武器裝備虛擬維修訓練系統的設計研究*

亓永峰 馬 亮

(海軍潛艇學院 青島 266071)

1 引言

目前,武器裝備的訓練普遍采用實物、實兵、實地訓練,日常訓練成本高、危險性大、訓練效率與訓練效果有待提高。迫切需要現代化的維修和訓練手段來解決目前存在的一些問題,促進裝備管理、訓練和使用水平的不斷提高。虛擬現實技術的出現與逐漸成熟,為上述問題的解決帶來了新的契機,維修人員可以在虛擬環境中進行裝備的拆卸仿真和模擬維修訓練[1]。這種方法安全、經濟、可控、可重復、無風險,不受氣候條件和場地空間的限制,其訓練的高效率、高效益等獨特優勢,受到各國軍方的高度重視。

本文以潛艇雷彈發射裝置為例,在充分利用先進CAD技術,虛擬現實技術的基礎上,設計了潛艇雷彈發射裝置虛擬維修訓練系統。該系統不僅具有很好的訓練效果,同時也能為海軍裝備維修訓練的現代化提供一定的參考。

2 系統需求分析[2]

潛艇雷彈發射裝置虛擬維修訓練系統是一個采用計算機仿真技術,依托裝備的CAD數據和現代維修理論,包括仿真裝備、維修人員、維修工具、維修過程信息的綜合系統。系統要求能夠針對雷彈發射裝置的維修過程進行訓練,在一般的臺式PC上實現,信息以圖像、文字及多媒體的形式傳達給接受訓練人員,通過鼠標、鍵盤與接受訓練人員實現交互。系統的核心作用是使接受訓練人員迅速熟悉維修對象的結構組成、工作原理,熟悉常見故障的維修方法。

系統的總體需求為兩個方面:

1)系統能夠在導入維修對象和維修任務后生成相應的訓練系統。

2)系統可以為接受維修訓練的人員提供認知維修對象和任務的平臺,使人員能夠獲取維修對象和維修任務操作相關的知識。

3 功能分析

基于上文對維修訓練系統的需求分析,構建系統的框架如圖1所示。

圖1 維修訓練系統總體功能建模圖

根據潛艇雷彈發射裝置虛擬維修訓練系統功能的需要及實際應用的需求,該系統應具備以下功能:

1)接受訓練人員通過裝備結構樹的提示對裝備進行靜態的操作和分析,熟悉設備的結構組成和工作原理;

2)通過對設備故障知識庫的學習,了解并熟悉設備的常見故障及維修方法;

3)通過在虛擬環境中的虛擬維修訓練,熟悉潛艇雷彈發射裝置的維修訓練的操作規程。

4 系統軟件結構

系統主要仿真對象是雷彈發射裝置的各個部件。系統軟件結構主要有系統平臺、數據庫模塊、知識庫模塊、虛擬樣機建模與維修仿真模塊組成,其中數據庫模塊主要用于存儲雷彈發射裝置的3D模型及設備的各種技術參數;知識庫模塊主要用于存放雷彈發射裝置的各種故障及操作流程;故障分析與查詢模塊主要存儲設備的各種故障以方便在線實時查詢;維修仿真模塊主要通過構建虛擬環境使用戶能夠沉浸到虛擬環境中進行交互式訓練;系統集成平臺通過對各模塊的接口的開發實現各模塊之間的集成,并給用戶提供界面。

5 關鍵技術及實現

在系統的研究開發過程中,其最關鍵的地方就是故障維修訓練仿真,這里面包含兩個方面的內容,一個是潛艇雷彈發射裝置模型的建立,另外一個就是虛擬維修仿真控制。

5.1 維修對象三維模型的建立[3]

三維模型是整個虛擬維修訓練系統的基礎,該系統所涉及的建模主要是實體造型,為滿足仿真實時性和逼真性的需求,要求建立的模型應該具備以下特點:一是具有合適的多邊形數目,能夠支持實時仿真;二是能夠保持裝備的基本層次結構關系、裝配關系;三是能夠實現樣機部件的約束運動;四是能夠提供人機交互所需的交互信息。本文采用AutoCAD和3ds Max相結合的方式來進行設備的建模。對于有交互操作需要、精度要求高的零件采用AUTOCAD進行建模,建模過程中,可以打開OSNAP進行精確的捕捉與定位,保證實體正確放置和精確對齊。對于精度要求不高、形狀相對復雜的零件在 3DMAX中完成建模,在 OSNAP和GRID輔助下,模型的精度足以滿足殼體、基座等零件的需求。

5.2 模型的層次規劃

在虛擬裝備維修中,裝備的裝配和分解信息模型是監視、約束用戶操作規范和決定虛擬環境下裝備部件行為的主要準則,因此不僅要確定裝備的結構、層次關系和零、部件的約束關系,還要確定其行為的邊界。按照傳統的方式建立的裝備層次關系如圖2所示。

