某遙控武器站模擬射擊訓(xùn)練器研究

楊碩+田興科+崔曉穎

摘 要： 火控系統(tǒng)模擬訓(xùn)練器是為適應(yīng)現(xiàn)代化信息戰(zhàn)爭而誕生的一種新型訓(xùn)練設(shè)備。針對某型遙控武器站火控系統(tǒng)提出一種模擬射擊訓(xùn)練器的設(shè)計方案，從硬件和軟件兩個角度詳細(xì)介紹各模塊的實(shí)現(xiàn)方法。設(shè)計信號調(diào)理盒實(shí)現(xiàn)各模塊間不同信號類型間的相互通訊，采用3DSMAX/Virtools實(shí)現(xiàn)三維虛擬戰(zhàn)場環(huán)境和目標(biāo)的制作與驅(qū)動，基于Qt設(shè)計了與實(shí)裝一致的顯控界面。仿真結(jié)果表明所設(shè)計的模擬射擊訓(xùn)練器可以滿足模擬訓(xùn)練的需求。

關(guān)鍵詞： 模擬訓(xùn)練器； 遙控武器站； 3DSMAX； Virtools； Qt

中圖分類號： TN964?34 文獻(xiàn)標(biāo)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(xiàn)代戰(zhàn)爭中不可或缺的重要作戰(zhàn)裝備，但也是對手打擊的重點(diǎn)目標(biāo)。怎樣降低裝甲車輛的損失一直是各國現(xiàn)在研究的重點(diǎn)，遙控武器站便是在這樣一種情況下形成的產(chǎn)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(nèi)通過遙控實(shí)現(xiàn)對武器操縱的一種武器裝備。遙控武器站克服了傳統(tǒng)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(yīng)對成員和裝備造成的傷害。

由于遙控武器站自身結(jié)構(gòu)和操縱的復(fù)雜性，為在作戰(zhàn)中充分發(fā)揮其威力，車輛乘員必須經(jīng)過長期的訓(xùn)練。然而隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭模式的快速轉(zhuǎn)變，傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)歸納式訓(xùn)練已遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)前戰(zhàn)爭模式對裝甲車輛乘員訓(xùn)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(nèi)熟練的操作遙控武器站。近年來虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，使裝甲車輛模擬訓(xùn)練成為可能[2?3]。

本文設(shè)計了一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的遙控武器站模擬射擊訓(xùn)練器，該模擬射擊訓(xùn)練器所采用的設(shè)備與某型遙控武器站的實(shí)裝完全一致。由于實(shí)裝火控計算機(jī)硬件資源限制，在文中采用工控機(jī)替代火控計算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理。在硬件方面，設(shè)計了一種信號調(diào)理盒，以完成各個模塊間不同信號類型、不同接口間轉(zhuǎn)換。在軟件方面，通過3DSMAX完成了戰(zhàn)場環(huán)境及目標(biāo)的三維建模，通過Virtools完成了模型的視景驅(qū)動，采用Qt搭建了系統(tǒng)所有顯控界面。最后通過串口協(xié)議實(shí)現(xiàn)了模塊間的數(shù)據(jù)傳輸，完成了基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的模擬射擊訓(xùn)練器設(shè)計。

1 系統(tǒng)總體框架

本文設(shè)計的遙控武器站模擬射擊訓(xùn)練器主要由5個模塊組成：操縱手柄、信號調(diào)理盒、工控機(jī)、顯示與控制終端和電源供電模塊。系統(tǒng)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(tǒng)整體框架

1.1 操縱手柄

操縱手柄采用雙手操作與開關(guān)按鈕相結(jié)合的實(shí)現(xiàn)方式，通過雙手對手柄垂直/水平方向的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)理想高低/水平方向的角度位移輸入，手柄上的開關(guān)按鈕負(fù)責(zé)擊發(fā)復(fù)位、激光測距復(fù)位、光學(xué)變焦、自動裝填彈復(fù)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(guān)按鈕信號進(jìn)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(diào)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(shí)現(xiàn)各不同類型信號接口的轉(zhuǎn)換，才能使各模塊的信號正確地傳輸，以上實(shí)現(xiàn)均在信號調(diào)理盒中完成。

1.3 工控機(jī)

工控機(jī)作為整個系統(tǒng)的核心，接收來自操縱手柄的角度位移信號和開關(guān)按鈕信號，驅(qū)動可視化引擎，實(shí)現(xiàn)視景偏移、測距、擊發(fā)和爆炸等動作，同時將視景信號傳輸至顯控終端，實(shí)現(xiàn)三維可視化顯示；同時工控機(jī)還接收來自顯控終端的系統(tǒng)設(shè)

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(jī)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(shè)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(tǒng)硬件設(shè)計

