技术领域
[0001] 总体上，本
发明涉及一种用于指导和训练成员使用
装甲车辆的炮塔的沉浸式仿真方法。本发明还涉及一种被配置为用于实现该方法的炮塔。
背景技术
[0002] 为了指导和训练军事人员使用安装至装甲车辆的炮塔，已知的做法是在个人计算机上使用仿真器来使用户面对各种场景。
[0003] 另一种已知的做法是将车辆作为仿
真空间。这类仿真被称为“嵌入式”仿真，其能够尽可能地接近地面上的真实条件。除其在更加逼真方面的潜
力外，嵌入式仿真还具有允许使用后备物质资源的优势。就装甲车辆而言，在和平时期，仅有一小部分车队是可操作的并且主要用于地面演习，而其他车辆均停靠在飞机场和仓库。多亏了嵌入式仿真，才有可能利用这些闲置资源来进行指导和训练，其
费用远比采购和维护一堆基于
硬件的仿真器来提供真实度使其尽可能地接近实际系统所产生的费用更为合理。
[0004] 文献FR 2 420 737描述了一种用于训练装甲车辆(该车辆被用作仿真器)炮手的设备。在该设备中，代表靶子的图像投射在炮手的光学瞄准系统中。通过操作瞄准控制杆，用户可瞄准并射击所表示的靶子。为了最佳地对实际状况进行复制，设备可配备扬声器，以对车辆的声音进行仿真。而且，该设备适合在对车辆在几乎崎岖的地形上的独立运动进行仿真的瞄准系统中将靶子的运动进行重叠。
[0005] 此后，文献EP 0 947 797 A2中公开了一种更为成熟的装甲车辆用训练方法。在该文献中，仿真计算机连接至车辆的中央计算机，并且在仿真模式中，由车辆屏幕来展示经中央计算机和仿真计算机处理的仿真数据以及与受训者激活的功能相关的数据。在仿真模式中，车辆的所有可操作的以及与运动相关的功能(如引擎、方向、武器等功能)被阻止，而车辆所有的采集
接口仍可运行。在该设备中，仿真计算机仅负责基于受训者的输入对系统的新状态进行计算。这种方法的缺点在于需要在仿真计算机中重复所有的操作功能。
[0006] 文献EP 1 715 285 A1针对这一缺点提出了一种仿真计算机向中央计算机发送仿真数据并且由后者来计算系统的新状态的方案。
[0007] 不过，文献EP 0 947 797 A2所述设备以及文献EP 1 715 285 A1所述设备仍然存在缺点，即仿真的真实度有太多不尽人如意的地方。
[0008] 文献EP 2 418 635教导了一种替代文献EP 0 947 797 A2所述系统的方案，其更适用于老式的装甲车辆，尤其是未配备有计算机总线系统的装甲车辆。
[0009] 文献US 4,789,339描述了一种便携式训练设备单元，其可连接至装甲设备，从而将装甲设备作为仿真和成员之间的接口。
[0010] 技术问题
[0011] 本发明的一方面的目的在于增强装甲车辆炮塔沉浸式仿真的真实度可能。
发明内容
[0012] 本发明的第一方面涉及一种用于指导和训练成员使用装甲车辆的炮塔的、为多种人类感官知觉制造刺激的沉浸式仿真方法。假设该炮塔包括控制计算机、以及用于指挥炮塔的设备单元的采集接口和用于向成员展示数据的提供接口，控制计算机以及采集接口和提供接口利用计算机总线(或数字总线)彼此连接。该方法包括以下步骤：
[0013] ○将控制计算机连接至仿真计算机，控制计算机向其传达炮塔的状态；
[0014] ○仿真计算机生成
虚拟环境，利用提供接口至少部分地向成员展示该虚拟环境；
[0015] ○运行炮塔的一个或多个电动设备单元；以及
