一种城市环境模拟仿真训练系统

技术领域

本发明涉及模拟作战的训练系统，具体是一种城市环境模拟仿真训练系统。

背景技术

一般认为，在人口集中、建筑物密集的城市进行作战任务时，由于城市建筑物高大、密集、坚固，街道纵横交错，地下设施多而复杂，大批人员机动和展开受限，战斗队形易被分割，观察、射击、指挥和协同困难，必须提前加以针对性的训练。

由于当前城市建设的复杂性，完全按照1:1真实比例搭建大面积的真实城市作战训练环境难度极大。城市中的典型要素，包括一些大型的高层建筑、桥梁、地下轨道交通、地下综合管廊的工程体量大，建设资金投入大。城市作战训练场无法在有限的场地、相对短的建设周期内大规模复制这些城市典型要素，因此，采用模拟仿真训练系统替代真实城市作战环境是解决这一问题的有效途径。

目前，现有的模拟训练系统主要针对单兵，其依据智能穿戴设备，主要强调个体的技能型训练，其训练场景或采用真实的仿真建筑，或采用平面的模拟场景，无法形成多人、多组在立体模拟构筑物中的训练，因此，现有的模拟仿真训练系统仍具有很大的局限性。

发明内容

针对背景技术中的问题，本发明的目的是提出一种城市环境模拟仿真训练系统，旨在通过搭建城市环境模拟仿真系统，对城市典型工程要素进行建模仿真，利用单兵穿戴设备和可视化平台，以灵活的组网方式，同时容纳百人次以上的团队化训练。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种城市环境模拟仿真训练系统，包括智能穿戴系统、多通道信息采集系统、训练场景设置系统、组网通信系统和平台主机，

所述的智能穿戴系统由多套单人智能穿戴设备组成；所述单人智能穿戴设备包括头部单元、躯干单元、手臂单元、手部单元、腿部单元、足部单元和仿真武器单元和单人主机，所述的单人主机通过组网通信系统与平台主机信号连接，用于接收平台主机的指令并根据指令运行相应的程序；所述的头部单元包括头盔、可视化设备、通信设备、通话设备、场景捕捉模块、头部动作感应模块和通信中继模块；所述通信中继模块用于现场环境中信号中继设备的补充；所述的足部单元包括数据作战靴、脚部动作捕捉模块和RFID电子标签，其中，RFID电子标签用于实现参训人员的分组识别和实时位置追踪；

所述的城市场景硬件包括建筑物和感应装置，所述的建筑物具有多层空间，每层空间的周边及地面均设有感应装置；所述的感应装置包括均布于每层地面的RFID读写器，用于读取参训人员的身份信息并将参训人员的身份信息和实时地址信息传递至平台主机；还包括设置在每个门口、窗口的光电开关，所述光电开关用于检测门窗开关状态并反馈至平台主机；

所述的训练场景设置系统为计算机软件系统，其包括3D城市场景构建与生成功能模块、水平高差调整场景流转功能模块、天气预报设备功能模块、武器装备毁伤性能预设模块、建筑物防护性能预设模块和对抗训练想定预设模块。

所述的躯干单元包括防弹披挂、躯干动作捕捉模块、火力直瞄反馈模块、生命体征评估模块A和动力模块；所述动力模块用于为单人智能穿戴设备提供动力；所述的生命体征评估模块A用于采集躯干部位的受击力度，并根据受击力度的大小向单人主机输入相应的评估结果；所述的单人主机为背负式单人主机，其也配置在躯干单元内；

所述的手臂单元包括穿戴式护肘、手臂关节动作捕捉模块、火力直瞄反馈模块、生命体征评估模块B；所述的手臂关节动作捕捉模块用于采集手臂关节动作并传输至单人主机；所述的生命体征评估模块B用于采集手臂部位的受击力度，并根据受击力度的大小向单人主机输入相应的评估结果；

所述的手部单元包括数据手套、手部动作捕捉模块和武器联动控制模块；

所述的腿部单元包括穿戴式护膝、腿部关节动作捕捉模块、火力直瞄反馈模块和生命体征评估模块C；所述的生命体征评估模块C用于采集腿部的受击力度，并根据受击力度的大小向单人主机输入相应的评估结果。

所述的3D城市场景构建与生成功能模块，用于在不同的城市场景硬件中构建不同的3D虚拟环境，3D虚拟环境生成后，通过场景捕捉模块在参训人员的可视化设备中予以显示；

当参训人员在硬件场景中所处的水平高度位置发生满足条件的改变时，所述的水平高差调整及场景流转功能模块，用于切换到预先设定的不同界面并在参训人员的可视化设备中予以显示；

