坦克构造与设计的视景仿真虚拟实验教学研究

姚寿文，陈 岩

（1.北京理工大学车辆传动重点实验室，北京 100081；2.北京理工大学机械与车辆学院，北京 100081）

实验是高校教学活动中一个必不可少的环节，尤其是对于工科学生，实验教学环节更是至关重要［1－4］。北京理工大学军用车辆工程专业隶属武器类专业，主要教学和科研方向为军用车辆设计和制造，为我国国防事业和兵器工业提供了大量的人才。该专业的实践教学受经费、场地及实验条件的限制，很多实车实验和实物拆装教学以及试车驾驶等都无法进行。此外，坦克动力特性实验、悬架性能实验、运动阻力通过性实验等实践类课程［5］占有教学课程的很大比重。这些实验的特点是实车试验费用高、车辆和场地维护保养繁琐，大多数实验只能是演示性的、学生无法亲自进行的实验。这样就会导致教学的交互性差，学生缺乏实际的动手能力［6－7］。

将视景仿真技术应用到实际的教学环节，利用计算机辅助设计、虚拟样机技术、虚拟装配技术，构建三维视景仿真平台教学实验系统，借助虚拟漫游和人机交互手段，进行坦克虚拟实验、虚拟拆装、战场仿真等内容的教学，可有效地提高学生的学习积极性，提升学生的专业知识水平，增强学生的自主创新能力和动手能力［8－12］。

1 视景仿真教学系统组成

根据功能的需求和分析，视景仿真教学系统选取了性能优秀、技术先进的硬件，搭建了集成化的两通道视景仿真平台。该平台主要由计算机软硬件子系统、投影子系统、中央控制子系统、交互子系统等几个主要部分组成，如图1所示。

图1 视景仿真平台教学系统硬件组成图

该系统应用了先进的视景仿真技术，如高性能图形处理和显示、高亮度投影、显示屏幕边缘融合、色彩校正、光谱立体技术、集中式数据、触感式音频及光照控制、高保真度的多通道音频和视频回放等，具有一些显著特点。

（1）计算机子系统具备强大的图形处理、数据交换及计算能力。系统采用了PC－Cluster架构（如图2所示），使系统更具扩展性、易用性和较好的维护性。该架构能多通道渲染、多通道投影，解决了大场景、大模型在单一计算机上无法渲染、渲染过慢和显示细节粗糙等问题。

图2 PC－Cluster架构示意图

（2）采用了平板背投两通道投影系统，实现了车辆1∶1的立体显示，具备多细节特征展示、高分辨率等特征，具备16位精度的几何误差校正，通过投影机内部亮度传感器和控制电路，保证2台投影机间的亮度均匀一致，利用DynaColor技术保证了整个系统所有通道颜色空间的统一。

（3）利用先进的中控系统，实现了投影机、计算机、音频、灯光、视频及机电设备等系统整合于一体。同时，该中控系统也集成了虚拟外设，并可实现桌面式VR 与沉浸式VR 的快速切换。

（4）实现人机交互功能所需的虚拟外设齐全，能够满足位置跟踪、漫游、立体图像观看和产品虚拟装配操作等功能。主要由跟踪定位装置、立体眼镜、数据手套及多通道音响系统等设备构成。

（5）本系统采用先进的光谱立体技术（INFITEC），通过采用高质量的光波段过滤技术产生分离的左右眼图像，从而实现立体显示，具有适合多种类型的屏幕、不需要发射器及左右眼图像不闪烁的优点。此外，INFITEC 眼镜很好地解决了同时观看立体图像与LCD 屏幕二维图像时人眼不适应的问题。

本文将视景仿真实验室的硬件设施与传统的教室教学结合起来，并对Virtools、Vortex等三维软件进行开发，构建了三维虚拟实验室漫游与在线交互学习系统，如图3所示。

2 视景仿真实验教学系统特点

北京理工大学视景仿真实验教学系统的建立和应用，初步形成了具有鲜明专业特色和学科特点的教学体系、实验教学方法、实验教学队伍和实验室管理模式。作为创新试验基地，虚拟教学实验室的特色体现在以下几个方面。

（1）服务专业与服务全校相结合。视景仿真实验室相关的教学和科研活动，大多属于车辆工程与计算机虚拟现实技术的交叉学科范畴。为充分利用开放实验室资源，在专业教学课程的基础上，面向全校开设了2门实验选修课。它一方面作为“坦克学”课程的补充和完善，另一方面也可以增强专业影响力，作为北京理工大学特色专业的一个对外窗口。

图3 视景仿真平台与在线教学的融合

（2）工程实践思维的培养。视景仿真实验室的相关实验教学设置，非常注重培养学生对特定工程问题进行分析、调研、讨论、操作、解决的能力，将对研究生教育的方法提早让本科生接触，为学生尽早融入科研队伍、熟悉创新性研究基本流程和团队氛围、树立工程实践思维打下基础。

（3）创新教学、科研融为一体的创新实践队伍的建设。视景仿真实验室在对学生进行实验课授课以外，欢迎有潜质进一步开发相关创新实验项目，对项目有基础、有兴趣的学生加入项目组，让他们提前参与正式科研项目或自拟有发展前景的实验项目。这样，一方面促进了创新实践与科研、工程的紧密结合，另一方面也为原有科研队伍提供了新生力量，增加了项目组的活力和创新性。