[0016] ○将成员通过采集接口向运行中的电动设备单元输入的指令发送至电动设备单元，从而使因这些指令而导致的这些设备单元的运动唤起成员的光学或听觉方面的感觉和/或
加速的感觉。
[0017] 在本文中，术语“采集接口”用于指任何能够让成员(或只有一部分成员)在炮塔的设备单元中输入指令或数据的设备，例如：按钮、
车轮、控制杆、
键盘、运动
传感器、具有
语音识别的麦克
风等。术语“提供接口”用于指炮塔(或其组件中的一个)可通过其在反方向传递(即向成员)的设备。提供接口的示例如屏幕、指示灯、系统状态灯、扬声器、声音
信号装置等。应当注意的是，某些接口(即“组合接口”)在本文的含义内为采集接口和提供接口这两者，例如：
触摸屏、
力反馈控制杆等。
[0018] 术语“连接”在本文中意指“可通信地连接”。除上下文中另有说明外，连接可在有线或无线模式中实现。
[0019] 术语“设备单元”用于指任何作为炮塔的一部分并执行适当功能以及根据情况执行相关功能的设备或设备组件。“电动设备单元”为通过
电动机致动的设备单元。电动机既可以构成电动设备单元的一部分，也可以是分开的。除另有特别提及外，术语“设备单元”既可以指电动设备单元，也可以指非电动设备单元。
[0020] 得益于本发明，现在才有可能使炮塔成员进行极高度真实的仿真，这在以往除通过地面操控外是不可能获得的。不过，这种操控需要大量的时间、人员、设备和空间，并且其结果无不取决于环境或用于进行训练的设备的寿命。因此，本发明不仅使其能够在很大程度上明显降低每个成员或人均的训练费用，还明显提高了武器的控制
水平。本发明的另一优点在于该炮塔无需对其正常运行(仿真以外)所必须的设置进行
修改，从而避免了仿真模式对正常运行模式的任何影响。
[0021] 应当认识到，以与文献EP 0 947 797 A2和EP 1 715 285 A1所教导的正好相反的方式，炮塔的至少一个电动设备单元(优选为数个电动设备单元，甚至更优选为所有电动设备单元)在仿真期间都在运行，从而通过运动来响应成员输入的相关指令。运动分别产生光学(视觉)效果、声音(听觉)效果和/或加速效果以及在成员队员之间产生相关的感觉。仿真的真实度明显提高了。优选地，所诱导效果为上述效果中几个的组合，例如：光学效果和听觉效果的组合、听觉效果和加速效果的组合、光学效果、声音效果和加速效果的组合。特别地，加速效果包括振动。
[0022] 优选地，在仿真模式下运行的炮塔电动设备单元中的一个或其多个包括下面中的一个或多个：炮抬升机构、瞄准系统、弹药架、炮塔旋转系统、炮塔稳定系统和排烟系统。
[0023] 尽管优选为这样，但为了加强仿真的真实感，仿真期间，炮塔的电动设备单元不一定所有都在运行。例如，可阻止炮塔的方位
角旋转机构(鉴于相关空间的原因、安全性或其他因素)。因此，在仿真模式中，炮塔可包括禁用的设备单元(电动或非电动)。不过，禁用的设备单元优选向成员展示为是可操作的(除设备单元仿真失败外)。根据仿真的特定真实
实施例，炮塔是完全可操作的，即所有设备单元(无论是否是电动的)都在运行。
[0024] 根据仿真方法的一个实施例，成员通过采集接口向设备单元(看起来在运行而实际上禁用)输入的指令将传输至仿真计算机，使设备单元对这些指令产生仿真反应。仿真反应通过提供接口向成员展示。
[0025] 炮塔可包括在炮塔正常运行中提供关于炮塔外部的数据的传感器(例如：
照相机、
激光雷达、雷达、
温度计、大气传感器、卫星