該模擬器系統(tǒng)中操縱手柄與顯控終端為實(shí)裝產(chǎn)品，可直接使用。鑒于不同模塊間的信號協(xié)議不同、接口形式不同及工作電壓的不同，本文設(shè)計了一種信號調(diào)理盒實(shí)現(xiàn)了信號調(diào)理、電源供電、電氣接口轉(zhuǎn)換等功能。信號調(diào)理盒連接工控機(jī)和其他模塊，是系統(tǒng)所有信號的中轉(zhuǎn)紐帶，其工作原理如圖2所示。圖中實(shí)線代表數(shù)據(jù)信號，虛線代表電源信號。

工控機(jī)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(zhuǎn)換成LVDS信號。本文設(shè)計了信號調(diào)試板，通過主要系統(tǒng)編程微控制器芯片SM5964和Realtek公司平板顯示控制芯片RTD2013B實(shí)現(xiàn)對信號的解碼、轉(zhuǎn)換和編碼等功能，將VGA信號正確轉(zhuǎn)換為LVDS信號。工控機(jī)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(diào)理盒中通過內(nèi)置芯片實(shí)現(xiàn)RS 422到RS 232的轉(zhuǎn)換。顯控終端及操縱手柄采用接插件形式傳輸數(shù)據(jù)及視頻信號，而工控機(jī)接受的是DB9等形式的接口輸入，因此在信號調(diào)理盒中要實(shí)現(xiàn)接口轉(zhuǎn)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(diào)理盒中采用開關(guān)電源S?50?24將220 V電壓進(jìn)行變壓處理。

圖2 信號調(diào)理盒組成圖

3 視景仿真軟件總體設(shè)計

視景仿真軟件是模擬射擊訓(xùn)練系統(tǒng)的核心組成部分，通過三維視景仿真技術(shù)，構(gòu)造坦克等目標(biāo)的三維模型，根據(jù)訓(xùn)練需求虛擬逼真的戰(zhàn)場環(huán)境，如此可代替真實(shí)的戰(zhàn)斗場景輸入，實(shí)現(xiàn)在整車不上電的條件下即可進(jìn)行射擊訓(xùn)練[4]。整個視景仿真軟件可分為仿真環(huán)境建模與視景驅(qū)動2個部分，其組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。仿真環(huán)境制作主要包括：模型設(shè)計、場景構(gòu)造、紋理設(shè)計制作、特效設(shè)計等，它要求構(gòu)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(qū)動主要包括：場景驅(qū)動、模型調(diào)動處理、分布交互、大地形處理等，它要求高速逼真地再現(xiàn)仿真環(huán)境，實(shí)時響應(yīng)交互操作等。

3.1 基于3DSMAX的仿真環(huán)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(xiàn)實(shí)建模的軟件之一。3DSMAX 是一個集成化環(huán)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(nèi)容

本設(shè)計選用3DSMAX對地形、植被、敵對坦克等進(jìn)行3D匹配建模，不僅可以滿足模擬器訓(xùn)練的實(shí)時性和真實(shí)感的要求，而且營造了交互性好、沉浸感強(qiáng)的虛擬戰(zhàn)場環(huán)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(shí)景和目標(biāo)照片，建模過程需要對照這些實(shí)景和目標(biāo)的三視圖作為依據(jù)，把握好透視比例，完成素模制作。這一步驟會大量運(yùn)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(jìn)行貼圖，其中對于一些復(fù)雜模型（坦克，裝甲車等目標(biāo)），還需使Photoshop對其進(jìn)行紋理繪制[6]。

3.2 基于Virtools的視景驅(qū)動設(shè)計

本文通過Virtools設(shè)計了擊發(fā)、校炮、二次瞄準(zhǔn)等效果。Virtools是一套具備豐富的互動行為模塊的實(shí)時3D環(huán)境虛擬實(shí)境編輯軟件，其具備交互性強(qiáng)、開發(fā)難度低、易學(xué)易用、可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)[7]，并且可以與三維軟件無縫結(jié)合，渲染效果好，能夠保證虛擬實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)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(diào)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(yùn)用其各類Building Blocks（互動行為模塊，簡稱BBs） 去實(shí)現(xiàn)設(shè)計好的交互功能，整個虛擬實(shí)驗(yàn)開發(fā)完成后，要進(jìn)行反復(fù)的測試，找出程序流程中出現(xiàn)的錯誤和不足，不斷的進(jìn)行調(diào)試、完善和優(yōu)化。同時為了實(shí)現(xiàn)Virtools 交互程序的可重用性，本文還利用Qt對Virtools 交互程序進(jìn)行二次開發(fā)，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(jìn)行控制。

