某遥控武器站模拟射击训练器研究

杨硕+田兴科+崔晓颖

摘 要： 火控系统模拟训练器是为适应现代化信息战争而诞生的一种新型训练设备。针对某型遥控武器站火控系统提出一种模拟射击训练器的设计方案，从硬件和软件两个角度详细介绍各模块的实现方法。设计信号调理盒实现各模块间不同信号类型间的相互通讯，采用3DSMAX/Virtools实现三维虚拟战场环境和目标的制作与驱动，基于Qt设计了与实装一致的显控界面。仿真结果表明所设计的模拟射击训练器可以满足模拟训练的需求。

关键词： 模拟训练器； 遥控武器站； 3DSMAX； Virtools； Qt

中图分类号： TN964?34 文献标识码： A 文章编号： 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

坦克等装甲车辆是现代战争中不可或缺的重要作战装备，但也是对手打击的重点目标。怎样降低装甲车辆的损失一直是各国现在研究的重点，遥控武器站便是在这样一种情况下形成的产物[1]。所谓遥控武器站，又称顶置武器站，是将武器配置在顶置炮塔上，而车辆乘员在车舱内通过遥控实现对武器操纵的一种武器装备。遥控武器站克服了传统炮塔对空间的需求，外形将变得更矮小，易于隐蔽；遥控武器站还可以有效降低因二次效应对成员和装备造成的伤害。

由于遥控武器站自身结构和操纵的复杂性，为在作战中充分发挥其威力，车辆乘员必须经过长期的训练。然而随着现代战争模式的快速转变，传统的经验归纳式训练已远不能满足当前战争模式对装甲车辆乘员训练水平的要求，各国一直在探寻如何使车辆乘员能够在短时间内熟练的操作遥控武器站。近年来虚拟现实技术的出现和发展，使装甲车辆模拟训练成为可能[2?3]。

本文设计了一种基于虚拟现实技术的遥控武器站模拟射击训练器，该模拟射击训练器所采用的设备与某型遥控武器站的实装完全一致。由于实装火控计算机硬件资源限制，在文中采用工控机替代火控计算机实现数据处理。在硬件方面，设计了一种信号调理盒，以完成各个模块间不同信号类型、不同接口间转换。在软件方面，通过3DSMAX完成了战场环境及目标的三维建模，通过Virtools完成了模型的视景驱动，采用Qt搭建了系统所有显控界面。最后通过串口协议实现了模块间的数据传输，完成了基于虚拟现实技术的模拟射击训练器设计。

1 系统总体框架

本文设计的遥控武器站模拟射击训练器主要由5个模块组成：操纵手柄、信号调理盒、工控机、显示与控制终端和电源供电模块。系统整体框架如图1所示。各子模块的功能作用描述如下：

图1 系统整体框架

1.1 操纵手柄

操纵手柄采用双手操作与开关按钮相结合的实现方式，通过双手对手柄垂直/水平方向的旋转实现理想高低/水平方向的角度位移输入，手柄上的开关按钮负责击发复位、激光测距复位、光学变焦、自动装填弹复位等动作信号的输入功能。采用DSP处理器对角度位移信号和开关按钮信号进行处理，并通过RS 422总线将处理后的两种信号送入到信号处理盒中。

1.2 信号调理盒

由于各模块之间的输入/输出信号、电压及接口类型上的差异，必须要有硬件装置实现各不同类型信号接口的转换，才能使各模块的信号正确地传输，以上实现均在信号调理盒中完成。

1.3 工控机

工控机作为整个系统的核心，接收来自操纵手柄的角度位移信号和开关按钮信号，驱动可视化引擎，实现视景偏移、测距、击发和爆炸等动作，同时将视景信号传输至显控终端，实现三维可视化显示；同时工控机还接收来自显控终端的系统设

置指令（校炮，弹种与工作模式选择，不同视角的画面切换等），指令处理后反馈至显控终端，完成人机交互下不同需求的显示。

1.4 显控终端

显控终端采用电路基板与功能单元板组合的形式，完成信号接收处理和显示，同时具备不同显示需求的设置功能。

1.5 电源模块

完成各个模块不同需求的供电。

2 系统硬件设计

该模拟器系统中操纵手柄与显控终端为实装产品，可直接使用。鉴于不同模块间的信号协议不同、接口形式不同及工作电压的不同，本文设计了一种信号调理盒实现了信号调理、电源供电、电气接口转换等功能。信号调理盒连接工控机和其他模块，是系统所有信号的中转纽带，其工作原理如图2所示。图中实线代表数据信号，虚线代表电源信号。