定位系统等)。当在仿真模式中使用炮塔时，仿真计算机提供关于虚拟环境的数据来替代这些传感器的数据。这并不意味着在仿真模式中一定得关闭这些传感器。例如，在仿真模式中，控制计算机和/或仿真计算机可被配置为忽略或
覆盖来自尚未关闭的传感器的数据。
[0026] 炮塔同样可包括在仿真模式中正常运行、其数据与炮塔正常运行相比并非没有规律的传感器。在仿真模式中，在传递炮塔状态的情况下，可将来自正常运行的传感器的数据传输至仿真计算机，从而使仿真计算机能够考虑到同样的状况来进行仿真。
[0027] 优选地，如有传感器在仿真模式中因一个或多个设备单元的禁用而产生误差或不规则数据，则仿真计算机将提供仿真数据来替代这些传感器的误差或不规则数据。
[0028] 根据该仿真方法的实施例，利用装甲车辆的驾驶台的仿真器来仿真虚拟环境中承载炮塔的装甲车辆的运动，驾驶台的仿真器连接至仿真计算机。优选地，驾驶台的仿真器与装甲车辆是分开的。驾驶台的仿真器可以是装甲车辆的驾驶台的复制品(近乎真实的)，或在更简单的实施方式中，为能够监控装甲车辆的处理的个人计算机(PC)或简化的接口。在本配置中，仿真方法一方面包括用于炮塔成员的嵌入式仿真组件，并且另一方面包括在仿真站的仿真组件。
[0029] 根据本方法的优选实施例，仿真计算机生成的虚拟环境包括仿真期间由炮塔和/或装甲车辆的成员驾驶的炮塔和/或装甲车辆的具象。
[0030] 仿真计算机可包括、或连接至仿真计算机的网络。
[0031] 根据该仿真方法的实施例，仿真计算机连接至至少另外一台炮塔的控制计算机。优选地，所有连接的炮塔都分享这相同的虚拟环境和相同的场景。因此，可对涉及多辆装甲车辆及其炮塔的练习进行仿真。进而使成员得到训练以形成行动。
[0032] 仿真计算机可连接至监控炮塔活动并可创建、影响和/或记录仿真过程的一个或多个教练员站。如果是在网络化仿真中，则每一炮塔或装甲车辆都可具有其自身的专
门的教练员。如果必要的话，可在成员的任务报告期间使用对仿真的记录。在这种任务报告中，可在成员面前将仿真记录(“胶卷”)进行复制。在这种情况中，炮塔的具象才有可能代表(查看)成员执行的行动，使教练员对其进行评论。
[0033] 根据该仿真方法的优选实施例，提供接口包括屏幕；该屏幕在炮塔正常运行中对来自瞄准照相机的图像进行显示，而在仿真方法中对虚拟环境的图像进行显示；虚拟环境图像的生成需考虑虚拟环境中瞄准照相机的
位置和方向。
[0034] 仿真计算机生成的虚拟环境可包括地理环境、气象条件及可能代表朋友、敌人或中立而存在的实体或具象(例如：其他装甲车辆)。可由在网络练习中的其他参与者或由仿真计算机来驾驶具象。
[0035] 本发明的第二方面涉及适用于上述仿真方法的装甲车辆炮塔。一个这样的炮塔包括控制计算机；设备单元，其一个或多个是电动的；以及用于指挥设备单元的采集接口和至少一个用于向成员展示数据的提供接口。在仿真模式中，控制计算机被配置为在触发事件之后安置炮塔，其中：
[0036] ○控制计算机连接至仿真计算机，并且如成功建立连接，则向仿真计算机传递炮塔的状态；
[0037] ○提供接口显示与虚拟环境相关的数据；
[0038] ○运行炮塔的一个或多个电动设备单元；以及
[0039] ○将成员通过采集接口向运行中的电动设备单元输入的指令发送至电动设备单元，从而使因这些指令而导致的这些设备单元的运动来制造光学或听觉方面的效果和/或加速的效果。
[0040] 设备单元在仿真模式中运行的一些实例已在上面进行了引用。