3.3 基于Qt的界面設(shè)計

由于本文設(shè)計的是基于實(shí)裝的模擬訓(xùn)練器，因此除視景部分外應(yīng)該給士兵與實(shí)裝完全一樣的視覺效果。本文采用Qt對參數(shù)輸入、系統(tǒng)各項指標(biāo)顯示等界面進(jìn)行了設(shè)計。

Qt 是一個多平臺的C++ 圖形用戶界面應(yīng)用程序框架。它完全面向?qū)ο螅辛己玫姆庋b機(jī)制，模塊化程度高，可重用性好，容易擴(kuò)展，允許真正的組件編程，提供給應(yīng)用程序開發(fā)者建立藝術(shù)級圖形用戶界面所需的功能，提供了信號/槽機(jī)制替代回調(diào)函數(shù)，使組建間信號傳遞更安全、簡單[10]。它擁有強(qiáng)大類庫具有跨平臺開發(fā)環(huán)境。本文選取Qt制作屏顯界面，設(shè)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(shù)據(jù)，判斷是否有輸入；

（3） 根據(jù)讀入的串口數(shù)據(jù)及來源進(jìn)入不同的槽函數(shù)，若無輸入繼續(xù)等待；

（4） 若是顯控終端的串口有數(shù)據(jù)輸入，則根據(jù)當(dāng)前頁面號用switch語句對不同Widget進(jìn)行changestatus（由于屏顯界面切換十分復(fù)雜，要窮舉所有的顯示狀況，因此采用分塊設(shè)計方式，將屏顯區(qū)域劃分為4個部分。在一個project下創(chuàng)建并創(chuàng)建4個widget，分別為：TOP WIDGET，RIGHT WIDGET，WINDOW WIDGET，BOTTOM WIDGET）。Break后繼續(xù)等待串口輸入；

（5） 若是操縱手柄串口有數(shù)據(jù)輸入則對應(yīng)視景的變化，如行進(jìn)、瞄準(zhǔn)、測距、二次瞄準(zhǔn)、射擊等。之后繼續(xù)等待串口數(shù)據(jù)輸入。

4 仿真結(jié)果

通過視景仿真、界面設(shè)計本文完成了基于某遙控武器站模擬射擊訓(xùn)練器的設(shè)計。通過Qt制作生成的界面如圖5所示，通過3DSMAX構(gòu)建的敵方坦克模型及最終的模擬射擊訓(xùn)練的效果如圖6所示。本文設(shè)計的模擬射擊訓(xùn)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(shí)目標(biāo)的情況下，對操作人員進(jìn)行有效而逼真的訓(xùn)練。由仿真結(jié)果可知，該設(shè)計滿足遙控武器站對模擬射擊訓(xùn)練的需求。

5 結(jié) 語

本文對遙控武器站模擬射擊訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行了初步研究，根據(jù)其特點(diǎn)，確定了系統(tǒng)的總體框架；設(shè)計了一種信號調(diào)理盒實(shí)現(xiàn)了不同模塊間的數(shù)據(jù)傳輸和接口轉(zhuǎn)換；利用視景仿真技術(shù)及Qt界面設(shè)計完成了技術(shù)仿真環(huán)境制作與視景驅(qū)動。

圖4 基于Qt界面設(shè)計流程圖

圖5 模擬訓(xùn)練器綜合顯控終端效果圖

最后通過對系統(tǒng)的仿真驗(yàn)證了本文設(shè)計的遙控武器站模擬設(shè)計訓(xùn)練器滿足基本射擊訓(xùn)練任務(wù)的需求?；诖嗽O(shè)計的思想，可以進(jìn)一步開發(fā)裝甲車輛其他系統(tǒng)的模擬訓(xùn)練器。

圖6二次瞄準(zhǔn)及擊發(fā)效果圖

參考文獻(xiàn)

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（1） 程序初始化，加載初始界面；

（2） 讀取串口數(shù)據(jù)，判斷是否有輸入；

（3） 根據(jù)讀入的串口數(shù)據(jù)及來源進(jìn)入不同的槽函數(shù)，若無輸入繼續(xù)等待；

（4） 若是顯控終端的串口有數(shù)據(jù)輸入，則根據(jù)當(dāng)前頁面號用switch語句對不同Widget進(jìn)行changestatus（由于屏顯界面切換十分復(fù)雜，要窮舉所有的顯示狀況，因此采用分塊設(shè)計方式，將屏顯區(qū)域劃分為4個部分。在一個project下創(chuàng)建并創(chuàng)建4個widget，分別為：TOP WIDGET，RIGHT WIDGET，WINDOW WIDGET，BOTTOM WIDGET）。Break后繼續(xù)等待串口輸入；

