坦克炮虛擬維修系統(tǒng)研究

邢宏光，王國輝，周世海

(裝甲兵工程學(xué)院兵器工程系，北京100072)

【武器裝備理論與技術(shù)】

坦克炮虛擬維修系統(tǒng)研究

邢宏光，王國輝，周世海

(裝甲兵工程學(xué)院兵器工程系，北京100072)

基于從維修訓(xùn)練的手段和方法上進行創(chuàng)新，開發(fā)滿足新裝備訓(xùn)練需求，探索研究符合基層部隊實際的訓(xùn)練設(shè)備和手段;基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的虛擬維修訓(xùn)練為基層部隊提供了一種費效比較好的武器裝備維修訓(xùn)練手段，它能提高基層部隊對武器裝備的自主維修訓(xùn)練能力，促進基層部隊維修保障能力的快速形成;實現(xiàn)了裝備結(jié)構(gòu)教學(xué)和維修訓(xùn)練的桌面式虛擬訓(xùn)練，為部隊和院校坦克炮的維修訓(xùn)練、教學(xué)提供了軟件支撐。

裝甲車輛;虛擬維修

當前裝備呈現(xiàn)出功能綜合、技術(shù)先進結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格昂貴、更新?lián)Q代快等特點，對維修人員訓(xùn)練提出了更高的要求。然而，長期以來，傳統(tǒng)的訓(xùn)練一般是利用維護說明書、多媒體、錄像和教材等資源，結(jié)合實裝訓(xùn)練開展。這種維修訓(xùn)練方式存在消耗大、開展時機滯后、對故障檢測維修訓(xùn)練的關(guān)鍵內(nèi)容訓(xùn)練少等缺陷。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展徹底改變了上述局面，在虛擬樣機上仿真維修過程的思想己經(jīng)被廣泛認同［1］。

虛擬維修即采用仿真的手段在計算機生成的虛擬環(huán)境中對維修過程進行計算機模擬，維修操作的對象是計算機中的虛擬對象，操作人員則是真實維修人員，從而實現(xiàn)人對裝備進行維修過程的可視化模擬。應(yīng)用虛擬維修技術(shù)對維修任務(wù)進行可行性分析，分析維修過程中存在的問題可以對維修人員進行模擬維修作業(yè)訓(xùn)練［2］。

本論文研究的意義主要有以下幾點:研究成果將實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實技術(shù)在裝甲車輛武器系統(tǒng)維修中的應(yīng)用，對現(xiàn)在部隊新裝備維修技術(shù)的發(fā)展起到積極的作用;可以在虛擬維修實驗室里進行維修訓(xùn)練的“實踐戰(zhàn)”，有效提高培訓(xùn)人員的環(huán)境適應(yīng)能力;具有很高的訓(xùn)練質(zhì)量和訓(xùn)練“效費比”;虛擬訓(xùn)練作業(yè)真實可靠，最高限度的給受訓(xùn)者提供訓(xùn)練平臺。

(1)國外研究現(xiàn)狀。美國應(yīng)用虛擬維修技術(shù)建立了相應(yīng)的虛擬維修系統(tǒng)，維修人員一次性地成功實施了維修任務(wù)。虛擬維修技術(shù)在美軍LMTAS系統(tǒng)中得到了大量的應(yīng)用。日本主要致力于建立大規(guī)模VR知識庫的研究。另外在虛擬現(xiàn)實的游戲方面的研究也做了很多工作［3－4］。

(2)國內(nèi)研究現(xiàn)狀。我國的VR技術(shù)研究與這些發(fā)達國家相比，還有一定的差距，但在緊跟國際新技術(shù)的同時，國內(nèi)一些重點院校，也積極投入到這一領(lǐng)域的研究工作。北京航空航天大學(xué)開發(fā)的分布式虛擬世界基礎(chǔ)信息平臺DVENET的技術(shù)水平己接近美國的STOW;中國科技開發(fā)院威海分院主要研究虛擬現(xiàn)實中視覺接口技術(shù)。

裝甲兵工程學(xué)院設(shè)計的某型炮射導(dǎo)彈虛擬檢測維修訓(xùn)練系統(tǒng)，不僅能進行虛擬裝備的故障檢測和維修訓(xùn)練，還具有誤操作警示、故障設(shè)置、故障識別、可視化原理教學(xué)、資料查詢功能。石家莊軍械工程學(xué)院在虛擬維修中人體運動控制分類研究，拆卸序列的選擇等方面取得了一定的成果。郝建平等開發(fā)的基于虛擬維修仿真的維修性分析系統(tǒng)，采用交互式和沉浸式兩種方式實現(xiàn)維修過程仿真，并提出了較為完整的虛擬維修系統(tǒng)方案［5－6］。

