火箭炮兵器结构与原理课程虚拟仿真教学平台建设

杨清文, 房施东, 李春海

(1. 陆军炮兵防空兵学院, 安徽 合肥 230031； 2. 69250部队, 新疆 乌鲁木齐 830009)

某型火箭炮是我陆军新型远程火力压制武器,结构比较复杂,涉及的专业知识较多。“火箭炮兵器结构与原理”是火箭炮指挥专业的核心专业基础课,该课程的教学内容包括大部组成、系统的工作原理与工作过程、装备操作、勤务使用与注意事项等。该课程通过深入介绍火箭炮组成原理和工作过程,为学员学习火箭炮的操作使用与技术勤务奠定基础。

然而,“火箭炮兵器结构与原理”课程的教学内容比较抽象、理论性强,并且在以往的教学中存在课时少、内容多的问题,使得工程力学、液压传动等课程的内容被压缩或无法开设。特别是单一的灌输式教学方式不利于培养学员的独立思考精神和学习兴趣。

随着计算机技术的发展,虚拟仿真在教学训练中发挥着越来越重要的作用。基于虚拟现实技术的虚拟仿真教学具有独有的沉浸感、交互性和想象空间,且具有成本低、可重复、效率高、可扩展、操作安全、高度开放等特点,为解决“火箭炮兵器结构与原理”课程教学中存在的问题提供了很好的解决方法。为此,综合运用三维虚拟仿真、二维动画等计算机软件技术,构建了“火箭炮兵器结构与原理”课程虚拟仿真教学平台[1-2]。

1 平台建设的基本要求

根据“火箭炮兵器结构与原理”课程的教学特点,构建了“一纵一横”教学内容体系结构,以火箭炮组成为主线,以功能、结构、原理、工作过程、装备操作和技术勤务等为主要内容,形成覆盖全系统、全要素的“火箭炮兵器结构与原理”教学内容体系。根据教学内容和教学目的,科学确定虚拟仿真教学方法。机械结构与装备操作采用三维仿真；电气和液压原理与工作过程采用数值仿真和视景显示；操作软件采用模拟软件,技术勤务运用视频形式表现。通过构建二维动画、三维仿真、数值仿真和软件模拟等多种形式的虚拟仿真方法,形成“火箭炮兵器结构与原理”虚拟仿真教学体系的基本功能和要求(见图1)[3-4]。

图1 虚拟仿真教学体系

对于各个功能模块,应该满足基本的技术要求。一是要有较好的人机交互性能,各功能模块之间能够动态切换,并提供文件管理、场景切换、动画回放及录像、教学测试等功能；二是要有多态表现形式,如三维仿真能够用爆炸图、透明显示、分解和结合等交互式演示零部件结构及基本工作过程；三是要有较好的激励形式,如开发测试、考核等软件。

2 平台开发

根据资源分类及特点,分别进行仿真资源建设与开发。采用CAXA软件进行火箭炮三维建模,运用Virtools仿真软件进行三维仿真开发；基于Matlab和Flash分别开发数值仿真和二维动画；基于VB开发火箭炮计算机操作系统模拟软件；视频、音频、文本、图片等可以选用常用的软件进行制作。基于VB构建平台框架,运用插件集成各种不同类型资源,形成“火箭炮兵器结构与原理”课程虚拟仿真教学平台。

2.1 三维建模与优化

采用CAXA软件进行火箭炮三维建模。对于标准件模型,只需要在标准件库中选择标准件,然后在参数模块中输入相关标准件参数,即可得出需要的标准件模型。对于非标准件零件,需要手动生成零件外形,进行打孔、倒角等操作,构建出完整的本体模型。根据零件之间的约束关系装配成部(组)件或子系统(图2所示为某部件三维模型效果),进而组装成完整的火箭炮。用CAXA建成模型并经过渲染等处理后,可根据任务的需要,通过输出设置对三维模型进行优化处理,以减少模型文件数据量[5]。

2.2 三维仿真实现

运用Virtools仿真软件进行三维仿真开发,实现火箭炮结构漫游、部件结构学习和装备操作仿真功能。

火箭炮结构漫游功能是为受训者进行外观布局学习而设计的,通过固定路线和操作外围设备(键盘、鼠标等)自主漫游,熟悉装备大部组成。

部件结构学习功能主要通过透视、隐藏、拆分、剖视等方式展示设备内部结构。

装备操作仿真功能主要是基于鼠标和键盘的操作,依据装备操作流程,在虚拟场景中实现对装备的弹药装填、用炮、收炮、操瞄、调炮等操作训练[6-7]。其中调炮训练仿真效果如图3所示。

图3 火箭炮调炮训练仿真效果

2.3 数值仿真与二维动画仿真开发

对于电气和液压原理与工作过程采用数值仿真加二维动画表现。对于数值仿真,首先建立数学模型,然后基于Matlab进行数值计算,并用曲线图描述数值关系；基于Flash创建二维动画仿真,并将数值仿真结果与二维动画和三维仿真进行关联,从而实现多角度、多工况和多手段再现火箭炮兵器的工作原理[8-10]。