所述的天气预报设备功能模块，用于模拟天气状况并对参训人员进行提示；

所述的武器装备毁伤性能预设模块，用于设定单人所装备武器的毁伤性能。

所述的城市场景硬件其建筑物还设有附属物，所述附属物包括转角楼梯、自动扶梯、垂直电梯和攀爬梯子，在建筑物内还设有模拟场景设备，用于模拟实际场景中的设备。

所述的多通道信息采集系统包括单人位置信息实时采集模块、单人动作信息实时采集模块、单人装备信息实时采集模块和训练场景设备信息实时采集模块；所述单人位置信息实时采集模块用于实时采集单人位置信息并将信息传递至平台主机；所述单人动作信息实时采集模块用于实时采集单人动作信息并将信息传递至平台主机；所述单人装备信息实时采集模块用于实时采集单人装备信息并将信息传递至单人主机，再由单人平台主机发送至平台主机；所述训练场景设备信息实时采集模块用于实时采集城市场景硬件中的建筑物和模拟设备信息，并将信息传递至单人主机，再由单人主机发送至平台主机。

所述的组网通信系统包括人员定位信息采集网络、训练命令分发网络、人与人语音通信模块和人机交互通信模块。

相对于现有的传统模拟仿真训练系统，本发明具有以下有益效果：

（1）、普通模拟训练系统主要针对单兵，以个体的技能型训练为主。本系统主要体现团队训练的方式，可同时承担100人次以上的协同训练。多人次训练在系统中联动，同时接收和反馈动作信息、方位信息、装备信息、生命信息等。在VR视角下，参训人员互相可视，第一人称系统界面可真实反映人员方位，同时反映人物即时动作。比如，参训人员A通过VR眼镜，可直接看到其他参训人员B、C、D等，他们的视角位置与实际位置相符；如参训人员B做了一个跑步动作或投掷动作，A在VR眼镜视野中也能看到B的动作。

（2）、系统采用虚实结合的方式构建训练环境，解决传统模拟仿真训练中的“平面化”局限性问题。系统中，参训人员在平面场地的跑、跳，是比较容易实现动作反馈的。但是一些特殊的动作，如攀登、攀爬、上楼梯、翻墙、乘坐电梯，甚至从高台向下跳跃等动作，在平面场地中，仅能模拟动作，不能形成对参训人员的正向反馈。这种训练动作涉及到垂直方位的高差转换，在一块平面场地上设置虚拟动作，参训人员体会不到障碍的相应反馈。例如：上楼梯这个动作，每上一阶台阶，人体在抬脚后应该能体验到两级台阶之间的明显高差。在平面的仿真模拟场地中，人做了“抬脚”动作后，系统视角里有“向上”的视觉感受，但脚下无“向上”的体感，就会出现不匹配的“虚假”感受。而本发明是真实构建一处大于2层的训练场馆，内部设置若干转角楼梯、若干部垂直电梯、若干自动扶梯、若干攀爬梯子等典型要素，用于提供“沉浸感”体验，利用软件形成场景之间的自动转换。假设从虚拟场景的A点转移到B点，需要搭乘2次垂直电梯，再上2次楼梯，实际场景中的电梯可以只设置1部，楼梯设置1处，通过软件在第一人称视角中提供自然过渡的场景转换，反复利用这1部电梯和1处楼梯，实现多部电梯和多处楼梯的效果。

（3）、本发明可解决多人同时参训的复杂实时数据采集问题。其原理之一，是在训练场地的地面设置基于RFID技术的感应装置，用于测算参训人员实时位置，而RFID读写器的实时信息流占用通道少，为其他复杂数据提供了通讯带宽；其原理之二，是组网模式灵活，除了训练实际场景内设置了多个信息接收中端之外，同时参训人员中，一部分人员携带的装具具有信息中继功能，如果参训人员A的反馈数据信息受限于所处地形（比如处于信号盲区），无法直接与信息接收端通信，而附近的参训人员B随身携带的通信设备具备中继功能，则A的信号可先反馈至B处，再由B随身携带的通信设备选择就近就便的信息接收端进行实时通信。

（4）本发明可引入作战中的实际参数，更加真实地反映作战中的真实情况。比如系统中可结合真实装备的性能参数，固定其杀伤性能，从而预置轻重型火力武器，如：系统中采用的某型突击步枪的真实性能是XX发子弹直瞄射击后，可穿透XX毫米厚的砖墙；则系统中真实场景下，某参训人员躲避在砖墙后，对手瞄准墙体射击XX发后，墙后的掩蔽人员已开始受到火力杀伤；手雷、塑胶炸药的使用情况也与之类似。

