车身修复VR 虚拟实训系统平台开发

曾 鑫

（武汉软件工程职业学院， 湖北 武汉 430205）

0 引言

汽车车身维修技术课程是高等职业教育汽车维修类专业和汽车保险类专业学习的一门专业核心课程。 通过学习，使学生掌握汽车车身构造、拆装与调整能力；熟悉汽车车身修复的各项工艺方法； 能正确合理运用工具设备，具备汽车车身钣金、喷涂修复基本技能。 本课程的教学由于对设备、场地、教师实践技能要求高，同时所需耗材成本特别高， 因此许多职业院校该课程的教学质量和教学效果均不是很好。

本文通过运用VR 虚拟现实技术，开发车身修复VR虚拟实训系统平台，有效解决设备价值高、耗材成本高、实训场地大、教师技能要求高、安全操作风险大等教学难题，同时有效提高学生学习积极性。

1 研究内容

车身修复VR 虚拟实训系统平台以车身修复（钣金）专业特定的专业教师、教学设计、工作场景、工作岗位打造三维可视化虚拟实训课堂。 围绕车身修复（钣金）专业中各岗位典型工作任务，打造车身修复领域完整工艺流程，实现车身修复（钣金）工作流程和项目流程的全沉浸式虚拟实训。

2 硬件开发

2.1 控制机柜

控制机柜柜体符合人体工程学， 外观接近汽车车身外形修复机原形， 使学习者在实际操作时能快速上手操作，约（50×70×145）cm，采用1.5～2mm 冷轧钢板打造，内嵌22 寸高清工业级触摸屏，箱体侧边设计有挂架，方便模拟器取放，如图1 所示。 机柜的控制旋钮采用真实的外形修复设备按钮，能有效实现电流、速度、时间三种调节操作。

车身修复VR 虚拟实训系统平台针对车身修复中常用的设备，设计出三种体感模拟器，分别是二氧化碳气体保护焊枪模拟器、 修复机枪把模拟器和双面电阻点焊C型焊枪模拟器。 体感模拟器与真实焊枪和修复机枪外观近乎一致，且重量相近，增强操作真实感。

图1 车身修复VR 虚拟实训系统平台控制机柜Fig.1 Vehicle body repair vr virtual training system platform control cabinet

2.2 模拟器控制系统硬件

模拟器的控制系统主要包括五通道模拟器控制卡、数据采集模块和上位机。

五通道模拟器控制卡主要实现控制焊枪模拟器、上位机、 控制旋钮之间数据交换，为保证后期的功能拓展，能支持5 把或以上不同体感模拟器使用。

数据采集模块共有48 高精度传感器， 精度12 BIT；静态精度0.02 度；动态精度0.2 度。 刷新率90 Hz；计算机接口：WIFI/USB3.0；可以准确判断复杂的手势，包括搓捻动作，对掌，屈伸；实时捕捉人手的运动，并同步驱动3D 动画人手的运动； 也可以摸拟像鼠标对应用中的物体选取、移动、旋转等操作；还可以模拟把人的姿态准确实时地传递给虚拟环境，而且能够把与虚拟物体的接触信息反馈给操作者。使操作者以更加直接，更加自然，更加有效的方式与虚拟世界进行交互，大大增强了互动性和沉浸感。

为增强现实体验感， 焊枪模拟器与上位机必须有线连接，控制线缆材质长度2.5～3m 范围，外表防水耐磨材质；焊枪模拟器的材质、外形及配重必须与现实生产中的焊枪一致。

2.3 虚拟现实系统硬件

虚拟现实系统的CPU 采用ARM Cortex-M0 处理器；配备USB HUB 控制器、SOC、睡眠模块、正交编码器、中矩器、降压转换器、模拟比较器、UART、SSI、通用定时器、I2S、I2C、CCP、高精度振荡器、轴陀螺仪和加速度仪等外设。

