某遙控武器站模擬射擊訓練器研究

楊碩+田興科+崔曉穎

摘 要： 火控系統模擬訓練器是為適應現代化信息戰爭而誕生的一種新型訓練設備。針對某型遙控武器站火控系統提出一種模擬射擊訓練器的設計方案，從硬件和軟件兩個角度詳細介紹各模塊的實現方法。設計信號調理盒實現各模塊間不同信號類型間的相互通訊，采用3DSMAX/Virtools實現三維虛擬戰場環境和目標的制作與驅動，基于Qt設計了與實裝一致的顯控界面。仿真結果表明所設計的模擬射擊訓練器可以滿足模擬訓練的需求。

關鍵詞： 模擬訓練器； 遙控武器站； 3DSMAX； Virtools； Qt

中圖分類號： TN964?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）04?0097?04

Research of simulation shooting trainer for a certain remote control weapon station

YANG Shuo， TIAN Xing?ke， CUI Xiao?ying

（China North Vehicle Research Institute， Beijing 100072， China）

Abstract： The simulation trainer of fire control system is a new training equipment adapted to modern information warfare. A design scheme of shooting trainer is proposed for the fire control system of a certain remote control weapon station. Proceeding from hardware and software， the implementation method of each module is introduced in detail. The signal conditioning box was designed to achieve communication among different signals from the modules. 3DSMAX and Virtools are used to realize and drive three?dimensional virtual battlefield environment and the target. The display and control interface consistent with the real equipment was designed by means of Qt. The simulation results show that the design of shooting trainer can meet the training needs.

Keywords： simulation trainer； remote control weapon station； 3DSMAX； Virtool； Qt

0 引 言

坦克等裝甲車輛是現代戰爭中不可或缺的重要作戰裝備，但也是對手打擊的重點目標。怎樣降低裝甲車輛的損失一直是各國現在研究的重點，遙控武器站便是在這樣一種情況下形成的產物[1]。所謂遙控武器站，又稱頂置武器站，是將武器配置在頂置炮塔上，而車輛乘員在車艙內通過遙控實現對武器操縱的一種武器裝備。遙控武器站克服了傳統炮塔對空間的需求，外形將變得更矮小，易于隱蔽；遙控武器站還可以有效降低因二次效應對成員和裝備造成的傷害。

由于遙控武器站自身結構和操縱的復雜性，為在作戰中充分發揮其威力，車輛乘員必須經過長期的訓練。然而隨著現代戰爭模式的快速轉變，傳統的經驗歸納式訓練已遠不能滿足當前戰爭模式對裝甲車輛乘員訓練水平的要求，各國一直在探尋如何使車輛乘員能夠在短時間內熟練的操作遙控武器站。近年來虛擬現實技術的出現和發展，使裝甲車輛模擬訓練成為可能[2?3]。

本文設計了一種基于虛擬現實技術的遙控武器站模擬射擊訓練器，該模擬射擊訓練器所采用的設備與某型遙控武器站的實裝完全一致。由于實裝火控計算機硬件資源限制，在文中采用工控機替代火控計算機實現數據處理。在硬件方面，設計了一種信號調理盒，以完成各個模塊間不同信號類型、不同接口間轉換。在軟件方面，通過3DSMAX完成了戰場環境及目標的三維建模，通過Virtools完成了模型的視景驅動，采用Qt搭建了系統所有顯控界面。最后通過串口協議實現了模塊間的數據傳輸，完成了基于虛擬現實技術的模擬射擊訓練器設計。

1 系統總體框架

本文設計的遙控武器站模擬射擊訓練器主要由5個模塊組成：操縱手柄、信號調理盒、工控機、顯示與控制終端和電源供電模塊。系統整體框架如圖1所示。各子模塊的功能作用描述如下：

圖1 系統整體框架

1.1 操縱手柄

操縱手柄采用雙手操作與開關按鈕相結合的實現方式，通過雙手對手柄垂直/水平方向的旋轉實現理想高低/水平方向的角度位移輸入，手柄上的開關按鈕負責擊發復位、激光測距復位、光學變焦、自動裝填彈復位等動作信號的輸入功能。采用DSP處理器對角度位移信號和開關按鈕信號進行處理，并通過RS 422總線將處理后的兩種信號送入到信號處理盒中。

