武器装备虚拟维修训练系统的设计研究*

亓永峰 马 亮

(海军潜艇学院 青岛 266071)

1 引言

目前,武器装备的训练普遍采用实物、实兵、实地训练,日常训练成本高、危险性大、训练效率与训练效果有待提高。迫切需要现代化的维修和训练手段来解决目前存在的一些问题,促进装备管理、训练和使用水平的不断提高。虚拟现实技术的出现与逐渐成熟,为上述问题的解决带来了新的契机,维修人员可以在虚拟环境中进行装备的拆卸仿真和模拟维修训练[1]。这种方法安全、经济、可控、可重复、无风险,不受气候条件和场地空间的限制,其训练的高效率、高效益等独特优势,受到各国军方的高度重视。

本文以潜艇雷弹发射装置为例,在充分利用先进CAD技术,虚拟现实技术的基础上,设计了潜艇雷弹发射装置虚拟维修训练系统。该系统不仅具有很好的训练效果,同时也能为海军装备维修训练的现代化提供一定的参考。

2 系统需求分析[2]

潜艇雷弹发射装置虚拟维修训练系统是一个采用计算机仿真技术,依托装备的CAD数据和现代维修理论,包括仿真装备、维修人员、维修工具、维修过程信息的综合系统。系统要求能够针对雷弹发射装置的维修过程进行训练,在一般的台式PC上实现,信息以图像、文字及多媒体的形式传达给接受训练人员,通过鼠标、键盘与接受训练人员实现交互。系统的核心作用是使接受训练人员迅速熟悉维修对象的结构组成、工作原理,熟悉常见故障的维修方法。

系统的总体需求为两个方面:

1)系统能够在导入维修对象和维修任务后生成相应的训练系统。

2)系统可以为接受维修训练的人员提供认知维修对象和任务的平台,使人员能够获取维修对象和维修任务操作相关的知识。

3 功能分析

基于上文对维修训练系统的需求分析,构建系统的框架如图1所示。

图1 维修训练系统总体功能建模图

根据潜艇雷弹发射装置虚拟维修训练系统功能的需要及实际应用的需求,该系统应具备以下功能:

1)接受训练人员通过装备结构树的提示对装备进行静态的操作和分析,熟悉设备的结构组成和工作原理;

2)通过对设备故障知识库的学习,了解并熟悉设备的常见故障及维修方法;

3)通过在虚拟环境中的虚拟维修训练,熟悉潜艇雷弹发射装置的维修训练的操作规程。

4 系统软件结构

系统主要仿真对象是雷弹发射装置的各个部件。系统软件结构主要有系统平台、数据库模块、知识库模块、虚拟样机建模与维修仿真模块组成,其中数据库模块主要用于存储雷弹发射装置的3D模型及设备的各种技术参数;知识库模块主要用于存放雷弹发射装置的各种故障及操作流程;故障分析与查询模块主要存储设备的各种故障以方便在线实时查询;维修仿真模块主要通过构建虚拟环境使用户能够沉浸到虚拟环境中进行交互式训练;系统集成平台通过对各模块的接口的开发实现各模块之间的集成,并给用户提供界面。

5 关键技术及实现

在系统的研究开发过程中,其最关键的地方就是故障维修训练仿真,这里面包含两个方面的内容,一个是潜艇雷弹发射装置模型的建立,另外一个就是虚拟维修仿真控制。

5.1 维修对象三维模型的建立[3]

三维模型是整个虚拟维修训练系统的基础,该系统所涉及的建模主要是实体造型,为满足仿真实时性和逼真性的需求,要求建立的模型应该具备以下特点:一是具有合适的多边形数目,能够支持实时仿真;二是能够保持装备的基本层次结构关系、装配关系;三是能够实现样机部件的约束运动;四是能够提供人机交互所需的交互信息。本文采用AutoCAD和3ds Max相结合的方式来进行设备的建模。对于有交互操作需要、精度要求高的零件采用AUTOCAD进行建模,建模过程中,可以打开OSNAP进行精确的捕捉与定位,保证实体正确放置和精确对齐。对于精度要求不高、形状相对复杂的零件在 3DMAX中完成建模,在 OSNAP和GRID辅助下,模型的精度足以满足壳体、基座等零件的需求。

5.2 模型的层次规划

在虚拟装备维修中,装备的装配和分解信息模型是监视、约束用户操作规范和决定虚拟环境下装备部件行为的主要准则,因此不仅要确定装备的结构、层次关系和零、部件的约束关系,还要确定其行为的边界。按照传统的方式建立的装备层次关系如图2所示。

图2 部件的层次关系

显然,部件的层次关系便于在装备维修系统中对装备的描述,层次的划分可以采用由外到内或者由大到小的原则。采用树状结构,图2中的节点的数据结构记录零部件的约束关系。定义装备实体集合,部件1子节点,这样就可以建立起各个节点的数据和层次关系。在部件的层次关系的基础上,考虑其零、部件之间的直接定位、连接和运动关系以及由此导出的各种约束关系,形成部件内部的装配关系。