[0041] 激活仿真模式的触发事件可以是控制计算机和接口盒之间或控制计算机和仿真计算机之间的连接检测。优选地，控制计算机在仿真模式中安置炮塔之前验证仿真计算机接口盒的真实性。控制计算机可被配置为在检测到接口盒或仿真计算机的断开后将炮塔放回其正常运行模式。
[0042] 本发明的第三方面涉及一种仿真系统，包括装甲车辆(例如，上述的装甲车辆)、用于生成虚拟环境的仿真计算机、以及在虚拟环境中承载炮塔的装甲车辆的驾驶台的仿真器，驾驶台的仿真器与装甲车辆(和炮塔)分离并连接至仿真计算机。
附图说明
[0043] 本发明的其他特殊性和特征将从下面结合附图展示的、仅用作说明的一些优选实施例的具体描述中得以体现：
[0044] 图1为连接至仿真计算机的炮塔的通信系统的示意图；
[0045] 图2为网络连接的几个炮塔、驾驶台仿真器和教练员站仿真器的简图；
[0046] 图3为图2所示网络示例的更加详细的示意图。
具体实施方式
[0047]
现有技术中已知的所有炮塔仿真器均具某些缺点，原因在于成员并不能完全沉浸在练习的场景中。PC上仿真器的缺点在于成员无法在炮塔既有条件下工作，因此在仿真时无法熟悉炮塔设备实际处理中的细节。另一方面，现有的嵌入式仿真器提供的真实度还有很多不尽如人意的地方。因此，假设当前仿真的不充分留有太多空间去想象的话，成员就不能完全沉浸在狭小的限制条件中并且在遇到真实冲突时会紧张。
[0048] 随后讨论的本发明的实施例涉及一种指导并训练成员使用安装在装甲车辆上的炮塔的仿真系统和方法。
[0049] 为了能够利用未激活的物质资源并获得与现今不匹配的真实度，使用真实的炮塔来运行，而非复制品。炮塔连接至仿真计算机，进而提供
虚拟现实，在其中进行练习并且由成员来驾驶具有炮塔的装甲车辆的具象。炮塔成为与炮塔成员(典型地为指挥官和炮手)的虚拟现实之间的接口的同时，承载炮塔的装甲车辆的司机一边在单独的仿真站上占据位置来指挥针对车辆的功能，一边作为仿真练习中的行动者与炮塔成员进行交互。仿真期间，成员发现他们被限制在炮塔并暴露在刺激中，这些刺激一方面来自虚拟环境的展示，另一方面来自与炮塔中真实设备单元(部分设备单元，更优选为可能所有的设备单元都在运行)的交互。特别地，在本发明的说明中，假设运行中的电动设备单元包括：炮抬升机构、瞄准系统、弹药架和排烟系统。当它们在运行时，这些设备单元的操控对成员而言与炮塔的正常操作相比没有区别。特别地，这些设备单元会产生成员能够感受到并有助于练习真实性的常用噪声和振动。
[0050] 图1图解式地示出了炮塔10如何连接至仿真计算机12。从正常操作模式到“仿真器”模式的炮塔10的转移通过接口盒14来实现；接口盒14连接至炮塔10的共享通信系统16(连接至计算机总线)并将后者连接至仿真计算机12。
[0051] 在图1所示的实例中，接口盒14或“仿真器嵌入式接口”(SEI)经由炮塔10的旋转采集器20连接至控制计算机18(TNC，“炮塔网络
控制器”)。因此，仿真计算机12能够“听到”在共享通信系统16上交换的所有消息并经由控制计算机18将自身消息插入。接口盒14还利用视频多路复用器24(VMC，“视频矩阵控制器”)连接至炮塔10的视频总线22。仿真计算机利用该宽带视频连接来插入虚拟环境的图像，以替换炮塔10的照相机26、28、30的图像。