（5） 若是操縱手柄串口有數(shù)據(jù)輸入則對應(yīng)視景的變化，如行進(jìn)、瞄準(zhǔn)、測距、二次瞄準(zhǔn)、射擊等。之后繼續(xù)等待串口數(shù)據(jù)輸入。

4 仿真結(jié)果

通過視景仿真、界面設(shè)計本文完成了基于某遙控武器站模擬射擊訓(xùn)練器的設(shè)計。通過Qt制作生成的界面如圖5所示，通過3DSMAX構(gòu)建的敵方坦克模型及最終的模擬射擊訓(xùn)練的效果如圖6所示。本文設(shè)計的模擬射擊訓(xùn)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(shí)目標(biāo)的情況下，對操作人員進(jìn)行有效而逼真的訓(xùn)練。由仿真結(jié)果可知，該設(shè)計滿足遙控武器站對模擬射擊訓(xùn)練的需求。

5 結(jié) 語

本文對遙控武器站模擬射擊訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行了初步研究，根據(jù)其特點(diǎn)，確定了系統(tǒng)的總體框架；設(shè)計了一種信號調(diào)理盒實(shí)現(xiàn)了不同模塊間的數(shù)據(jù)傳輸和接口轉(zhuǎn)換；利用視景仿真技術(shù)及Qt界面設(shè)計完成了技術(shù)仿真環(huán)境制作與視景驅(qū)動。

圖4 基于Qt界面設(shè)計流程圖

圖5 模擬訓(xùn)練器綜合顯控終端效果圖

最后通過對系統(tǒng)的仿真驗(yàn)證了本文設(shè)計的遙控武器站模擬設(shè)計訓(xùn)練器滿足基本射擊訓(xùn)練任務(wù)的需求?；诖嗽O(shè)計的思想，可以進(jìn)一步開發(fā)裝甲車輛其他系統(tǒng)的模擬訓(xùn)練器。

圖6二次瞄準(zhǔn)及擊發(fā)效果圖

參考文獻(xiàn)

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（1） 程序初始化，加載初始界面；

（2） 讀取串口數(shù)據(jù)，判斷是否有輸入；

（3） 根據(jù)讀入的串口數(shù)據(jù)及來源進(jìn)入不同的槽函數(shù)，若無輸入繼續(xù)等待；

（4） 若是顯控終端的串口有數(shù)據(jù)輸入，則根據(jù)當(dāng)前頁面號用switch語句對不同Widget進(jìn)行changestatus（由于屏顯界面切換十分復(fù)雜，要窮舉所有的顯示狀況，因此采用分塊設(shè)計方式，將屏顯區(qū)域劃分為4個部分。在一個project下創(chuàng)建并創(chuàng)建4個widget，分別為：TOP WIDGET，RIGHT WIDGET，WINDOW WIDGET，BOTTOM WIDGET）。Break后繼續(xù)等待串口輸入；

（5） 若是操縱手柄串口有數(shù)據(jù)輸入則對應(yīng)視景的變化，如行進(jìn)、瞄準(zhǔn)、測距、二次瞄準(zhǔn)、射擊等。之后繼續(xù)等待串口數(shù)據(jù)輸入。

4 仿真結(jié)果

通過視景仿真、界面設(shè)計本文完成了基于某遙控武器站模擬射擊訓(xùn)練器的設(shè)計。通過Qt制作生成的界面如圖5所示，通過3DSMAX構(gòu)建的敵方坦克模型及最終的模擬射擊訓(xùn)練的效果如圖6所示。本文設(shè)計的模擬射擊訓(xùn)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(shí)目標(biāo)的情況下，對操作人員進(jìn)行有效而逼真的訓(xùn)練。由仿真結(jié)果可知，該設(shè)計滿足遙控武器站對模擬射擊訓(xùn)練的需求。

5 結(jié) 語

本文對遙控武器站模擬射擊訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行了初步研究，根據(jù)其特點(diǎn)，確定了系統(tǒng)的總體框架；設(shè)計了一種信號調(diào)理盒實(shí)現(xiàn)了不同模塊間的數(shù)據(jù)傳輸和接口轉(zhuǎn)換；利用視景仿真技術(shù)及Qt界面設(shè)計完成了技術(shù)仿真環(huán)境制作與視景驅(qū)動。

圖4 基于Qt界面設(shè)計流程圖

圖5 模擬訓(xùn)練器綜合顯控終端效果圖

最后通過對系統(tǒng)的仿真驗(yàn)證了本文設(shè)計的遙控武器站模擬設(shè)計訓(xùn)練器滿足基本射擊訓(xùn)練任務(wù)的需求。基于此設(shè)計的思想，可以進(jìn)一步開發(fā)裝甲車輛其他系統(tǒng)的模擬訓(xùn)練器。

圖6二次瞄準(zhǔn)及擊發(fā)效果圖

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