3 视景仿真实验教学系统的应用

视景仿真实验教学系统依托北京理工大学车辆传动实验室视景仿真平台，可对坦克、装甲车辆进行视景仿真模拟，主要进行坦克实车虚拟拆装、加速性等动力学实验、通过性等机动性实验以及虚拟驾驶的虚拟教学实验，可辅助教师完成“坦克设计”、“坦克构造”等课程教学任务。

3.1 坦克虚拟拆装

通过Pro／E 等三维建模软件并结合3ds MAX、Virtools等三维渲染动画软件，在视景仿真平台中建立沉浸式的虚拟装配环境，以沉浸式三维交互操作进行坦克整车及零部件的虚拟拆装（见图4）。在教学过程中，教师能够以多角度、多视图、三维立体的形式讲解坦克的构造，以直观的三维立体效果展示整车系统的工作原理。通过虚拟的拆装演示及交互操作，既可让学生深入掌握车辆内部结构和装配情况，又能让课程直观化、逼真化，同时提高了教学效果和学生的理解效果。

图4 虚拟环境下坦克拆装模型

3.2 坦克动力学实验

车辆动力性能的主要评价指标为车辆的最高车速、加速性能和爬坡性能。在视景仿真虚拟教学实验系统中，应用Vortex软件建立坦克车辆的三维模型，并进行动力学仿真（见图5）。结合视景仿真系统的三维直观显示以及键盘等外设的交互操作，可使学生直观、充分地了解坦克的动力学性能。

3.3 坦克机动性实验

坦克机动性分为战役机动性和战术机动性：战役机动性是指装甲集团军的机动性；而战术机动性以坦克的加速性能、转向性能和通过性能等为主。本教学实验基于虚拟环境建立车体、履带模型以及实验用路面模型，并选择合适的实验车速进行机动性仿真实验，从而得到反映坦克机动性的实验数据，最终在视景仿真系统中读取这些数据，完成通过性虚拟实验（见图6）。

图5 坦克行驶动力学实验显示

图6 坦克通过性虚拟实验视景仿真

3.4 装甲车辆的虚拟驾驶

军用车辆工程专业课程设置中包括坦克、装甲车辆的驾驶实习，视景仿真系统中的虚拟驾驶主要利用三维动画制作软件Virtools［13－14］对坦克、装甲车辆虚拟模型进行编程（见图7）和键盘式交互操作完成。

图7 装甲车辆交互式操作部分脚本程序

4 结束语

将视景仿真技术和虚拟实验运用于课堂教学之中，是将实验教学与课堂理论教学有机结合的一种新的教学尝试。将虚拟教学的实时性、便捷性与视景仿真的交互性和沉浸性相融合，满足了传统的专业实验教学改革和创新的需要。通过视景仿真实验教学系统的创新实验项目，加深了学生对坦克、装甲车辆构造与设计等课程和虚拟现实技术基础理论的理解，同时在实验课进行的过程中，穿插集中介绍实验中必需的基本原理和坦克设计的基本思想，从而使实践教学和理论教学有机融合，可有效地锻炼学生解决工程问题的实践能力和创新思维能力。

（

）

［1］郭桂苹，南岳松.虚拟实验教学研究现状及问题分析［J］.实验室科学，2010，13（5）：175－178.

［2］黄鑫.基于VR 技术的虚拟教学应用研究［J］.江西教育学院学报，2008，29（3）：50－52.

［3］孙燕莲，文福安.虚拟实验教学的探索和实践［J］.现代教育技术，2009，19（4）：131－132.

［4］刘楚芸，陈国栋，杨金泉，等.虚拟教学系统的研究与实践［J］.实验技术与管理，2005，22（1）：25－27.

［5］闫清东，张连第，赵毓芹，等.坦克构造与设计［M］.北京：北京理工大学出版社，2006.

［6］彭晓军，史美萍，贺汉根.虚拟环境中装甲车辆运动仿真的研究［J］.计算机仿真，2004，21（2）：28－31.

［7］王涛，李宏才，闫清东.车辆综合传动装置虚拟装配研究［J］.车辆与动力技术，2009（4）：16－19.

［8］魏巍，闫清东，王涛.全虚拟设计评价体系在坦克设计中的应用探讨［J］.系统仿真学报，2008，20（9）：88－92.

［9］江发潮，曹正清，迟瑞娟.车辆传动系虚拟实验系统的研究［J］.农业机械学报，2003，34（1）：14－17.

［10］周云波，李宏才，闫清东.坦克机动性虚拟实验研究［J］.战术导弹技术，2006，9（5）：83－86.

［11］魏巍，陶文锦，闫清东.基于视景仿真技术的虚拟实验室教学信息平台系统［J］.实验技术与管理，2010，27（3）：78－81.

［12］李慎龙，姚寿文，闫清东.车辆传动系统虚拟样机集成设计平台研究［J］.计算机集成制造系统，2009，15（2）：245－249.

［13］刘明昆.三维游戏设计师宝典：Virtools开发工具篇［M］.四川：四川电子音像出版中心，2005.

［14］徐英欣，王丹东，胥林.Virtools虚拟装配制作实例［M］.北京：电脑报电脑音像出版社，2009.