[0052] 炮塔10包括通过控制计算机18控制或监控的各种设备单元、采集接口和提供接口。在图1所示的示例中，采集接口包括指挥员站32(CDR，“指挥员”)和炮手站34(GNR，“炮手”)的所有按钮、
转轮等，包括各自的用于炮塔36和38的控制杆在内。特别地，在该示例中，提供接口分别包括指挥员和炮手站32、34的屏幕40、42。在所示示例中，炮塔10的设备单元包括用于炮44的抬升机构(ED，“抬升驱动”)、用于炮46的方位角旋转机构(AD，“方位角驱动”)(二者均耦接至电源控制系统45(PCS，“电源控制系统”))、弹药架控制器系统48(ARC，“弹药架控制”)、导弹制导系统50(MGU，“导弹制导单元”)、配电系统52(PDS，“配电系统”)、客户提供的一个或多个设备单元54(CFE，“客户供应设备”)、以及各种可连接至计算机总线16或直接连接至控制计算机18的传感器56、58、60、26、28、30。
[0053] 在炮塔10的正常运行中，屏幕40、42用于显示不同照相机提供的图像；不同的照相机包括指挥员的瞄准系统的照相机28(CSS，“指挥员瞄准系统”)、炮手的瞄准系统的照相机30(GSS，“炮手瞄准系统”)以及用于近距离观察的一个或多个照相机26(COS，“近距离观察系统”)。视频数据在视频多路复用器24的控制下流经视频总线22；视频多路复用器24本身通过炮塔10的控制计算机18控制。
[0054] 在炮塔10的正常运行中，提供关于炮塔外部环境的数据的传感器包括其中的照相机26、28、30。当在仿真模式中使用炮塔10时，仿真计算机12提供虚拟环境的图像来替代这些照相机26、28、30的图像。鉴于此，仿真计算机产生虚拟环境的
计算机生成图像，同时考虑了仿真地形上炮塔10的位置和方向以及在炮塔10的参照
框架中照相机的位置和方向。因此，以炮塔所用的视频格式来对所获得的视频进行编码，并经由视频多路复用器24输入炮塔的视频总线22。在仿真模式中，控制计算机18通过利用视频多路复用器24来将仿真计算机12提供的不同视频切换至通过不同屏幕40、42并且通过瞄准系统CSS/GSS来“聆听”的信道，从而替代照相机26、28、30提供的视频。仿真模式中，照相机26、28、30可通过控制计算机18而关闭。不过，如它们仍然是激活的，则忽略它们所生成的视频。
[0055] 至于提供关于炮塔10外部数据的其他传感器，其数据同样由与虚拟环境相关的由仿真计算机12生成的数据所替换。如同照相机26、28、30，在仿真模式中可关闭这些传感器。如在仿真模式中部分传感器仍然是激活的，则控制计算机18将阻止炮塔的设备单元考虑来自这些传感器的数据，并利用来自仿真计算机12的各个数据来将其替换。
[0056] 炮塔10包括在仿真模式中正常运行的其他传感器，原因在于其监控的物理量并不取决于外部环境。特别地，在采集接口和某些设备单元(无论是否是电动)可发现这种传感器，例如：以确定运动件的位置、某一位置的温度、液面等。在仿真模式中，来自这些传感器的数据将传输至仿真计算机12，以在仿真中予以考虑。例如，得益于这些数据，仿真计算机12才会得知炮塔10的状态，包括炮塔10的位置和方向、炮62的高度以及照相机26、28、30的位置和方向。
