基于虚拟现实的装备可视化维修训练系统

牛余朋 高 强 霍文彪 王 娜

(中国人民解放军96630部队)

基于虚拟现实的装备可视化维修训练系统

牛余朋 高 强 霍文彪 王 娜

(中国人民解放军96630部队)

针对装备武器系统传统维修训练模式的不足，本文提出了一种基于虚拟现实技术的可视化装备虚拟维修训练系统，给出了系统的总体架构、结构组成和功能实现。该系统已成功应用于某型号装备的虚拟维修训练中。

虚拟现实；装备维修；虚拟训练

1 引言

随着科学技术的不断进步，装备科技含量越来越高，结构更加复杂，由于受造价和条件的限制，大型装备缺乏实装训练器材，严重制约了维修操作训练和人员培训。而且传统的维修训练模式需要消耗大量材料、动用实装开展操作，训练成本高，操作风险大。因此，迫切需要开发一种新的训练手段来解决困扰部队实装训练的难题。

虚拟现实(Virtual Reality,以下简称VR)技术是指采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉等一体化的虚拟环境，用户可根据自身的感觉，通过多种传感设备，使用人的自然技能对虚拟环境中的物体进行考察或操作，参与其中的事件。该技术综合了计算机技术、图像图形学技术、传感技术、人工智能技术及生理心理学等技术。概括地说，虚拟现实技术就是实现人与计算机之间理想交互的一种综合应用技术。

虚拟维修技术是虚拟现实技术在装备维修过程中的应用，它可以突破实装操作在空间和时间上的限制，在可视化的虚拟维修操作环境中，实现逼真的装备虚拟维修操作。此外，虚拟维修还能有效地验证装备装配操作的正确性，通过对维修过程全天候的反复虚拟训练，能够促进受训人员迅速提高装备武器装备的维修能力。系统的建立可实现领域内大规模的系统重用，即在构建新的虚拟维修训练系统时，无须从头开始重新设计，而是在核心资源的基础上灵活地集成，输出高质量的系统，以适应不同的仿真需求，从而提高系统的可维护性、扩展性和通用性。

2 一体化仿真平台设计

一体化仿真平台是一套基于C#的可视化仿真框架，主要用于集成和合理配置各种资源，建立仿真场景，提供交互手段。该平台主要由以下几部分组成。

（1）虚拟场景组件

虚拟场景是为受训者在接受训练时提供一个“实装”“实地”“实时”的仿真环境。它包括虚拟装备、虚拟零部件和虚拟操作环境。主要是建立虚拟设备模型、运动模型和动作模型；建立具有装备几何、外观以及拆卸等动作的虚拟样机模型；建立具有拆卸动作的精确设备模型；建立真实感强的虚拟环境。由于本系统中对虚拟设备的操作动作识别等实现比较复杂，而人员操作则相对简单，因此主要以鼠标/触摸点选事件来代替虚拟人动作，以驱动对象的各种动作的仿真实现。

（2）人机交互组件

系统的人机交互实现主要通过鼠标、键盘和触摸屏幕等标准外设,利用USB总线技术，经仿真应用程序接口采集交互设备输出的参数，最后在仿真应用程序中进行数据处理。

（3）过程仿真组件

主要包括过程描述、过程仿真方法及基本作业仿真。过程描述是以文字、图等表达方式对整个操作过程的描述,以指导教学、训练和考核等过程仿真实现。过程仿真方法是按照实际操作流程对整个操作过程进行多叉树形分解,形成基本的操作序列逻辑。按照这个逻辑进行基本作业模型则可完成整个操作过程的仿真。

