．停车诱导系统的规划设计方法初探［Ｊ］．公路交　通科技，２００３，２０（１）：１３６～１３９．　［４］赵艳丽．德国科隆市停车诱导系统［Ｊ］．国外城市规划，　２００２（３）．