1.2 信號調理盒

由于各模塊之間的輸入/輸出信號、電壓及接口類型上的差異，必須要有硬件裝置實現各不同類型信號接口的轉換，才能使各模塊的信號正確地傳輸，以上實現均在信號調理盒中完成。

1.3 工控機

工控機作為整個系統的核心，接收來自操縱手柄的角度位移信號和開關按鈕信號，驅動可視化引擎，實現視景偏移、測距、擊發和爆炸等動作，同時將視景信號傳輸至顯控終端，實現三維可視化顯示；同時工控機還接收來自顯控終端的系統設

置指令（校炮，彈種與工作模式選擇，不同視角的畫面切換等），指令處理后反饋至顯控終端，完成人機交互下不同需求的顯示。

1.4 顯控終端

顯控終端采用電路基板與功能單元板組合的形式，完成信號接收處理和顯示，同時具備不同顯示需求的設置功能。

1.5 電源模塊

完成各個模塊不同需求的供電。

2 系統硬件設計

該模擬器系統中操縱手柄與顯控終端為實裝產品，可直接使用。鑒于不同模塊間的信號協議不同、接口形式不同及工作電壓的不同，本文設計了一種信號調理盒實現了信號調理、電源供電、電氣接口轉換等功能。信號調理盒連接工控機和其他模塊，是系統所有信號的中轉紐帶，其工作原理如圖2所示。圖中實線代表數據信號，虛線代表電源信號。

工控機輸出為VGA信號，而顯控終端僅接收LVDS信號，兩種信號類型不同，需將VGA信號轉換成LVDS信號。本文設計了信號調試板，通過主要系統編程微控制器芯片SM5964和Realtek公司平板顯示控制芯片RTD2013B實現對信號的解碼、轉換和編碼等功能，將VGA信號正確轉換為LVDS信號。工控機輸入采用的是RS 232串口形式，而操縱手柄和顯控終端采用的是RS4 22串口輸出，因此在信號調理盒中通過內置芯片實現RS 422到RS 232的轉換。顯控終端及操縱手柄采用接插件形式傳輸數據及視頻信號，而工控機接受的是DB9等形式的接口輸入，因此在信號調理盒中要實現接口轉換。顯控終端及操縱手柄需要24 V供電，因此還需要在信號調理盒中采用開關電源S?50?24將220 V電壓進行變壓處理。

圖2 信號調理盒組成圖

3 視景仿真軟件總體設計

視景仿真軟件是模擬射擊訓練系統的核心組成部分，通過三維視景仿真技術，構造坦克等目標的三維模型，根據訓練需求虛擬逼真的戰場環境，如此可代替真實的戰斗場景輸入，實現在整車不上電的條件下即可進行射擊訓練[4]。整個視景仿真軟件可分為仿真環境建模與視景驅動2個部分，其組成結構如圖3所示。仿真環境制作主要包括：模型設計、場景構造、紋理設計制作、特效設計等，它要求構造出非常逼真的三維模型和制作逼真的紋理和特效；視景驅動主要包括：場景驅動、模型調動處理、分布交互、大地形處理等，它要求高速逼真地再現仿真環境，實時響應交互操作等。

3.1 基于3DSMAX的仿真環境制作

3D Studio MAX，簡稱3DSMAX，是目前使用最為廣泛的三維建模、虛擬現實建模的軟件之一。3DSMAX 是一個集成化環境，把模型的建立、繪圖和渲染以及動畫制作3大部分集成在一起，利用 Windows 的圖形化界面，在一個窗口中即可完成場景建立、渲染和動畫制作等各項工作[5]。

圖3 視景仿真內容

本設計選用3DSMAX對地形、植被、敵對坦克等進行3D匹配建模，不僅可以滿足模擬器訓練的實時性和真實感的要求，而且營造了交互性好、沉浸感強的虛擬戰場環境。大致的制作步驟可分成如下2個步驟：

（1） 建模前需要參照大量的實景和目標照片，建模過程需要對照這些實景和目標的三視圖作為依據，把握好透視比例，完成素模制作。這一步驟會大量運用到擠壓、倒角、布爾及線段的圓角和渲染功能；