3 系统架构设计

系统基本组成如图1所示。

本系统面向装备教学与训练中的实际需求，通过虚拟训

练的方式提高操作人员技术水平。该系统集教学、训练、考核多种资源为一体，基于虚拟现实软硬件系统，采用先进的三维动画、视景仿真和虚拟现实技术，通过对某装备外部和内部结构、拆装顺序、虚拟操作等教学和训练资源进行高精度建模和仿真，实现了对某装备原理相关知识、操作训练、拆装流程、理论教学等资源的一体化仿真开发。基于该系统，能够加深用户对装备相关知识直观和深入的理解，促进对装备整体结构和内部结构更加深层次的把握，锻炼人员的基本技能和实际操作能力。

图1 虚拟系统组成框图

4 系统功能模块设计

本系统是一种典型的过程仿真系统，它是对实际装备原理、操作和内部运动过程的仿真，目的在于使受训人员在计算机提供的仿真环境中熟练掌握某装备整体或关键设备或某一系统的信息。除了常规的教学、考核模块外，系统中最重要的是装备的虚拟拆装训练，其训练过程由一系列按照拆装规定的操作行为组成，受训人员按照拆装操作规程实施一次装配操作，引起所操作对象的状态改变，进而经过控制系统更新或机械结构传递，导致其它部件状态发生改变，从而完成一次完整的拆装操作。

本系统在一体化仿真平台下，由训练计划、装备概述、装备结构介绍、虚拟交互操作训练、专业考核及相关资源共6个模块组成，如图2所示，并就其中个别典型模块进行阐述。

图2 系统功能模块组成

（1）装备概述模块

装备概述模块主要通过图文的形式，给出按照某装备教学的装备概述，在保留传统PPT教学、教材及课后测试的基础上，通过进行美工设计和交互性的设计，有助于实现自然、流畅的课程教学过程。

（2）装备结构介绍模块

该模块主要是三维动画技术结合语音配合，对武器装备的功用、组成等进行细致的讲解，分为动画播放和手动漫游模式。手动漫游模式可以用鼠标拖拽拉近装备，可以清楚地了解装备的结构组成，为后面的操作打下扎实的基础。

（3）虚拟训练模块

虚拟训练模块主要通过对现实训练场景在虚拟世界中进行重构，通过结构展示、拆装教学、拆装训练、拆装考核等手段，训练学员在装备拆装方面的技能。其中拆装教学，具有拆卸和装配两种模式，自动演示拆卸或者装配过程，零件拆卸放置到零件库或者从零件库中拖出装配；拆装训练，同样具有拆卸和装配两种模式，零件拆卸放置到零件库或者从零件库中拖出装配；提示功能，当不知道步骤时可根据提示的高亮功能辅助拆卸或者装配；拆装考核是对拆装教学及训练的学习效果进行检验，没有任何提示，由受训者从仪器库选取装配的产品放置到安装位置，然后从工具箱选取工具进行安装，对于安装有技术要求的操作步骤会以填空的形式对相关要求进行考核。

（4）专业考核模块

专业考核模块主要通过交互式电子考试形式，对某装备重要知识点进行梳理，收集和整理各类试题。该模块能够完成单选、多选、判断、填空、简答等主客观题进行判断计分，最后进行统计。

5 结束语

采用虚拟现实技术建立的可视化装备虚拟维修训练系统，可以有效地解决当前装备实装维修训练存在的问题，提高了维修训练效果，有效解决了部队装备维修训练工作滞后、维修训练效率低、费用高等关键难题，最大程度地满足了部队平时和战时装备维修训练的需求。

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Visual Equipment Maintenance Training System Based on Virtual Reality

Niu Yupeng Gao Qing Huo Wenbiao Wang Na
(Army 96630 of PLA)

tract】 Aiming at the shortages of traditional weapon system maintenance training mode,this paper presents a visual equipment virtual maintenance training system based on virtual reality technology.It also discribes the system structure and function realization.The system has been successfully applied to the virtual maintenance training of a certain type of equipment.

words】 virtual reality;equipment maintenance;virtual training

TP391.9

A

1008-6609(2016)09-0059-03

牛余朋，男，山东济南人，硕士，高级工程师，研究方向：信息化建设。