装备电气三维虚拟教学系统设计与实现

刘正春 王 勇 安 树 薛海鹏

1.军械工程学院电气工程系 河北石家庄 050003

2.南京陆军指挥学院战役战术系 江苏南京 210000

随着武器装备信息化程度的提高，电气系统越来越复杂，因此对装备电气教学训练提出了更高的要求。目前，装备电气教学一般是采用书本教材、挂图结合实装的方式[1]，但这种方式面临诸多问题：

(1)电气设备连接关系复杂，一张电路图往往涉及多个电气设备，而这些设备在武器装备内部又并非在同一空间位置；

(2)在训练场地进行实装教学，不易于学生理解电路原理；而在课堂上脱离实装学原理，又难以弄清电子元器件在装备上的具体位置；

(3)由于装备数量和训练场地有限，学生的操作实践难以保证，训练效率低下；

(4)装备电气功能结构复杂，造价昂贵，对装备的拆卸容易造成设备损坏。

因此，需要从装备电气教学的手段和方法上进行创新，开发符合学生实际需求的教学设备和手段。随着计算机软硬件技术的迅速发展，基于虚拟现实技术装备电气教学系统可以解决传统教学的诸多问题，能极大提高学习效率，对培养“技指结合”的学生、提高学生的装备维修能力有着重要意义。

1 “武器装备电气系统”虚拟教学系统

我教研室开设的武器装备电气系统系列课程包括电气原理、故障诊断和模拟训练3个子课程。为了将原理教学和训练教学更加紧密地联系起来，开发了武器装备电气系统虚拟教学系统。该系统由电气原理、虚拟装备结构、虚拟电路板和虚拟仪器四大功能模块组成(如图1所示)。

图1 “武器装备电气系统”虚拟教学系统功能模块图

(1)电气原理模块主要展示传统的电气教学元素，包括装备电气原理讲解、电路图浏览、视频、课件的播放等。

(2)虚拟装备结构模块主要用于装备外观、内部结构的教学，学生可以在装备内部进行虚拟漫游，熟悉电气设备在装备内部的空间位置，也可以对电气设备进行分解、结合，掌握电气设备的正确拆装步骤。

(3)虚拟电路模块用于模拟实际电路板的电气属性、连接关系、测试热点等，学生通过与界面的交互，了解电路原理图与实际设备的对应关系。例如点击原理图上的某个元器件，便可查看该器件具体位于哪个电气箱体的哪块电路板上以及它其他元器件的实际连接关系如何。

(4)虚拟仪器模块用于模拟实际仪器的测试效果，可以对虚拟电路板上的测试点进行电气测试，并能模拟实际仪器的换挡、读数和波形等，避免了真实测试操作的危险性和破坏性。

系统采用Borland Delphi 7.0编程工具与Cult3D三维虚拟技术，实现装备电气教学的动态交互设计，完成三大虚拟模块的功能需求。

2 虚拟教学系统设计流程

3DS Max和Cult3D是两个不同的应用软件平台，装备电气三维模型的建立是在3DS Max软件上完成(格式为“*.max”)，模型交互动作是在Cult3D软件中编辑完成的，最终具有交互动作的产品(*.co)要发布到Delphi软件平台上使用。Cycore公司提供的Cult3D Exporter和Cult3D Viewer两个插件分别用于3DS MAX向Cult3D Designer(*.max－＞*.c3p)和Cult3D Designer向Delphi(*.c3p－＞*.co)3个软件平台接口的格式转换(如图2所示)。

图2 软件平台间格式转换示意图

武器装备电气系统虚拟教学系统采用3DS Max+Cult3D+Delphi来实现学生与模型的交互，具体方法如下：

2.1 构建静态模型

教学系统的虚拟环境首先要构建被观测对象的静态模型，即某型号装备电气系统的三维模型，使其能够逼真地展现实装备电气设备的外观。本系统采用3DS Max 2010软件制作模型的立体几何形态和外观材质，细节部分的材质采用实物照片贴图方式，从而生成电气设备的三维静态模型文件，即“*.max”文件。