工控机输出为VGA信号，而显控终端仅接收LVDS信号，两种信号类型不同，需将VGA信号转换成LVDS信号。本文设计了信号调试板，通过主要系统编程微控制器芯片SM5964和Realtek公司平板显示控制芯片RTD2013B实现对信号的解码、转换和编码等功能，将VGA信号正确转换为LVDS信号。工控机输入采用的是RS 232串口形式，而操纵手柄和显控终端采用的是RS4 22串口输出，因此在信号调理盒中通过内置芯片实现RS 422到RS 232的转换。显控终端及操纵手柄采用接插件形式传输数据及视频信号，而工控机接受的是DB9等形式的接口输入，因此在信号调理盒中要实现接口转换。显控终端及操纵手柄需要24 V供电，因此还需要在信号调理盒中采用开关电源S?50?24将220 V电压进行变压处理。

图2 信号调理盒组成图

3 视景仿真软件总体设计

视景仿真软件是模拟射击训练系统的核心组成部分，通过三维视景仿真技术，构造坦克等目标的三维模型，根据训练需求虚拟逼真的战场环境，如此可代替真实的战斗场景输入，实现在整车不上电的条件下即可进行射击训练[4]。整个视景仿真软件可分为仿真环境建模与视景驱动2个部分，其组成结构如图3所示。仿真环境制作主要包括：模型设计、场景构造、纹理设计制作、特效设计等，它要求构造出非常逼真的三维模型和制作逼真的纹理和特效；视景驱动主要包括：场景驱动、模型调动处理、分布交互、大地形处理等，它要求高速逼真地再现仿真环境，实时响应交互操作等。

3.1 基于3DSMAX的仿真环境制作

3D Studio MAX，简称3DSMAX，是目前使用最为广泛的三维建模、虚拟现实建模的软件之一。3DSMAX 是一个集成化环境，把模型的建立、绘图和渲染以及动画制作3大部分集成在一起，利用 Windows 的图形化界面，在一个窗口中即可完成场景建立、渲染和动画制作等各项工作[5]。

图3 视景仿真内容

本设计选用3DSMAX对地形、植被、敌对坦克等进行3D匹配建模，不仅可以满足模拟器训练的实时性和真实感的要求，而且营造了交互性好、沉浸感强的虚拟战场环境。大致的制作步骤可分成如下2个步骤：

（1） 建模前需要参照大量的实景和目标照片，建模过程需要对照这些实景和目标的三视图作为依据，把握好透视比例，完成素模制作。这一步骤会大量运用到挤压、倒角、布尔及线段的圆角和渲染功能；

（2） 完成了素模建立后需要对模型进行贴图，其中对于一些复杂模型（坦克，装甲车等目标），还需使Photoshop对其进行纹理绘制[6]。

3.2 基于Virtools的视景驱动设计

本文通过Virtools设计了击发、校炮、二次瞄准等效果。Virtools是一套具备丰富的互动行为模块的实时3D环境虚拟实境编辑软件，其具备交互性强、开发难度低、易学易用、可扩展性强等特点[7]，并且可以与三维软件无缝结合，渲染效果好，能够保证虚拟实验具有较高的沉浸感和仿真性，因此本文选用Virtools作为交互功能的实现平台。

首先利用 Virtools ExPorters输出插件将上述基于3DSMAX制作的场景、模型输出成Virtools可直接调用的.nmo格式文件[8]。然后将模型.nmo格式文件添加到Virtools中，组合运用其各类Building Blocks（互动行为模块，简称BBs） 去实现设计好的交互功能，整个虚拟实验开发完成后，要进行反复的测试，找出程序流程中出现的错误和不足，不断的进行调试、完善和优化。同时为了实现Virtools 交互程序的可重用性，本文还利用Qt对Virtools 交互程序进行二次开发，其核心是将Virtools输出的.cmo文件以控件的形式嵌入到Qt工程中[9]，利用Qt中的QAxWidget类对.cmo文件进行控制。