（2） 完成了素模建立后需要對模型進行貼圖，其中對于一些復雜模型（坦克，裝甲車等目標），還需使Photoshop對其進行紋理繪制[6]。

3.2 基于Virtools的視景驅動設計

本文通過Virtools設計了擊發、校炮、二次瞄準等效果。Virtools是一套具備豐富的互動行為模塊的實時3D環境虛擬實境編輯軟件，其具備交互性強、開發難度低、易學易用、可擴展性強等特點[7]，并且可以與三維軟件無縫結合，渲染效果好，能夠保證虛擬實驗具有較高的沉浸感和仿真性，因此本文選用Virtools作為交互功能的實現平臺。

首先利用 Virtools ExPorters輸出插件將上述基于3DSMAX制作的場景、模型輸出成Virtools可直接調用的.nmo格式文件[8]。然后將模型.nmo格式文件添加到Virtools中，組合運用其各類Building Blocks（互動行為模塊，簡稱BBs） 去實現設計好的交互功能，整個虛擬實驗開發完成后，要進行反復的測試，找出程序流程中出現的錯誤和不足，不斷的進行調試、完善和優化。同時為了實現Virtools 交互程序的可重用性，本文還利用Qt對Virtools 交互程序進行二次開發，其核心是將Virtools輸出的.cmo文件以控件的形式嵌入到Qt工程中[9]，利用Qt中的QAxWidget類對.cmo文件進行控制。

3.3 基于Qt的界面設計

由于本文設計的是基于實裝的模擬訓練器，因此除視景部分外應該給士兵與實裝完全一樣的視覺效果。本文采用Qt對參數輸入、系統各項指標顯示等界面進行了設計。

Qt 是一個多平臺的C++ 圖形用戶界面應用程序框架。它完全面向對象，有良好的封裝機制，模塊化程度高，可重用性好，容易擴展，允許真正的組件編程，提供給應用程序開發者建立藝術級圖形用戶界面所需的功能，提供了信號/槽機制替代回調函數，使組建間信號傳遞更安全、簡單[10]。它擁有強大類庫具有跨平臺開發環境。本文選取Qt制作屏顯界面，設計流程圖4所示，具體過程為：

（1） 程序初始化，加載初始界面；

（2） 讀取串口數據，判斷是否有輸入；

（3） 根據讀入的串口數據及來源進入不同的槽函數，若無輸入繼續等待；

（4） 若是顯控終端的串口有數據輸入，則根據當前頁面號用switch語句對不同Widget進行changestatus（由于屏顯界面切換十分復雜，要窮舉所有的顯示狀況，因此采用分塊設計方式，將屏顯區域劃分為4個部分。在一個project下創建并創建4個widget，分別為：TOP WIDGET，RIGHT WIDGET，WINDOW WIDGET，BOTTOM WIDGET）。Break后繼續等待串口輸入；

（5） 若是操縱手柄串口有數據輸入則對應視景的變化，如行進、瞄準、測距、二次瞄準、射擊等。之后繼續等待串口數據輸入。

4 仿真結果

通過視景仿真、界面設計本文完成了基于某遙控武器站模擬射擊訓練器的設計。通過Qt制作生成的界面如圖5所示，通過3DSMAX構建的敵方坦克模型及最終的模擬射擊訓練的效果如圖6所示。本文設計的模擬射擊訓練器，可以在遙控武器站不上電且不需要其他裝甲車輛等真實目標的情況下，對操作人員進行有效而逼真的訓練。由仿真結果可知，該設計滿足遙控武器站對模擬射擊訓練的需求。

5 結 語

本文對遙控武器站模擬射擊訓練系統進行了初步研究，根據其特點，確定了系統的總體框架；設計了一種信號調理盒實現了不同模塊間的數據傳輸和接口轉換；利用視景仿真技術及Qt界面設計完成了技術仿真環境制作與視景驅動。

圖4 基于Qt界面設計流程圖

圖5 模擬訓練器綜合顯控終端效果圖

最后通過對系統的仿真驗證了本文設計的遙控武器站模擬設計訓練器滿足基本射擊訓練任務的需求?；诖嗽O計的思想，可以進一步開發裝甲車輛其他系統的模擬訓練器。

圖6二次瞄準及擊發效果圖

參考文獻

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[2] 趙清華，林學華，孫少斌.坦克嵌入式射擊訓練仿真系統設計與實現[J].指揮控制與仿真，2011，33（2）：64?67.

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[8] 王鵬，劉文甫，歐陽海波，等.基于HLA/Virtools的高炮武器系統仿真平臺設計[J].系統仿真學報，2013，25（8）：1940?1946.

