坦克炮虚拟维修系统研究

邢宏光，王国辉，周世海

(装甲兵工程学院兵器工程系，北京100072)

【武器装备理论与技术】

坦克炮虚拟维修系统研究

邢宏光，王国辉，周世海

(装甲兵工程学院兵器工程系，北京100072)

基于从维修训练的手段和方法上进行创新，开发满足新装备训练需求，探索研究符合基层部队实际的训练设备和手段;基于虚拟现实技术的虚拟维修训练为基层部队提供了一种费效比较好的武器装备维修训练手段，它能提高基层部队对武器装备的自主维修训练能力，促进基层部队维修保障能力的快速形成;实现了装备结构教学和维修训练的桌面式虚拟训练，为部队和院校坦克炮的维修训练、教学提供了软件支撑。

装甲车辆;虚拟维修

当前装备呈现出功能综合、技术先进结构复杂、价格昂贵、更新换代快等特点，对维修人员训练提出了更高的要求。然而，长期以来，传统的训练一般是利用维护说明书、多媒体、录像和教材等资源，结合实装训练开展。这种维修训练方式存在消耗大、开展时机滞后、对故障检测维修训练的关键内容训练少等缺陷。虚拟现实技术的发展彻底改变了上述局面，在虚拟样机上仿真维修过程的思想己经被广泛认同［1］。

虚拟维修即采用仿真的手段在计算机生成的虚拟环境中对维修过程进行计算机模拟，维修操作的对象是计算机中的虚拟对象，操作人员则是真实维修人员，从而实现人对装备进行维修过程的可视化模拟。应用虚拟维修技术对维修任务进行可行性分析，分析维修过程中存在的问题可以对维修人员进行模拟维修作业训练［2］。

本论文研究的意义主要有以下几点:研究成果将实现虚拟现实技术在装甲车辆武器系统维修中的应用，对现在部队新装备维修技术的发展起到积极的作用;可以在虚拟维修实验室里进行维修训练的“实践战”，有效提高培训人员的环境适应能力;具有很高的训练质量和训练“效费比”;虚拟训练作业真实可靠，最高限度的给受训者提供训练平台。

(1)国外研究现状。美国应用虚拟维修技术建立了相应的虚拟维修系统，维修人员一次性地成功实施了维修任务。虚拟维修技术在美军LMTAS系统中得到了大量的应用。日本主要致力于建立大规模VR知识库的研究。另外在虚拟现实的游戏方面的研究也做了很多工作［3－4］。

(2)国内研究现状。我国的VR技术研究与这些发达国家相比，还有一定的差距，但在紧跟国际新技术的同时，国内一些重点院校，也积极投入到这一领域的研究工作。北京航空航天大学开发的分布式虚拟世界基础信息平台DVENET的技术水平己接近美国的STOW;中国科技开发院威海分院主要研究虚拟现实中视觉接口技术。

装甲兵工程学院设计的某型炮射导弹虚拟检测维修训练系统，不仅能进行虚拟装备的故障检测和维修训练，还具有误操作警示、故障设置、故障识别、可视化原理教学、资料查询功能。石家庄军械工程学院在虚拟维修中人体运动控制分类研究，拆卸序列的选择等方面取得了一定的成果。郝建平等开发的基于虚拟维修仿真的维修性分析系统，采用交互式和沉浸式两种方式实现维修过程仿真，并提出了较为完整的虚拟维修系统方案［5－6］。

1 虚拟维修训练系统总体方案设计

坦克炮虚拟训练系统主要由结构与组成模块、人机交互模块两大部分组成，其中结构与组成模块主要用于存储火力系统组成及技术参数;人机交互模块用于实现对各部件进行自动和手动拆装训练，使受训人员实现在虚拟环境中的维修训练，系统集成平台通过对各模块的接口的开发实现各个模块之间的集成，并给用户提供使用界面，如图1所示。

图1 系统集成简图

2 虚拟维修训练系统人机交互模块的构建

2.1 虚拟维修训练系统开发

虚拟维修训练系统，其主要功能是对操作者进行维修培训，使操作者从中学习到维修知识，增长维修经验。实现对维修人员培训的重点是以下几个方面:培训坦克炮的结构组成，以及坦克炮拆卸安装的正确顺序和工作原理;在熟悉结构的基础上学会正确使用坦克炮;操作者可以对坦克炮进行维修操作，例如故障排除等练习。

2.2 虚拟维修训练模型开发方法与过程

2.2.1 建立坦克炮系统模型

利用Solidworks软件建立坦克炮零部件、工作台以及维修工具的三维模型，为虚拟环境的构建提供素材。装配好的坦克炮系统模型如图2所示。

图2 坦克炮系统模型

2.2.2 构建虚拟维修训练环境

一个良好的操作界面能够促进使用者的快速掌握，同时大大缩短与计算机之间的距离，使得系统易学、易理解，方便使用，进而提高工作效率。

对于虚拟维修训练环境，其主导思想是与现实中的维修环境尽可能的相似，在构建虚拟维修训练环境开始，建立一个内含各种维修工具的维修教室。如图3所示。

图3 构建的虚拟环境

2.2.3 导入三维模型

将利用Solidworks软件建立的坦克炮三维模型导入到虚拟现实软件EON中。

2.2.4 插入结点

(1)为了在软件中实现各部件按照实际的拆装路径将其从火炮上拆下，然后放置到指定的位置，需要设置部件的运动路径。部件的运动路径在3D MAX中进行制作，导入的EON Studio中会自动生成一个路径节点。如图4所示。