附图说明

图1为本发明的系统架构图。

图2为单人智能穿戴设备的组织架构图。

图3为城市场景硬件的外立面图。

图4为城市场景硬件的竖向剖面图。

图5为城市场景硬件的单层平面图。

图6为城市场景硬件单层地面的感应装置平面布置图。

具体实施方式

下面将结合本说明书附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，需要注意的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1～图6所示，一种城市环境模拟仿真训练系统，包括智能穿戴系统、多通道信息采集系统、训练场景设置系统、组网通信系统和平台主机，

所述的智能穿戴系统由多套单人智能穿戴设备组成；所述单人智能穿戴设备包括头部单元、躯干单元、手臂单元、手部单元、腿部单元、足部单元和仿真武器单元和单人主机，所述的单人主机通过组网通信系统与平台主机信号连接，用于接收平台主机的指令并根据指令运行相应的程序；

所述的头部单元包括头盔、可视化设备、通信设备、通话设备、场景捕捉模块、头部动作感应模块和通信中继模块；所述通信中继模块用于现场环境中信号中继设备的补充；

所述的足部单元包括数据作战靴、脚部动作捕捉模块和RFID电子标签，其中，RFID电子标签用于实现参训人员的分组识别和实时位置追踪；

所述的躯干单元包括防弹披挂、躯干动作捕捉模块、火力直瞄反馈模块、生命体征评估模块A和动力模块；所述动力模块用于为单人智能穿戴设备提供动力；所述的生命体征评估模块A用于采集躯干部位的受击力度，并根据受击力度的大小向单人主机输入相应的评估结果；所述的单人主机为背负式单人主机，其也配置在躯干单元内；

所述的手臂单元包括穿戴式护肘、手臂关节动作捕捉模块、火力直瞄反馈模块、生命体征评估模块B；所述的手臂关节动作捕捉模块用于采集手臂关节动作并传输至单人主机；所述的生命体征评估模块B用于采集手臂部位的受击力度，并根据受击力度的大小向单人主机输入相应的评估结果；

所述的手部单元包括数据手套、手部动作捕捉模块和武器联动控制模块；

所述的腿部单元包括穿戴式护膝、腿部关节动作捕捉模块、火力直瞄反馈模块和生命体征评估模块C；所述的生命体征评估模块C用于采集腿部的受击力度，并根据受击力度的大小向单人主机输入相应的评估结果。

所述的城市场景硬件包括建筑物和感应装置，所述的建筑物具有多层空间，每层空间的周边及地面均设有感应装置；所述的感应装置包括均布于每层地面的RFID读写器，用于读取参训人员的身份信息并将参训人员的身份信息和实时地址信息传递至平台主机；还包括设置在每个门口、窗口的光电开关，所述光电开关用于检测门窗开关状态并反馈至平台主机。具体的，每个RFID读写器自身具有一个地址信息，其可同时读取多个RFID电子标签，在读取RFID电子标签后，将自身地址信息和RFID电子标签的识别信息发送至平台主机。

所述的城市场景硬件其建筑物还设有附属物，所述附属物包括转角楼梯、自动扶梯、垂直电梯和攀爬梯子，在建筑物内还设有模拟场景设备，用于模拟实际场景中的设备。

所述的训练场景设置系统为计算机软件系统，其包括3D城市场景构建与生成功能模块、水平高差调整场景流转功能模块、天气预报设备功能模块、武器装备毁伤性能预设模块、建筑物防护性能预设模块和对抗训练想定预设模块；

所述的3D城市场景构建与生成功能模块，用于在不同的城市场景硬件中构建不同的3D虚拟环境，3D虚拟环境生成后，通过场景捕捉模块在参训人员的可视化设备中予以显示；

当参训人员在硬件场景中所处的水平高度位置发生满足条件的改变时，所述的水平高差调整及场景流转功能模块，用于切换到预先设定的不同界面并在参训人员的可视化设备中予以显示；

所述的天气预报设备功能模块，用于模拟天气状况并对参训人员进行提示；

所述的武器装备毁伤性能预设模块，用于设定单人所装备武器的毁伤性能。

所述的多通道信息采集系统包括单人位置信息实时采集模块、单人动作信息实时采集模块、单人装备信息实时采集模块和训练场景设备信息实时采集模块；所述单人位置信息实时采集模块用于实时采集单人位置信息并将信息传递至平台主机；所述单人动作信息实时采集模块用于实时采集单人动作信息并将信息传递至平台主机；所述单人装备信息实时采集模块用于实时采集单人装备信息并将信息传递至单人主机，再由单人平台主机发送至平台主机；所述训练场景设备信息实时采集模块用于实时采集城市场景硬件中的建筑物以及建筑物中模拟场景设备的信息，并将信息传递至平台主机，再由平台主机发送至单人主机。

所述的组网通信系统包括人员定位信息采集网络、训练命令分发网络、人与人语音通信模块和人机交互通信模块。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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。

本发明未详述部分为现有技术。