大口徑機(jī)槍發(fā)射運(yùn)動(dòng)虛擬仿真軟件設(shè)計(jì)

梁振剛 孫文才 劉 澎 李 睿 李佳泓

(沈陽理工大學(xué)裝備工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159)

1背景與意義

武器彈藥的真實(shí)展示和實(shí)驗(yàn)具有危險(xiǎn)性高、不易操作和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象難以捕捉的特點(diǎn)，在兵器學(xué)科的多個(gè)專業(yè)課程教學(xué)中，教師無法真實(shí)呈現(xiàn)與課程相關(guān)的模型及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，而且課程實(shí)驗(yàn)也很難操作和實(shí)現(xiàn)，這嚴(yán)重影響了課程的教學(xué)效果和學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。虛擬仿真技術(shù)由于其自由度高、交互性強(qiáng)、仿真度高、無器材消耗等優(yōu)點(diǎn)，在高校教育中開始得到廣泛的應(yīng)用。如今，仿真實(shí)訓(xùn)成為實(shí)訓(xùn)教學(xué)重要的組成部分和提高教學(xué)質(zhì)量的重要手段。將虛擬仿真技術(shù)引入課堂，通過應(yīng)用虛擬仿真教學(xué)軟件，可實(shí)現(xiàn)教學(xué)中真實(shí)的零部件及其復(fù)雜的工作過程的虛擬展示，為學(xué)生體驗(yàn)更真實(shí)和近距離觀察自動(dòng)武器工作過程提供了可能，同時(shí)也可以讓學(xué)生更加直觀的了解自動(dòng)武器的工作原理，這既方便了教師上課講解，也便于學(xué)生的課后復(fù)習(xí)。

在自動(dòng)武器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程中，大口徑機(jī)槍是一種典型的自動(dòng)武器，目前，大口徑機(jī)槍各零部件結(jié)構(gòu)和工作原理展示多以平面剖視圖為主，缺乏動(dòng)態(tài)演示，對于空間感不強(qiáng)的同學(xué)來說理解起來十分困難。并且機(jī)槍屬于管制武器，發(fā)射過程的真實(shí)演示具有高危險(xiǎn)性，機(jī)槍的射速大約600發(fā)/min，發(fā)射過程瞬間完成，并且發(fā)射過程中外部有殼體遮擋，很難看清發(fā)射過程時(shí)的機(jī)構(gòu)動(dòng)作，所以使用真實(shí)機(jī)槍進(jìn)行教學(xué)演示不具有可能性。而單純依靠圖片和語言教學(xué)又難以讓學(xué)生完全理解機(jī)槍的工作原理。所以我們希望通過建立大口徑機(jī)槍三維動(dòng)態(tài)模型，使講解方式由圖片加文字的靜態(tài)教學(xué)變?yōu)橐子诶斫獾膭?dòng)態(tài)展示。動(dòng)態(tài)展示不僅僅是簡單的動(dòng)畫演示，而是以數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的虛擬運(yùn)動(dòng)仿真，可以最大限度的符合真實(shí)情況，使學(xué)生們能夠仔細(xì)觀察到機(jī)槍組成結(jié)構(gòu)、各個(gè)零件的細(xì)節(jié)特征和發(fā)射過程中任意時(shí)段機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程。

在工業(yè)領(lǐng)域虛擬仿真早已嶄露頭角，西門子打造了制造虛實(shí)“雙胞胎”流水線，通過虛擬仿真技術(shù)遠(yuǎn)程展現(xiàn)實(shí)際流水工況和數(shù)據(jù)。2016年初，羅克韋爾?柯林斯與美國虛擬仿真軟件公司W(wǎng)orldViz合作開展維修培訓(xùn)器項(xiàng)目。

虛擬仿真產(chǎn)業(yè)即將駛?cè)氚l(fā)展快車道，目前美國的虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用在國際上處于領(lǐng)先地位，已成為業(yè)界標(biāo)桿，其他國家如英國、德國、日本基本與其大同小異?？v觀各國發(fā)展態(tài)勢，虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展已在科學(xué)實(shí)驗(yàn)、仿真模擬等方面落地生根，并呈現(xiàn)出穩(wěn)步上升的趨勢。

實(shí)踐證明，在虛擬戰(zhàn)場環(huán)境中對諸軍兵種進(jìn)行聯(lián)合戰(zhàn)役訓(xùn)練能夠極大地提高參展部隊(duì)的作戰(zhàn)能力，并能縮減武器的研發(fā)和實(shí)訓(xùn)階段的費(fèi)用。據(jù)悉，美國第四代戰(zhàn)斗機(jī)F-22和JSF在研制全周期中，由于采用了虛擬仿真技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了3D數(shù)字化設(shè)計(jì)，使得研發(fā)周期縮短50%，節(jié)省研發(fā)經(jīng)費(fèi)93%。

