[發明專利]一種虛擬現實水上跳傘模擬訓練實現方法及裝置

在審

• 申請號: 202110853716.6
• 申請日: 2021-07-28
• 公開（公告）號: CN113539003A
• 公開（公告）日: 2021-10-22
• 發明（設計）人: 任佳閱;田佳林;裴蘇閱;胥文;麻忠文;陳海萍
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍空軍航空大學
• 主分類號: G09B9/00
• 分類號: G09B9/00;G06F3/01;G06T13/40;G06T19/00
• 代理公司: 吉林長春新紀元專利代理有限責任公司 22100
• 代理人: 陳宏偉

1.一種虛擬現實水上跳傘模擬訓練設備裝置，其特征在于：

包括圖形工作站101、VIVE Pro專業版套裝201、實時顯示控制程序102、Steam VR應用程序112；

所述的圖形工作站101是一臺具有較強圖形處理能力的計算機；圖形工作站101通過USB連接線和DisplayPort連接線與串流盒203連接，且通過連接線收發數據；

所述的VIVEPro專業版套裝201是一套虛擬現實設備套裝，包括VIVEPro專業版頭顯202、串流盒203、定位器A204、定位器B205、操控手柄A206、操控手柄B207、定位器支架A208、定位器支架B209；串流盒203與專業版頭顯202連接并交換數據；操控手柄A206、操控手柄B207通過藍牙信號將按鍵操作數據發送給串流盒203；定位器A204、定位器B205通過激光探測專業版頭顯202、操控手柄A206、操控手柄B207的角度和位置數據; 定位器A204、定位器B205將以上探測的角度和位置數據發送給專業版頭顯202，專業版頭顯202將收到的角度和位置數據通過串流盒203發送至圖形工作站101；定位器支架A208支撐定位器A204；定位器支架B209支撐定位器B205；

所述的Steam VR應用程序112為VIVEPro專業版套裝201的硬件驅動程序；

所述的實時顯示控制程序102，包括條件初始化模塊103、攝像機切換控制模塊104、VR控制模塊105、降落傘模型操縱控制模塊106、動力模型解算模塊107、救生船控制模塊108、降落傘模型顯示控制模塊109、三維場景模型數據庫110、Steam VR插件111；實時顯示控制程序102完成數據處理與生成實時動畫圖像；

其中，實時顯示控制程序102與Steam VR應用程序112皆運行在圖形工作站101上；條件初始化模塊103的初始化軟件界面在圖形工作站101的顯示器上顯示，允許用戶使用圖形工作站101的鼠標、鍵盤輸入初始高度、風速、風向作為系統初始化條件，條件初始化模塊103將初始高度、風速、風向數據發送給動力模型解算模塊107；

攝像機切換控制模塊104用于對VR攝像機切換控制；當用戶在初始界面點擊“開始”后，攝像機切換控制模塊104將軟件運行初始界面切換為VR攝像機運行狀態，圖形工作站101的顯示器與專業版頭顯202同步顯示VR攝像機畫面；

VR控制模塊105用于設置程序與專業版頭顯202連接；降落傘模型操縱控制模塊106接收用戶對操控手柄A206、操控手柄B207的按鍵操作，并將接收到的按鍵操作數據發送給動力模型解算模塊107；

動力模型解算模塊107接收來自條件初始化模塊103的初始化數據、來自降落傘模型操縱控制模塊106發送的用戶操控數據，及專業版頭顯202的位置角度數據，結合重力、阻力等參數，完成降落傘位置、角度數據解算，并將降落傘位置、角度數據發送給救生船控制模塊108、降落傘模型顯示控制模塊109，用于這兩個模塊各自控制；

救生船控制模塊108根據接收的來自動力模型解算模塊107的數據，根據降落傘位置控制救生船模型的顯示；

降落傘模型顯示控制模塊109根據接收的來自動力模型解算模塊107的數據，根據降落傘位置控制降落傘模型的顯示狀態；

三維場景模型數據庫110提供三維虛擬水面環境場景仿真；

所述Steam VR插件111實現開發平臺Untiy3D對VIVE PRO虛擬現實套裝的開發支持；

圖形工作站101與VIVEPro專業版套裝201的數據交互關系如下所述：

串流盒203將接收到的專業版頭顯202的位置角度數據、操控手柄A206、操控手柄B207的位置角度數據，操控手柄A206、操控手柄B207的按鍵操作數據通過USB連接線發送給圖形工作站101，用于實時顯示控制程序102的解算；同時實時顯示控制程序102解算與生成實時動畫圖像，并將圖像數據通過DisplayPort連接線發送到串流盒203，再由串流盒發送到專業版頭顯202顯示給用戶。