图4 EON环境中路径节点的生成

双击生成的路径节点，对其属性框就可进行各种设置。

(2)选择sensor nodes，拖动一个开关节点clicksensor至“摇架”节点下。

(3)为了让操作者更直观更快的掌握每个部件的名称，拖动一个ToolTip节点至“摇架”节点下，实现当鼠标移动到该节点的时候，便显示该节点的名称。双击该节点设定该节点的属性。

(4)按照以上方法在每个可拆装的零件下设置路径节点，并对照相应的零件将其命名，和一个ToolTip节点同时按要求的位置设定其属性。然后拖动一个clicksensor节点至该节点下。

同上，依次建立虚拟环境各个节点。

2.2.5 连接逻辑关系

(1)为了使上述调用的节点在其父系节点下发挥作用，并且连贯的配合起来需要对其属性有选择的进行链接。

(2)连接好之后如下图的逻辑关系图。如图5所示。

图5 连接逻辑关系

(3)设置完逻辑关系后，运行模拟程式。

通过上述过程的设置便可以实现对坦克炮各个部件的有序拆装，在操作的同时便熟练的掌握了该部件的结构组成，同时清楚该部件的拆装的顺序。

2.3 虚拟环境下交互功能的实现

2.3.1 自动拆卸模块

在自动演示模块中，维修人员可以学习和深入了解坦克炮各部件的相互运动关系和拆装顺序。

(1)为了让操作更直观更快完成，拖动2个AlertMsgBox节点、一个TimeSensor节点至Frame节点下，将其命名为开始拆卸提示和拆卸完成，双击AlertMsgBox节点进行设置。

(2)为了实现对各部件的拆卸，需要调用软件中的Fram、Textbook、KeyFrame节点，并根据相应的要求设定每个节点的属性。

(3)拖动AlertMsgBox、TimeSensor及各个KeyFrame节点至逻辑关系设定框。然后进行相应的连接。

(4)设置完逻辑关系后，运行一下模拟程式。如图6所示。

2.3.2 自动安装模块

按照同样的方法，只需将逻辑连接关系中的路径节点按照相反顺序进行连接，就可以完成对坦克炮自动安装模块的创建。设置完逻辑关系后，运行一下模拟程式。

通过上述过程的设置便可以实现对坦克炮各个部件的有序自动安装，即完成了对自动安装模块的创建，在维修人员学习的同时便熟练地掌握了该部件的结构组成，同时清楚该部件的安装的顺序。

本节描述了实现坦克炮虚拟维修训练系统主要功能的创建过程，并且重点描述了坦克炮的引导训练模块、自动拆卸演示模块、自动安装演示模块的创建。通过对模块的学习使维修者能够快速了解坦克炮的结构组成，拆卸安装操作过程。

图6 模拟效果

3 结束语

本论文通过实例介绍了构建适合装备维修训练使用的虚拟维修训练系统的方法。根据实装训练情况和训练人员特点等方面，完成了适用于虚拟维修训练系统的框架搭建。利用虚拟现实技术构建了接近现实环境的训练场景，使训练人员的可视化程度更强，具有训练内容视觉化等特点。

研究成果实现了装备结构教学和维修训练的桌面式虚拟训练，为部队和院校坦克炮的维修训练、教学提供了必要的软件支撑。

［1］王岚，刘怡，梁忠先.虚拟现实Eon Studio应用教程［M］.天津:南开大学出版社，2007.

［2］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.

［3］王文举，李光耀.虚拟维修仿真技术的研究与进展［J］.系统仿真学报，2011(9):1751－1757.

［4］杜霄鹏，李星新，李想.虚拟维修训练通用平台与EON接口实现［J］.计算机与数字工程，2011(7):200－202.

［5］王国辉，邓威，李向荣，等.基于虚拟现实的自动装弹机虚拟维修训练系统［J］.火炮发射与控制学报，2011(9): 27－30.

［6］李星新，郝建平，叶飞，等.虚拟维修训练的基本问题与技术体系研究［J］.微计算机信息，2010(26):30－32.

［7］田冕，马龙，张王卫.虚拟维修环境下的线绳布线算法［J］.重庆理工大学学报:自然科学版，2013(6):100－105.

(责任编辑周江川)

Virtual Maintenance System for Certain Type of Tank Gun

XING Hong－guang，WANG Guo－hui，ZHOU Shi－hai
(Department of Arms Engineering，Academy of Armored Force Engineering，Beijing 100072，China)

On the basis of the innovation ofmaintenance training means and method，this paper studied the training equipment andmeans that couldmeet the needs of new equipment training and accord with the basic unit army’s reality.The virtualmaintenance training system based on virtual reality technology offered a kind ofweapon and equipment’smaintenance trainingmeans to basic unit army which had better cost－effectiveness ratio.It could improve the independentmaintenance training ability to weapon and equipment in the basic unit army.It could also promotemaintenance support ability of the basic unit army to form quickly.The paper realizes desktop virtual system ofmaintenance training and the teaching of equipment structure，which offers the software support tomaintenance training and teaching of tank gun in both the army and colleges.

armored vehicles;virtualmaintenance

:A

1006－0707(2014)07－0001－03

format:XING Hong－guang，WANG Guo－hui，ZHOU Shi－hai.Virtual Maintenance System for Certain Type of Tank Gun［J］.Journal of Sichuan Ordnance，2014(7):1－3.

本文引用格式:邢宏光，王国辉，周世海.坦克炮虚拟维修系统研究［J］.四川兵工学报，2014(7):1－3.

10.11809/scbgxb2014.07.001

2014－03－12

邢宏光(1976—)，男，硕士，主要从事火炮与自动武器研究。

TJ012.3