以高低平衡机受力分析仿真为例,建立高低平衡机的内部运动二维动画、平衡力矩数值仿真与定向器的俯仰运动三维仿真的对应关系,形象展示了高低平衡机工作过程和调炮关系，其仿真效果如图4所示。

图4 高低平衡机工作原理多形式仿真

2.4 火控系统模拟软件开发

为了满足火箭炮操作训练要求,根据火箭炮火控系统软件的特点,采用VB6.0编写火控系统3个操作台的模拟软件,实现了参数输入、战行转换、弹道解算、报文管理、数据传输、地面发控、炮长监控等模拟训练功能。同时,采用内置操作状态图实现了模拟软件的操作考核功能。内置操作状态图精确描述了训练操作规程中各操作的先后顺序和时机。正确的操作使内置状态向前推进,并完成相应事件的处理；错误的操作将使状态转向错误处理程序,包括错误类型判断(致命错误、严重错误、一般错误)和错误提示等。

2.5 平台集成

基于VB实现模拟软件和数据资源的集成。软件集成时,对于利用VB开发的模拟软件,将统一建立在同一个工程窗体下,通过Form.Show程序实现软件界面的调用,并在主界面添加相应的Command控件与之链接。对于文本资源、图片资源、Flash演示动画和三维仿真资源,首先将文件存储于仿真平台文件目录下,建立ACESS数据库,并定义资源名称和存储路径。然后在主界面添加DATA控件、WebPlayer插件和Shockware Flash插件,分别实现文本图片、三维仿真和Flash演示动画资源的加载。平台集成效果如图5所示[11-12]。

图5 平台集成效果

3 平台的教学实践

教学团队以2013级和2014级火箭炮指挥专业为实施载体,对虚拟仿真与课堂教学课程进行了2轮教学实践。根据调查问卷及反馈,这次改革实践取得了良好的教学效果，学员非常欢迎并给予了较高的评价。在课程教学手段上,借助于现代教育技术,采用多媒体教学、现场教学与虚拟仿真教学相结合的方式,使课堂与现场、课内与课外、理论与实践有机融合,发挥了各自在教学中的优势,使教学过程更为形象、生动,提高了教学效果。对于现场无法再现的场景,如平衡机工作原理、手动调炮、半自动调炮和全自动调炮工作过程及其内部关系等,采用虚拟仿真教学方式,以其鲜明的画面、逼真的色彩以及生动形象的动画或影像再现了火箭炮结构及其工作过程。新的教学方式充分调动了学员的视、听等感官,激发学习兴趣,并根据教学效果和学员反馈及时完善和修正虚拟仿真教学系统。

4 结语

通过“火箭炮兵器结构与原理”课程虚拟仿真教学平台建设,较好地解决了“火箭炮兵器结构与原理”课程教学存在的问题,并以火箭炮指挥专业为实施载体,开展相关装备兵器结构与原理虚拟仿真教学改革实践,形成了虚拟仿真实验层层递进、能力素质培养贯穿始终的教学模式,以培养炮兵指挥专业精英人才为目标,增加学员主动参与和实践动手的机会,充分调动了学员的学习积极性。

References)

[1] 杨清文,房施东.某火箭炮虚拟维修训练资源分类及创建方法研究[J].炮兵学院学报,2011(4):49-51.

[2] 杨清文,房施东.基于Virtools的某火箭炮技术检查训练仿真研究[J].计算机测量与控制,2012,20(2):407-409.

[3] 李瑞涛,周绍磊,史贤俊,等.基于综合能力培养的控制工程专业实践教学体系建设[J].实验技术与管理,2017,34(增刊1):92-95.

[4] 苏珉,于明灏.军校虚拟仿真实验室的建设[J].实验技术与管理,2017,34(增刊1):155-157.

[5] 陈国辉,刘有才.虚拟仿真实验教学中心实验教学体系建设[J].实验室研究与探索,2015,34(8):169-172,185.

[6] 郑义,杨清文,房施东,等.基于VRML的火箭炮兵器教学与训练系统[J].计算机工程与设计,2008(15):4037-4039.

[7] 陈凯,王汉兵.基于多虚拟平台的计算机网络综合实验教学系统设计[J].现代教育技术,2015,25(7):107-112.

[8] 胡今鸿,李鸿飞.高校虚拟仿真实验教学资源开放共享机制探究[J].实验室研究与探索,2015,34(2):140-144,201.

[9] 郑国君,靳春宁,李宝军,等.车身结构设计虚拟仿真实验教学研究[J].实验技术与管理,2017,34(7):110-113.

[10] 王卫国.虚拟仿真实验教学中心建设思考与建议[J].实验室研究与探索,2013,32(12):5-8.

[11] 李炎锋,杜修力.土木类专业建设虚拟仿真实验教学中心的探索与实践[J].中国大学教学,2014(9):82-85.

[12] 汪源,周密.信息类专业虚拟仿真教学及管理平台的构建[J].教师,2017(32):85-86.