为有效保证多媒体（音视频）资源的真实效果，声卡采用WM5102 音频编码器， 具备5.1 环绕立体声输出（3.5mm 插 座）、1x3.5 mm MIC/LineIn 输 入、S/PDIF 5.1 Channel 数字音频接口。

显示器采用2 160*1 200 AMOLED； 视频采用HDMI 1 080 p 高清数字视频输出；标准VGA 输出，支持液晶显示器显示；TV-OUT 输出接口；具备摄像头接口。

可以适用C++，C#，JAVA 程序开发， 适合大多数3D虚拟现实软件或者开发平台，例如UNITY3D，VIRTOOLS，MULTIGEN VEGA，WTK，OSG，VRPN 等。

3 软件开发

3.1 系统软件

车身修复VR 虚拟实训系统平台的系统软件开发包含系统平台代码编写、软件界面设计、真实场景和实际操作拍摄、实际数据采集、3D 建模制作、虚拟课堂场景开发等内容。

虚拟课堂依据实际工作岗位设置安全防护操作、工具设备使用、二氧化碳气体保护焊、电阻点焊、外形修复机使用、车身板件更换、汽车门板修复、车身测量与校正、虚拟赛场等模块，将控制器的射线，射向”进入模块”下方的三角箭头，确保三角箭头呈高亮状态，通过模拟器的扳机键确认，可以进入到所选择的模块，如图2 所示。

3.2 AR 代码编写

车身修复VR 虚拟实训系统平台的开发代码编写中，基于实际岗位操作标准，从实践操作中获取大量经验数据，设置了一系列的数据标准基点，使得软件准确判断学习者的操作，实时反馈接触信息， 有效实现交互性。下面是截取的针对对象池的容量、对象池对象过期秒数、对象池优先级的代码设计开发。

图2 车身修复VR 虚拟实训系统模块选择Fig.2 Module selection of vr virtual training system for body repair

3.3 虚拟课堂

虚拟课堂的开发依据专业教师、 教学设计、 工作场景、 工作岗位及工具设备， 以真实专业环境1：1 三维建模，与现实中保持一致。

工具设备选用实际车身修复工作过程中所需工具设备，运用VR 技术在虚拟课堂中实现“老师”现场讲解及演示工具使用方法， 实现学习者通过虚拟课堂实现选择和使用设备、安全防护操作、劳保穿戴等，通过字幕、声音、3D 动画实现真实性、趣味性和互动效果。

图3 车身修复VR 虚拟课堂工具选用Fig.3 Selection of vr virtual classroom tools for body repair

针对具体的不同操作工艺学习， 以三维虚拟老师讲解知识点、 现场演练达到教学效果。 内置真实的操作流程，引导学习者规范操作流程。

在练习模式中， 学生通过调节虚拟场景中设备和器材参数，选用不同工具、材料、设备，通过调节旋钮调节到正确的电流、速度和时间，实现技能虚拟实训练习。 通过此练习，能迅速学习会设备工具的使用，工艺流程的实践操作。

虚拟课堂的设计中包含操作、设备参数设置错误报警指导和评分， 内置大量的实际操作数据进行对比分析评价。评测反馈系统实时记录学员操作信息，测评效果真实。

3.4 系统要求

本系统为学习者带来全沉浸式感受体验， 提供关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者感受到身历其境的体验， 同时能够自由的与该空间内的事物进行互动。 整个系统要求运行流畅、无卡顿效果，系统运行最低帧率数不得大于75 帧/秒。 系统中的移动、旋转必需与现实动作实时快速准确同步， 操作同步延时响应不得多于30 ms，移动位移精度不得大于2 mm。

4 结束语

学生利用专业虚拟现实设备， 能在仿真的虚拟环境里扮演和体验不同的岗位角色， 实现真实岗位的模拟轮训，完成实训任务的过程中学习专业的相关知识和技能，构建学生的知识体系与技能体系。 系统建设基于多元化理论的交互式教学平台建设的基本思路和实现模式。 从课程资源、自主学习、仿真实训、考试系统、国赛模式等方向由浅入深，方便教师教学，有利于提高学生的认知及实践能力。