2.2 动态模型设计

为了使学生更加直观地理解装备电气系统的构成、连接关系和组装方式，需要对静态模型进行动态设计，转换成动态模型，提高学生的操作兴趣和虚拟现实的沉浸感。

Cult3D是Cycore公司开发的一种3D网络技术，它可以把图像质量高和速度快的交互、实时物体送到所有因特网用户手上。Cult3D技术可以做到档案小、真实互动、跨平台运用，并有优秀的三维质感表现[2]。

本系统采用Cycore公司提供的Cult3D Exporter插件将“*.max”文件转换为Cult3D Designer软件可以操作的“*.c3p”文件。

在Cult3D Designer里对静态模型进行旋转、缩放和拖动的动作设计，针对不同的模型，设计XYZ坐标旋转轴点、鼠标敏感度和响应速度；并且通过制订模型配件的约束路径，设计用户对设备的拆卸动作。图3是Cult3D Designer软件中对某电气设备拆分动作的映射图。

图3 拆分箱体动作设计映射图

动态模型生成的最终文件输出为(*.co)压缩文件，该格式文件占用空间小，可嵌入HTML网页或 Word，PPT，Acrobat等多媒体应用软件中。

2.3 教学系统交互功能的实现

武器装备电气系统虚拟教学系统采用Borland Delphi 7.0软件开发，并选用ActiveX技术完成对“*.co文件”(动态模型)的调用。

ActiveX控件是一组采用COM(Component Object Model，部件对象模型)使得软件部件在网络环境中进行交互的技术集，可嵌入到包容器宿主应用程序中，与开发平台无关[3]。本系统采用显示调用动态链接库的方法实现动态模型到Delphi软件平台的嵌入。

3 应用情况和实践效果

学生在学习武器装备电气系统的电气系统总体结构时，可使用本系统的虚拟装备结构模块，浏览电气设备在装备上的空间位置，并直接进行拆装操作。图4所示为学生对某电气设备的拆装过程，可在提示模式下根据提示步骤进行操作，也可在考核模式下进行考核。

图4 某电气设备的拆装过程图

图5 虚拟万用表对某虚拟电路板的测量过程图

学生在学习电路原理时，可通过电路图直接切换到虚拟电气设备中进行电气连接关系查看，也可以直接对设备的正常状态或故障状态下进行虚拟测量。图5所示为学生使用虚拟万用表测量某虚拟电路板。

武器装备电气系统虚拟教学系统提供了逼真的学习交互环境，使电气知识更加形象化，克服了二维电路图、照片等局限，在教学中能让学生有身临其境的感觉。Cult3D技术的引用使该系统具有较好的开放性和良好的网络传输性，可为学生提供课余时间的练习机会，能较好地培养学生动手操作设备仪器的能力，可缩短学生实装操作训练的时间, 提高训练效率；同时可防止装备在不当操作中的损坏和由于频繁使用造成的零件磨损，减少训练经费的开支。

在教学实践中，分成A，B两组学生进行教学，A组运用武器装备电气系统虚拟教学系统，B组不运用。对这两组学生进行的调查可以发现，有条件(接触网络，有计算机)且应用武器装备电气系统虚拟教学系统进行操作练习的学生，在实装训练过程中，其积极性、出错率、训练成绩等方面和其他学生明显不同，其动手能力和空间想象能力也明显高于其他学生。

[1]何嘉武,赖煜坤.武器装备虚拟维修训练系统设计与实现[J].科技导报.2010,28(24):71-74.

[2]苏威洲,童仲豪,叶翰鸿.实现网络三维互动：Cult3D应用指南[M].北京:清华大学出版社,2001.

[3]梁水,李方超,赛奎春.Delphi开发技术大全[M].北京:人民邮电出版社,2007.