3.3 基于Qt的界面设计

由于本文设计的是基于实装的模拟训练器，因此除视景部分外应该给士兵与实装完全一样的视觉效果。本文采用Qt对参数输入、系统各项指标显示等界面进行了设计。

Qt 是一个多平台的C++ 图形用户界面应用程序框架。它完全面向对象，有良好的封装机制，模块化程度高，可重用性好，容易扩展，允许真正的组件编程，提供给应用程序开发者建立艺术级图形用户界面所需的功能，提供了信号/槽机制替代回调函数，使组建间信号传递更安全、简单[10]。它拥有强大类库具有跨平台开发环境。本文选取Qt制作屏显界面，设计流程图4所示，具体过程为：

（1） 程序初始化，加载初始界面；

（2） 读取串口数据，判断是否有输入；

（3） 根据读入的串口数据及来源进入不同的槽函数，若无输入继续等待；

（4） 若是显控终端的串口有数据输入，则根据当前页面号用switch语句对不同Widget进行changestatus（由于屏显界面切换十分复杂，要穷举所有的显示状况，因此采用分块设计方式，将屏显区域划分为4个部分。在一个project下创建并创建4个widget，分别为：TOP WIDGET，RIGHT WIDGET，WINDOW WIDGET，BOTTOM WIDGET）。Break后继续等待串口输入；

（5） 若是操纵手柄串口有数据输入则对应视景的变化，如行进、瞄准、测距、二次瞄准、射击等。之后继续等待串口数据输入。

4 仿真结果

通过视景仿真、界面设计本文完成了基于某遥控武器站模拟射击训练器的设计。通过Qt制作生成的界面如图5所示，通过3DSMAX构建的敌方坦克模型及最终的模拟射击训练的效果如图6所示。本文设计的模拟射击训练器，可以在遥控武器站不上电且不需要其他装甲车辆等真实目标的情况下，对操作人员进行有效而逼真的训练。由仿真结果可知，该设计满足遥控武器站对模拟射击训练的需求。

5 结 语

本文对遥控武器站模拟射击训练系统进行了初步研究，根据其特点，确定了系统的总体框架；设计了一种信号调理盒实现了不同模块间的数据传输和接口转换；利用视景仿真技术及Qt界面设计完成了技术仿真环境制作与视景驱动。

图4 基于Qt界面设计流程图

图5 模拟训练器综合显控终端效果图

最后通过对系统的仿真验证了本文设计的遥控武器站模拟设计训练器满足基本射击训练任务的需求。基于此设计的思想，可以进一步开发装甲车辆其他系统的模拟训练器。

图6二次瞄准及击发效果图

参考文献

[1] 张宇，胡永明，胡正良.无人化遥控武器站[J].兵工自动化，2011，27（4）：33?34.

[2] 赵清华，林学华，孙少斌.坦克嵌入式射击训练仿真系统设计与实现[J].指挥控制与仿真，2011，33（2）：64?67.

[3] 尹国华.基于Vega Prime的坦克虚拟仿真训练系统的设计与实现[D].大连：大连理工大学，2012.

[4] 张广明.某新型坦克驾驶模拟训练系统视景仿真设计与研发[D].大连：大连理工大学，2011.

[5] 孙嗣良.基于3DSMAX /Creator/VP的复杂坦克建模关键技术研究[J].系统仿真技术，2010，6（3）：241?246.

[6] 李娟.三维仿真在汽车驾驶模拟训练中的应用[D].长春：吉林大学，2010.

[7] 张豫南.装甲车辆电气设备虚拟维修训练系统[J].计算机应用，2011，31（1）：199?201.

[8] 王鹏，刘文甫，欧阳海波，等.基于HLA/Virtools的高炮武器系统仿真平台设计[J].系统仿真学报，2013，25（8）：1940?1946.

[9] 黄灏.嵌入式车载终端的研究与设计[D].太原：太原科技大学，2013.

[10] 刘东.基于Qt4和OpenCV的嵌入式视频监控系统[J].现代电子技术，2013，36（8）：104?108.