[9] 黃灝.嵌入式車載終端的研究與設計[D].太原：太原科技大學，2013.

[10] 劉東.基于Qt4和OpenCV的嵌入式視頻監控系統[J].現代電子技術，2013，36（8）：104?108.

（1） 程序初始化，加載初始界面；

（2） 讀取串口數據，判斷是否有輸入；

（3） 根據讀入的串口數據及來源進入不同的槽函數，若無輸入繼續等待；

（4） 若是顯控終端的串口有數據輸入，則根據當前頁面號用switch語句對不同Widget進行changestatus（由于屏顯界面切換十分復雜，要窮舉所有的顯示狀況，因此采用分塊設計方式，將屏顯區域劃分為4個部分。在一個project下創建并創建4個widget，分別為：TOP WIDGET，RIGHT WIDGET，WINDOW WIDGET，BOTTOM WIDGET）。Break后繼續等待串口輸入；

（5） 若是操縱手柄串口有數據輸入則對應視景的變化，如行進、瞄準、測距、二次瞄準、射擊等。之后繼續等待串口數據輸入。

4 仿真結果

通過視景仿真、界面設計本文完成了基于某遙控武器站模擬射擊訓練器的設計。通過Qt制作生成的界面如圖5所示，通過3DSMAX構建的敵方坦克模型及最終的模擬射擊訓練的效果如圖6所示。本文設計的模擬射擊訓練器，可以在遙控武器站不上電且不需要其他裝甲車輛等真實目標的情況下，對操作人員進行有效而逼真的訓練。由仿真結果可知，該設計滿足遙控武器站對模擬射擊訓練的需求。

5 結 語

本文對遙控武器站模擬射擊訓練系統進行了初步研究，根據其特點，確定了系統的總體框架；設計了一種信號調理盒實現了不同模塊間的數據傳輸和接口轉換；利用視景仿真技術及Qt界面設計完成了技術仿真環境制作與視景驅動。

圖4 基于Qt界面設計流程圖

圖5 模擬訓練器綜合顯控終端效果圖

最后通過對系統的仿真驗證了本文設計的遙控武器站模擬設計訓練器滿足基本射擊訓練任務的需求?；诖嗽O計的思想，可以進一步開發裝甲車輛其他系統的模擬訓練器。

圖6二次瞄準及擊發效果圖

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（3） 根據讀入的串口數據及來源進入不同的槽函數，若無輸入繼續等待；

（4） 若是顯控終端的串口有數據輸入，則根據當前頁面號用switch語句對不同Widget進行changestatus（由于屏顯界面切換十分復雜，要窮舉所有的顯示狀況，因此采用分塊設計方式，將屏顯區域劃分為4個部分。在一個project下創建并創建4個widget，分別為：TOP WIDGET，RIGHT WIDGET，WINDOW WIDGET，BOTTOM WIDGET）。Break后繼續等待串口輸入；

（5） 若是操縱手柄串口有數據輸入則對應視景的變化，如行進、瞄準、測距、二次瞄準、射擊等。之后繼續等待串口數據輸入。

4 仿真結果

通過視景仿真、界面設計本文完成了基于某遙控武器站模擬射擊訓練器的設計。通過Qt制作生成的界面如圖5所示，通過3DSMAX構建的敵方坦克模型及最終的模擬射擊訓練的效果如圖6所示。本文設計的模擬射擊訓練器，可以在遙控武器站不上電且不需要其他裝甲車輛等真實目標的情況下，對操作人員進行有效而逼真的訓練。由仿真結果可知，該設計滿足遙控武器站對模擬射擊訓練的需求。

5 結 語

本文對遙控武器站模擬射擊訓練系統進行了初步研究，根據其特點，確定了系統的總體框架；設計了一種信號調理盒實現了不同模塊間的數據傳輸和接口轉換；利用視景仿真技術及Qt界面設計完成了技術仿真環境制作與視景驅動。

圖4 基于Qt界面設計流程圖

圖5 模擬訓練器綜合顯控終端效果圖

最后通過對系統的仿真驗證了本文設計的遙控武器站模擬設計訓練器滿足基本射擊訓練任務的需求。基于此設計的思想，可以進一步開發裝甲車輛其他系統的模擬訓練器。

圖6二次瞄準及擊發效果圖

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