[0057] 当控制计算机18检测到接口盒14已连接时，自动触发仿真模式。因此，通过连接或断开接口盒14将很快地实现从正常运行模式到仿真器模式的切换，反之亦然。在至仿真模式的切换中，控制计算机试图连接至仿真计算机12。一旦建立连接，则控制计算机将与仿真计算机12同步。同样，控制计算机禁用了在仿真模式中不应该运行的所有设备单元。特别地，为安全起见，控制计算机18禁止开火。不过，如上所述，部分电动设备单元，尤其是炮抬高机构、瞄准系统、弹药架和排烟系统，通过控制计算机18保持运行或就位。应当注意的是，某些设备单元的禁用或激活可能取决于炮塔武器的类型。例如，大口径炮通常利用电动架来装载，而中口径炮则包括被动(非电动)架。优选地，在仿真期间运行电动弹药架，尽管其并不装载任何弹药(仿真使用中也可采用假弹)。仿真期间，中口径炮可空置循环。最后，控制计算机18修改炮塔的配置参数，从而对从禁用设备单元或到禁用设备单元的通信进行控制，分别将通信传递至仿真计算机12。
[0058] 因此，炮塔成员面对的虚拟现实包括地面上的现实外部条件以及大气/天气条件(能见度、风、雨......)。此外，炮塔在其可操作状态下被展示给成员。设备单元响应于或似乎响应于成员的行动，好像炮塔实际上在虚拟地形上。特别地，运行中的电动设备单元将产生刺激，如致动这些设备单元时成员期望的噪声、振动以及视觉感受等。例如，一旦瞄准系统
锁定(虚拟)目标，将迫使炮的定位系统
跟踪该目标。如承载炮塔的车辆(虚拟地)在移动，则炮的定位系统将利用成员可感受到的真实运动来补偿车辆的(虚拟)运动。
[0059] 为了更大的真实度，可利用额外的提供接口，该提供接口不包括在炮塔的设备单元内。例如，可将炮塔安装在产生振动的台子上，该振动刺激炮塔在虚拟环境中的运动，或者该振动因虚拟天气状况等导致。
[0060] 图2和图3示出了网络连接的几个炮塔10a、10b、10c、10d，驾驶台仿真器64a、64b、64c、64d和指挥官站66a、66b、66c、66d。图2未示出仿真计算机或仿真
计算机网络，而图3示出了系统可能的架构。每个炮塔都与驾驶台仿真器相关联；在一个或多个仿真计算机生成的虚拟现实中，从驾驶台仿真器处驾驶装甲车辆的具象。每台装甲车辆的成员的行动，即所示示例中，安置在炮塔的指挥官和炮手的行动以及安置在相关仿真器中的司机(DRV，“司机”)的行动，都可通过教练员(INST，“教练员”)从各自的教练员站进行监控。教练员同样可影响仿真的
进程，例如：通过向成员下命令、触发敌人行动、造成故障等。
[0061] 所有的炮塔、仿真器和教练员站都可分享相同的虚拟环境和相同的场景。用这种方式，可指挥具有极高真实度的虚拟操作。虚拟环境包括地形(其中包括相关的野生动物、
植物群和可能构建的结构)、气象条件(风、降水、能见度等)、装甲车辆的具象及其他可能由
人工智能控制的具象。
[0062] 图3示出了可能的网络架构。主仿真计算机(例如：主教练员INST1使用的主仿真计算机)生成定义网络所有成员分享的虚拟环境的参数。与仿真相关的计算分散在彼此同步的数台计算机上。因此，每个驾驶台仿真器包括一台专用的计算机。在所示网络中，每个指挥员站和每个炮手站也有一台仿真计算机。以这种方式，特别地，可高效分散用于提供每个成员所见虚拟环境的一部分的计算，并可获得视觉真实度。不过，应当注意的是，可在一台单独的计算机中统一多个计算机的任务，如该计算机的计算能力足够的话。
[0063] 尽管已详细描述了具体实施例，但本领域的技术人员将认识到可根据本发明目前披露所提供的整体教导对这些实施例做出各种修改和变化。因此，具体方法和/或其中所描述的安排都仅为了说明本发明，而不在于限制本发明的范围，本发明的范围取决于相关
权利要求书的范围。