（1） 程序初始化，加载初始界面；

（2） 读取串口数据，判断是否有输入；

（3） 根据读入的串口数据及来源进入不同的槽函数，若无输入继续等待；

（4） 若是显控终端的串口有数据输入，则根据当前页面号用switch语句对不同Widget进行changestatus（由于屏显界面切换十分复杂，要穷举所有的显示状况，因此采用分块设计方式，将屏显区域划分为4个部分。在一个project下创建并创建4个widget，分别为：TOP WIDGET，RIGHT WIDGET，WINDOW WIDGET，BOTTOM WIDGET）。Break后继续等待串口输入；

（5） 若是操纵手柄串口有数据输入则对应视景的变化，如行进、瞄准、测距、二次瞄准、射击等。之后继续等待串口数据输入。

4 仿真结果

通过视景仿真、界面设计本文完成了基于某遥控武器站模拟射击训练器的设计。通过Qt制作生成的界面如图5所示，通过3DSMAX构建的敌方坦克模型及最终的模拟射击训练的效果如图6所示。本文设计的模拟射击训练器，可以在遥控武器站不上电且不需要其他装甲车辆等真实目标的情况下，对操作人员进行有效而逼真的训练。由仿真结果可知，该设计满足遥控武器站对模拟射击训练的需求。

5 结 语

本文对遥控武器站模拟射击训练系统进行了初步研究，根据其特点，确定了系统的总体框架；设计了一种信号调理盒实现了不同模块间的数据传输和接口转换；利用视景仿真技术及Qt界面设计完成了技术仿真环境制作与视景驱动。

图4 基于Qt界面设计流程图

图5 模拟训练器综合显控终端效果图

最后通过对系统的仿真验证了本文设计的遥控武器站模拟设计训练器满足基本射击训练任务的需求。基于此设计的思想，可以进一步开发装甲车辆其他系统的模拟训练器。

图6二次瞄准及击发效果图

参考文献

[1] 张宇，胡永明，胡正良.无人化遥控武器站[J].兵工自动化，2011，27（4）：33?34.

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[9] 黄灏.嵌入式车载终端的研究与设计[D].太原：太原科技大学，2013.

[10] 刘东.基于Qt4和OpenCV的嵌入式视频监控系统[J].现代电子技术，2013，36（8）：104?108.

（1） 程序初始化，加载初始界面；

（2） 读取串口数据，判断是否有输入；

（3） 根据读入的串口数据及来源进入不同的槽函数，若无输入继续等待；

（4） 若是显控终端的串口有数据输入，则根据当前页面号用switch语句对不同Widget进行changestatus（由于屏显界面切换十分复杂，要穷举所有的显示状况，因此采用分块设计方式，将屏显区域划分为4个部分。在一个project下创建并创建4个widget，分别为：TOP WIDGET，RIGHT WIDGET，WINDOW WIDGET，BOTTOM WIDGET）。Break后继续等待串口输入；

（5） 若是操纵手柄串口有数据输入则对应视景的变化，如行进、瞄准、测距、二次瞄准、射击等。之后继续等待串口数据输入。

4 仿真结果

通过视景仿真、界面设计本文完成了基于某遥控武器站模拟射击训练器的设计。通过Qt制作生成的界面如图5所示，通过3DSMAX构建的敌方坦克模型及最终的模拟射击训练的效果如图6所示。本文设计的模拟射击训练器，可以在遥控武器站不上电且不需要其他装甲车辆等真实目标的情况下，对操作人员进行有效而逼真的训练。由仿真结果可知，该设计满足遥控武器站对模拟射击训练的需求。

5 结 语

本文对遥控武器站模拟射击训练系统进行了初步研究，根据其特点，确定了系统的总体框架；设计了一种信号调理盒实现了不同模块间的数据传输和接口转换；利用视景仿真技术及Qt界面设计完成了技术仿真环境制作与视景驱动。

图4 基于Qt界面设计流程图

图5 模拟训练器综合显控终端效果图

最后通过对系统的仿真验证了本文设计的遥控武器站模拟设计训练器满足基本射击训练任务的需求。基于此设计的思想，可以进一步开发装甲车辆其他系统的模拟训练器。

图6二次瞄准及击发效果图

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