2.一種虛擬現實水上跳傘模擬訓練實現方法，包括以下步驟：

模擬訓練前，用戶通過圖形工作站101顯示器顯示的實時顯示控制程序102的軟件界面，使用圖形工作站101的鼠標和鍵盤輸入初始化數據，如風速、風向、出艙高度，并確認開始；模擬訓練時，受訓人員操作操控手柄A206、操控手柄B207，模擬實際跳傘時操作操縱棒的過程；專業版頭顯202將整個過程中的實時動畫顯示給用戶；

步驟1）輸入初始化數據，確定風速、風向、受訓人員離機高度；

依據模擬訓練科目在初始界面輸入初始化數據，對不合理數據進行屏蔽，如過大的風速；風向為α，風速為v_w，高度為b_y；

步驟2）模擬離開機艙到開傘前階段；

虛擬環境中受訓人員離開機艙時位置為b_x、b_y、b_z；

其中b_y為高度坐標； b_z為南北方向位置坐標；b_x為東西方向位置坐標；

當前位置為x、y、z；

其中y為高度坐標；z為南北方向位置坐標，x為東西方向位置坐標；

3個方向速度分量為v_x、v_y、v_z，

其中v_y為垂直方向速度，v_x為南北方向速度，v_x為東西方向速度；

離開機艙后經過的時間為t，重力加速度為g；此階段某型降落傘未打開，虛擬環境中受訓人員主要受到重力和風力的作用；

v_y = g*t

y = b_y -0.5 * g * t²

z = b_z + ( - 30 + cosα* v_w) * t – 3.3 * t² * 0.5

x = b_x + sinα* v_w * Δt

其中，Δt為每次更新計算間隔時間，3.3為離開機艙后水平方向減速系數，為測量經驗值；

步驟3）開傘到拋傘前階段；

開傘后處于勻速下降狀態，垂直方向速度為v_y0±0.5，受訓人員通過控制操控手柄A206、操控手柄B207能夠控制虛擬環境中傘的狀態，實時接收操控手柄A206、操控手柄B207的操作數據；

Δt為相鄰兩幀動畫圖像時間間隔；

Δy為相鄰兩幀動畫圖像時間間隔所發生的垂直方向的位移量；

rand(-0.5,+0.5)為隨機函數，其值在-0.5到0.5之間浮動；

α_yp為虛擬環境中受訓人員前一幀偏航角度；

α_yn為虛擬環境中受訓人員當前幀偏航角度；

Δα_y為相鄰兩幀動畫圖像時間間隔所發生的偏航角度變化量；

y_p為前一幀高度坐標，y_n為當前幀高度坐標；

x_p為前一幀東西方向坐標；

x_n為當前幀東西方向坐標；

z_p為前一幀南北方向坐標；

z_n為當前幀南北方向坐標；

v_y = v_y0 + rand(-0.5,+0.5)

Δy = v_y * Δt

y_n = y_p – Δy

z_n = z_p + cosα* v_w * Δt

x_n = x_p + sinα* v_w * Δt

當左手持操控手柄A206的“手柄觸控板”鍵按下：

α_yn = α_yp – Δα_y

當右手持操控手柄B207的“手柄觸控板”鍵按下：

α_yn = α_yp + Δα

當左、右手持操控手柄A206、操控手柄B207同時接收到lefttouchpad與righttouchpad按下：

如果v_h v_hmin，則 v_h = v_h – Δv_h

否則v_h = v_h0

其中，v_h為開傘狀態下水平方向速度；

v_h0為無操縱時水平面朝前方向速度；

v_hmin為水平方向最小速度；

當操控手柄B206、操控手柄B207對應的左右操縱棒同時受力時，速度減小；

z_n= z_p + cosα* v_h * Δt

x_n = x_p + sinα* v_h * Δt

當接近水面時，受訓人員需要打開“脫離鎖”；如果有“打開脫離鎖”操作，則轉到步驟4）繼續處理；受訓人員通過操控手柄B206的“Trriger鍵”模擬“打開脫離鎖”操作；

步驟4）拋傘到落水階段；此階段主要受重力影響，且此段時間較短，僅對高度坐標進行計算：

v_y = v_y0 + g * t

y_n = y_p – v_y * Δt

如果到達水面，則位置不變；且跳轉到步驟5）繼續處理；

步驟5）上救生船；

如果受訓人員觸動“上救生船”操作，則輸出上救生船過程動畫，圖形工作站101的顯示器彈出結束訓練窗口；此操作通過按下操控手柄B207的“側鍵”來實現模擬；受訓人員使用圖形工作站101的鼠標輸入操作，即單擊“結束”按鈕；

步驟6）結束訓練并退出。