2主要方法及其創(chuàng)新點(diǎn)

2.1主要方法

(1)在對典型大口徑機(jī)槍結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，確定機(jī)槍主要零部件組成及各零部件結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)。

(2)用UG分別對各零部件進(jìn)行建模并裝配成一個(gè)整體，得到大口徑機(jī)槍機(jī)構(gòu)的整機(jī)模型。將UG模型轉(zhuǎn)化為3D MAX可識(shí)別的模型并進(jìn)行附材質(zhì)、渲染，導(dǎo)出為FBX格式。

(3)分析大口徑機(jī)槍工作原理，建立各機(jī)構(gòu)動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)仿真數(shù)學(xué)模型。

(4)將三維模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D，結(jié)合運(yùn)動(dòng)仿真數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用可視化技術(shù)——編程實(shí)現(xiàn)大口徑機(jī)槍發(fā)射虛擬運(yùn)動(dòng)仿真軟件設(shè)計(jì)。

2.2創(chuàng)新點(diǎn)

通過建立數(shù)學(xué)仿真模型，能夠模擬大口徑機(jī)槍真實(shí)發(fā)射過程，用來解決傳統(tǒng)教學(xué)中硬件資源不足的問題。項(xiàng)目中的動(dòng)態(tài)展示不僅是簡單的動(dòng)畫展示，而是基于實(shí)際情況的真實(shí)模擬。動(dòng)態(tài)展示中不僅可以觀察到機(jī)構(gòu)的細(xì)節(jié)特征，也可以觀察到任一發(fā)射時(shí)期的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程。通過發(fā)射原理動(dòng)態(tài)展示，可以加深學(xué)生對發(fā)射原理理解。此外，既能讓教師在課上通過電腦演示方便學(xué)生理解，也能將程序發(fā)給學(xué)生，讓學(xué)生反復(fù)觀察加深對大口徑機(jī)槍結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)及其工作原理的理解，兼具娛樂性的同時(shí)提高教學(xué)質(zhì)量。

3收獲和體會(huì)

在研究方面，最深的體會(huì)就是要勤于思考，主動(dòng)進(jìn)行實(shí)踐環(huán)節(jié)。創(chuàng)新性試驗(yàn)并沒有已有的模板可以按部就班，需要一步步的計(jì)劃并且在實(shí)施過程中進(jìn)行協(xié)調(diào)。每一個(gè)環(huán)節(jié)都需要獨(dú)立的思考和大家共同的參與與配合。在創(chuàng)新方面，重在明確創(chuàng)新的方向和目標(biāo)。在多次的反復(fù)協(xié)商討論后，我們達(dá)成一致的意見，之后的所有工作都圍繞它開展。我們用盡可能科學(xué)的方法，進(jìn)行了相關(guān)的模型分析，對于數(shù)據(jù)來源嚴(yán)格把關(guān)，盡可能確保每一份問卷的真實(shí)性與有效性。對于獲得的數(shù)據(jù)，進(jìn)行了后期的分析與挖掘，以得出可信度高的結(jié)果。最后，任何一個(gè)突破性、創(chuàng)新性的成就都是從“平凡有點(diǎn)枯燥”的過程中一步步得出來的。在這次實(shí)訓(xùn)中，我們學(xué)會(huì)了理論聯(lián)系實(shí)際，不僅加強(qiáng)了對專業(yè)知識(shí)的理解與運(yùn)用，也學(xué)會(huì)了迎難而上，同時(shí)還有堅(jiān)持不懈的務(wù)實(shí)態(tài)度和團(tuán)隊(duì)協(xié)作的精神，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)訓(xùn)成為了我們成長過程中的寶貴經(jīng)驗(yàn)和財(cái)富。

實(shí)踐是學(xué)習(xí)知識(shí)最好的方法，它能教會(huì)我們很多書本上永遠(yuǎn)闡釋不出的東西。我們體會(huì)最深的是要勤于思考，要善于從不同角度分析問題。在創(chuàng)新方面，首先要確定創(chuàng)新的方向和目標(biāo)，始終圍繞創(chuàng)新點(diǎn)，不能偏離主題，也不能隨意猜測，而要有根據(jù)、有目的地做出假設(shè)，再一步步通過實(shí)踐去論證自己的猜測。其實(shí)，每一個(gè)偉大的成就都是這樣“平凡”地一步一步實(shí)現(xiàn)的。該項(xiàng)目真正做起來才發(fā)現(xiàn)并不那么容易，需要做很多的工作，并且這些工作都還需要很大的耐心和毅力。比如早期的文獻(xiàn)查閱、數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)大算及其分析、模型構(gòu)建。整個(gè)過程中我認(rèn)識(shí)到做科研必須具有一絲不茍的嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度，要本著對科研負(fù)責(zé)、對科學(xué)負(fù)責(zé)的態(tài)度，進(jìn)行自己的研究。