在由3DS转入装配体模型时,EON Studio既保持了原始零部件之间的位置关系不变,同时通过框架节点(Frame)又保持了装配组建在CAD系统中装配体结构树的层次结构信息。图3为系统中部分模型在3DS和EON Studio中的结构图,其良好的继承性为实现训练时自上而下地分解装配体的功能提供了非常良好的基础。

图3 模型在3DS和EON Studio中的结构图

5.3 虚拟维修交互式操作的实现

虚拟维修交互式操作的过程即为在计算机上仿真实现真实维修过程。Eon Studio是美国EON Reality公司开发的一套模块化多用途的三维交互式仿真软件开发工具,它基于最新的PC技术,是在OpenGl图形标准和微软的DirectX多媒体功能的基础上建立起来的。Eon Studio提供了大约200个节点,可以供设计者方便地实现人机交互,同时,设计者可以通过编写脚本文件(Script)的方式来设计部分特殊的功能[4]。

与业内现有的三维建模工具和虚拟现实开发软件相比,Eon Studio在大型几何对象的演算速度、复杂对象同一场景中模拟真实场景的能力、复杂的互动功能、视觉质量、与VR相关硬件的兼容性等多方面功能均是最突出的[5]。所以,本文所研究的潜艇雷弹发射装置虚拟维修训练系统就是采用其5.2版本实现人机交互功能的。

在Eon Studio中,可以在路由视窗(Route View)内对功能节点进行编辑,从而方便地实现各种人机交互行为和三维模型的运动。图4为系统的部分逻辑视窗图。

图4 系统的部分逻辑视窗图

5.4 碰撞检测功能的实现

碰撞检测是虚拟现实技术的核心问题。它是指虚拟场景中的几何体表面在即将或发生碰撞时自动进行报告的一种机制。本系统所研究的碰撞检测主要针对拆卸过程中零部件之间的碰撞,充分利用Eon Studio强大的碰撞检测节点。具体实现过程如图5所示。

图5 Eon Studio中碰撞检测的实现

在Eon Studio中利用Collision节点进行碰撞检测的步骤如下:

1)在虚拟装备原型结构中的Collision-detect-aera节点下面包含一个Collision节点。

2)设置Collision节点的CollisionObjects属性值,把需要进行碰撞检测的零部件(copy as link)到CollisionObjects属性域下面,即在CollisionObjects域中存放与本部件可能发生碰撞的零部件的节点索引。

5.5 数据库的管理

针对鱼雷发射装置如此复杂的系统,其设备库及故障库也非常庞大,需要集中到数据库平台中进行管理。当前主流的数据库平台为Oracle、SQL、ACCESS等。SQL具有丰富的编程接口工具及具有很好的伸缩性和可靠性,因此本系统采用SQL作为数据库开发平台,主要用于存储雷弹发射装置的3D模型及设备的各种技术参数,常见故障及专家的维修指导。

5.6 系统的集成

系统集成模块是整个虚拟维修训练系统的核心,不仅需要实现与各模块之间的接口,同时需要管理大量的数据。本文采用Delphi为系统的集成平台。在Delphi环境下调用Eon的应用程序步骤如下:

1)在EON Studio中创建入事件(InEvent)和出事件(OutEvent)。

2)在EON Studio中建立与InEvent和Out-Event节点的连接,对由于InEvent节点收到的指令或数据进行处理,或将指令和数据从OutEvent节点输出。

3)在 Delphi软件中添加 EonX控件的On-Event消息响应函数OnEventEonX()对EonX中的OutEvent节点进行监听,或利用SendEvent方法将指令或数据发送到InEvent节点。

6 结语

本文从潜艇部队武器系统维修训练需求出发,综合运用先进CAD技术、虚拟现实技术,以潜艇雷弹发射装置为研究对象,详细阐述了虚拟维修训练系统的实现过程。基于虚拟仿真技术的潜艇雷弹发射装置虚拟维修训练系统作为一种崭新的维修样式,提供了通用、优良的维修平台,符合武器装备信息化建设的需要,对探索武器装备维修工作新途径有一定参考作用。同时在其他相关领域也具有广阔的发展前景,值得开展深入细致的研究。

依据本文给出的方法,我们已经建立了初步的潜艇雷弹发射装置虚拟维修训练系统。该方法思路清晰,实现简便,能够较好地实现雷弹发射装置的虚拟维修,并且对开发其他有关系统具有参考价值。

[1]洪津,张万军,谢庆华.虚拟维修训练系统发展综述及其关键技术探讨[J].解放军理工大学学报,2000(1):65～59

[2]张波,徐英,张柳.美军军事训练资源需求研究[J].军事天地,2007,26(2)

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[5]赵经成.虚拟仿真训练系统设计与实践[M].北京:国防工业出版社,2008,5

[6]Reiginier P,Harrouet F,Morvan S.AreVi:A Virtual Reality Multiagent Platform[C]∥Proceedings of First International ConferenceOn Virtual World.Spring Verlag Berlin,Paris,France,1998:229～240

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[8]Li J R,Khoo P,Tor B.Desktop Virtual Reality for Maintenance Training.An Object Oriented Prototype System(V-REALISM)[J].Computer in Industry,2003(52):109～125