圖2 部件的層次關系

顯然,部件的層次關系便于在裝備維修系統中對裝備的描述,層次的劃分可以采用由外到內或者由大到小的原則。采用樹狀結構,圖2中的節點的數據結構記錄零部件的約束關系。定義裝備實體集合,部件1子節點,這樣就可以建立起各個節點的數據和層次關系。在部件的層次關系的基礎上,考慮其零、部件之間的直接定位、連接和運動關系以及由此導出的各種約束關系,形成部件內部的裝配關系。

在由3DS轉入裝配體模型時,EON Studio既保持了原始零部件之間的位置關系不變,同時通過框架節點(Frame)又保持了裝配組建在CAD系統中裝配體結構樹的層次結構信息。圖3為系統中部分模型在3DS和EON Studio中的結構圖,其良好的繼承性為實現訓練時自上而下地分解裝配體的功能提供了非常良好的基礎。

圖3 模型在3DS和EON Studio中的結構圖

5.3 虛擬維修交互式操作的實現

虛擬維修交互式操作的過程即為在計算機上仿真實現真實維修過程。Eon Studio是美國EON Reality公司開發的一套模塊化多用途的三維交互式仿真軟件開發工具,它基于最新的PC技術,是在OpenGl圖形標準和微軟的DirectX多媒體功能的基礎上建立起來的。Eon Studio提供了大約200個節點,可以供設計者方便地實現人機交互,同時,設計者可以通過編寫腳本文件(Script)的方式來設計部分特殊的功能[4]。

與業內現有的三維建模工具和虛擬現實開發軟件相比,Eon Studio在大型幾何對象的演算速度、復雜對象同一場景中模擬真實場景的能力、復雜的互動功能、視覺質量、與VR相關硬件的兼容性等多方面功能均是最突出的[5]。所以,本文所研究的潛艇雷彈發射裝置虛擬維修訓練系統就是采用其5.2版本實現人機交互功能的。

在Eon Studio中,可以在路由視窗(Route View)內對功能節點進行編輯,從而方便地實現各種人機交互行為和三維模型的運動。圖4為系統的部分邏輯視窗圖。

圖4 系統的部分邏輯視窗圖

5.4 碰撞檢測功能的實現

碰撞檢測是虛擬現實技術的核心問題。它是指虛擬場景中的幾何體表面在即將或發生碰撞時自動進行報告的一種機制。本系統所研究的碰撞檢測主要針對拆卸過程中零部件之間的碰撞,充分利用Eon Studio強大的碰撞檢測節點。具體實現過程如圖5所示。

圖5 Eon Studio中碰撞檢測的實現

在Eon Studio中利用Collision節點進行碰撞檢測的步驟如下:

1)在虛擬裝備原型結構中的Collision-detect-aera節點下面包含一個Collision節點。

2)設置Collision節點的CollisionObjects屬性值,把需要進行碰撞檢測的零部件(copy as link)到CollisionObjects屬性域下面,即在CollisionObjects域中存放與本部件可能發生碰撞的零部件的節點索引。

5.5 數據庫的管理

針對魚雷發射裝置如此復雜的系統,其設備庫及故障庫也非常龐大,需要集中到數據庫平臺中進行管理。當前主流的數據庫平臺為Oracle、SQL、ACCESS等。SQL具有豐富的編程接口工具及具有很好的伸縮性和可靠性,因此本系統采用SQL作為數據庫開發平臺,主要用于存儲雷彈發射裝置的3D模型及設備的各種技術參數,常見故障及專家的維修指導。

5.6 系統的集成

系統集成模塊是整個虛擬維修訓練系統的核心,不僅需要實現與各模塊之間的接口,同時需要管理大量的數據。本文采用Delphi為系統的集成平臺。在Delphi環境下調用Eon的應用程序步驟如下:

1)在EON Studio中創建入事件(InEvent)和出事件(OutEvent)。

2)在EON Studio中建立與InEvent和Out-Event節點的連接,對由于InEvent節點收到的指令或數據進行處理,或將指令和數據從OutEvent節點輸出。

3)在 Delphi軟件中添加 EonX控件的On-Event消息響應函數OnEventEonX()對EonX中的OutEvent節點進行監聽,或利用SendEvent方法將指令或數據發送到InEvent節點。

6 結語

本文從潛艇部隊武器系統維修訓練需求出發,綜合運用先進CAD技術、虛擬現實技術,以潛艇雷彈發射裝置為研究對象,詳細闡述了虛擬維修訓練系統的實現過程。基于虛擬仿真技術的潛艇雷彈發射裝置虛擬維修訓練系統作為一種嶄新的維修樣式,提供了通用、優良的維修平臺,符合武器裝備信息化建設的需要,對探索武器裝備維修工作新途徑有一定參考作用。同時在其他相關領域也具有廣闊的發展前景,值得開展深入細致的研究。

依據本文給出的方法,我們已經建立了初步的潛艇雷彈發射裝置虛擬維修訓練系統。該方法思路清晰,實現簡便,能夠較好地實現雷彈發射裝置的虛擬維修,并且對開發其他有關系統具有參考價值。

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