1 虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)總體方案設(shè)計

坦克炮虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)主要由結(jié)構(gòu)與組成模塊、人機交互模塊兩大部分組成，其中結(jié)構(gòu)與組成模塊主要用于存儲火力系統(tǒng)組成及技術(shù)參數(shù);人機交互模塊用于實現(xiàn)對各部件進行自動和手動拆裝訓(xùn)練，使受訓(xùn)人員實現(xiàn)在虛擬環(huán)境中的維修訓(xùn)練，系統(tǒng)集成平臺通過對各模塊的接口的開發(fā)實現(xiàn)各個模塊之間的集成，并給用戶提供使用界面，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)集成簡圖

2 虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)人機交互模塊的構(gòu)建

2.1 虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)開發(fā)

虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)，其主要功能是對操作者進行維修培訓(xùn)，使操作者從中學(xué)習(xí)到維修知識，增長維修經(jīng)驗。實現(xiàn)對維修人員培訓(xùn)的重點是以下幾個方面:培訓(xùn)坦克炮的結(jié)構(gòu)組成，以及坦克炮拆卸安裝的正確順序和工作原理;在熟悉結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上學(xué)會正確使用坦克炮;操作者可以對坦克炮進行維修操作，例如故障排除等練習(xí)。

2.2 虛擬維修訓(xùn)練模型開發(fā)方法與過程

2.2.1 建立坦克炮系統(tǒng)模型

利用Solidworks軟件建立坦克炮零部件、工作臺以及維修工具的三維模型，為虛擬環(huán)境的構(gòu)建提供素材。裝配好的坦克炮系統(tǒng)模型如圖2所示。

圖2 坦克炮系統(tǒng)模型

2.2.2 構(gòu)建虛擬維修訓(xùn)練環(huán)境

一個良好的操作界面能夠促進使用者的快速掌握，同時大大縮短與計算機之間的距離，使得系統(tǒng)易學(xué)、易理解，方便使用，進而提高工作效率。

對于虛擬維修訓(xùn)練環(huán)境，其主導(dǎo)思想是與現(xiàn)實中的維修環(huán)境盡可能的相似，在構(gòu)建虛擬維修訓(xùn)練環(huán)境開始，建立一個內(nèi)含各種維修工具的維修教室。如圖3所示。

圖3 構(gòu)建的虛擬環(huán)境

2.2.3 導(dǎo)入三維模型

將利用Solidworks軟件建立的坦克炮三維模型導(dǎo)入到虛擬現(xiàn)實軟件EON中。

2.2.4 插入結(jié)點

(1)為了在軟件中實現(xiàn)各部件按照實際的拆裝路徑將其從火炮上拆下，然后放置到指定的位置，需要設(shè)置部件的運動路徑。部件的運動路徑在3D MAX中進行制作，導(dǎo)入的EON Studio中會自動生成一個路徑節(jié)點。如圖4所示。

圖4 EON環(huán)境中路徑節(jié)點的生成

雙擊生成的路徑節(jié)點，對其屬性框就可進行各種設(shè)置。

(2)選擇sensor nodes，拖動一個開關(guān)節(jié)點clicksensor至“搖架”節(jié)點下。

(3)為了讓操作者更直觀更快的掌握每個部件的名稱，拖動一個ToolTip節(jié)點至“搖架”節(jié)點下，實現(xiàn)當鼠標移動到該節(jié)點的時候，便顯示該節(jié)點的名稱。雙擊該節(jié)點設(shè)定該節(jié)點的屬性。

(4)按照以上方法在每個可拆裝的零件下設(shè)置路徑節(jié)點，并對照相應(yīng)的零件將其命名，和一個ToolTip節(jié)點同時按要求的位置設(shè)定其屬性。然后拖動一個clicksensor節(jié)點至該節(jié)點下。

同上，依次建立虛擬環(huán)境各個節(jié)點。

2.2.5 連接邏輯關(guān)系

(1)為了使上述調(diào)用的節(jié)點在其父系節(jié)點下發(fā)揮作用，并且連貫的配合起來需要對其屬性有選擇的進行鏈接。

(2)連接好之后如下圖的邏輯關(guān)系圖。如圖5所示。

圖5 連接邏輯關(guān)系

(3)設(shè)置完邏輯關(guān)系后，運行模擬程式。

通過上述過程的設(shè)置便可以實現(xiàn)對坦克炮各個部件的有序拆裝，在操作的同時便熟練的掌握了該部件的結(jié)構(gòu)組成，同時清楚該部件的拆裝的順序。

2.3 虛擬環(huán)境下交互功能的實現(xiàn)

2.3.1 自動拆卸模塊

在自動演示模塊中，維修人員可以學(xué)習(xí)和深入了解坦克炮各部件的相互運動關(guān)系和拆裝順序。

(1)為了讓操作更直觀更快完成，拖動2個AlertMsgBox節(jié)點、一個TimeSensor節(jié)點至Frame節(jié)點下，將其命名為開始拆卸提示和拆卸完成，雙擊AlertMsgBox節(jié)點進行設(shè)置。

(2)為了實現(xiàn)對各部件的拆卸，需要調(diào)用軟件中的Fram、Textbook、KeyFrame節(jié)點，并根據(jù)相應(yīng)的要求設(shè)定每個節(jié)點的屬性。

(3)拖動AlertMsgBox、TimeSensor及各個KeyFrame節(jié)點至邏輯關(guān)系設(shè)定框。然后進行相應(yīng)的連接。

(4)設(shè)置完邏輯關(guān)系后，運行一下模擬程式。如圖6所示。

2.3.2 自動安裝模塊

按照同樣的方法，只需將邏輯連接關(guān)系中的路徑節(jié)點按照相反順序進行連接，就可以完成對坦克炮自動安裝模塊的創(chuàng)建。設(shè)置完邏輯關(guān)系后，運行一下模擬程式。

通過上述過程的設(shè)置便可以實現(xiàn)對坦克炮各個部件的有序自動安裝，即完成了對自動安裝模塊的創(chuàng)建，在維修人員學(xué)習(xí)的同時便熟練地掌握了該部件的結(jié)構(gòu)組成，同時清楚該部件的安裝的順序。

本節(jié)描述了實現(xiàn)坦克炮虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)主要功能的創(chuàng)建過程，并且重點描述了坦克炮的引導(dǎo)訓(xùn)練模塊、自動拆卸演示模塊、自動安裝演示模塊的創(chuàng)建。通過對模塊的學(xué)習(xí)使維修者能夠快速了解坦克炮的結(jié)構(gòu)組成，拆卸安裝操作過程。

圖6 模擬效果

3 結(jié)束語

本論文通過實例介紹了構(gòu)建適合裝備維修訓(xùn)練使用的虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的方法。根據(jù)實裝訓(xùn)練情況和訓(xùn)練人員特點等方面，完成了適用于虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的框架搭建。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建了接近現(xiàn)實環(huán)境的訓(xùn)練場景，使訓(xùn)練人員的可視化程度更強，具有訓(xùn)練內(nèi)容視覺化等特點。

研究成果實現(xiàn)了裝備結(jié)構(gòu)教學(xué)和維修訓(xùn)練的桌面式虛擬訓(xùn)練，為部隊和院校坦克炮的維修訓(xùn)練、教學(xué)提供了必要的軟件支撐。

［1］王嵐，劉怡，梁忠先.虛擬現(xiàn)實Eon Studio應(yīng)用教程［M］.天津:南開大學(xué)出版社，2007.

［2］何嘉武，賴煜坤.武器裝備虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［J］.科技導(dǎo)報，2010，28(24);71－74.

［3］王文舉，李光耀.虛擬維修仿真技術(shù)的研究與進展［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2011(9):1751－1757.

［4］杜霄鵬，李星新，李想.虛擬維修訓(xùn)練通用平臺與EON接口實現(xiàn)［J］.計算機與數(shù)字工程，2011(7):200－202.

［5］王國輝，鄧威，李向榮，等.基于虛擬現(xiàn)實的自動裝彈機虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)［J］.火炮發(fā)射與控制學(xué)報，2011(9): 27－30.

［6］李星新，郝建平，葉飛，等.虛擬維修訓(xùn)練的基本問題與技術(shù)體系研究［J］.微計算機信息，2010(26):30－32.

［7］田冕，馬龍，張王衛(wèi).虛擬維修環(huán)境下的線繩布線算法［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2013(6):100－105.

(責(zé)任編輯周江川)

Virtual Maintenance System for Certain Type of Tank Gun

XING Hong－guang，WANG Guo－h(huán)ui，ZHOU Shi－h(huán)ai
(Department of Arms Engineering，Academy of Armored Force Engineering，Beijing 100072，China)

On the basis of the innovation ofmaintenance training means and method，this paper studied the training equipment andmeans that couldmeet the needs of new equipment training and accord with the basic unit army’s reality.The virtualmaintenance training system based on virtual reality technology offered a kind ofweapon and equipment’smaintenance trainingmeans to basic unit army which had better cost－effectiveness ratio.It could improve the independentmaintenance training ability to weapon and equipment in the basic unit army.It could also promotemaintenance support ability of the basic unit army to form quickly.The paper realizes desktop virtual system ofmaintenance training and the teaching of equipment structure，which offers the software support tomaintenance training and teaching of tank gun in both the army and colleges.

armored vehicles;virtualmaintenance

:A

1006－0707(2014)07－0001－03

format:XING Hong－guang，WANG Guo－h(huán)ui，ZHOU Shi－h(huán)ai.Virtual Maintenance System for Certain Type of Tank Gun［J］.Journal of Sichuan Ordnance，2014(7):1－3.

本文引用格式:邢宏光，王國輝，周世海.坦克炮虛擬維修系統(tǒng)研究［J］.四川兵工學(xué)報，2014(7):1－3.

10.11809/scbgxb2014.07.001

2014－03－12

邢宏光(1976—)，男，碩士，主要從事火炮與自動武器研究。

TJ012.3