坦克炮虛擬維修系統研究

邢宏光，王國輝，周世海

(裝甲兵工程學院兵器工程系，北京100072)

【武器裝備理論與技術】

坦克炮虛擬維修系統研究

邢宏光，王國輝，周世海

(裝甲兵工程學院兵器工程系，北京100072)

基于從維修訓練的手段和方法上進行創新，開發滿足新裝備訓練需求，探索研究符合基層部隊實際的訓練設備和手段;基于虛擬現實技術的虛擬維修訓練為基層部隊提供了一種費效比較好的武器裝備維修訓練手段，它能提高基層部隊對武器裝備的自主維修訓練能力，促進基層部隊維修保障能力的快速形成;實現了裝備結構教學和維修訓練的桌面式虛擬訓練，為部隊和院校坦克炮的維修訓練、教學提供了軟件支撐。

裝甲車輛;虛擬維修

當前裝備呈現出功能綜合、技術先進結構復雜、價格昂貴、更新換代快等特點，對維修人員訓練提出了更高的要求。然而，長期以來，傳統的訓練一般是利用維護說明書、多媒體、錄像和教材等資源，結合實裝訓練開展。這種維修訓練方式存在消耗大、開展時機滯后、對故障檢測維修訓練的關鍵內容訓練少等缺陷。虛擬現實技術的發展徹底改變了上述局面，在虛擬樣機上仿真維修過程的思想己經被廣泛認同［1］。

虛擬維修即采用仿真的手段在計算機生成的虛擬環境中對維修過程進行計算機模擬，維修操作的對象是計算機中的虛擬對象，操作人員則是真實維修人員，從而實現人對裝備進行維修過程的可視化模擬。應用虛擬維修技術對維修任務進行可行性分析，分析維修過程中存在的問題可以對維修人員進行模擬維修作業訓練［2］。

本論文研究的意義主要有以下幾點:研究成果將實現虛擬現實技術在裝甲車輛武器系統維修中的應用，對現在部隊新裝備維修技術的發展起到積極的作用;可以在虛擬維修實驗室里進行維修訓練的“實踐戰”，有效提高培訓人員的環境適應能力;具有很高的訓練質量和訓練“效費比”;虛擬訓練作業真實可靠，最高限度的給受訓者提供訓練平臺。

(1)國外研究現狀。美國應用虛擬維修技術建立了相應的虛擬維修系統，維修人員一次性地成功實施了維修任務。虛擬維修技術在美軍LMTAS系統中得到了大量的應用。日本主要致力于建立大規模VR知識庫的研究。另外在虛擬現實的游戲方面的研究也做了很多工作［3－4］。

(2)國內研究現狀。我國的VR技術研究與這些發達國家相比，還有一定的差距，但在緊跟國際新技術的同時，國內一些重點院校，也積極投入到這一領域的研究工作。北京航空航天大學開發的分布式虛擬世界基礎信息平臺DVENET的技術水平己接近美國的STOW;中國科技開發院威海分院主要研究虛擬現實中視覺接口技術。

裝甲兵工程學院設計的某型炮射導彈虛擬檢測維修訓練系統，不僅能進行虛擬裝備的故障檢測和維修訓練，還具有誤操作警示、故障設置、故障識別、可視化原理教學、資料查詢功能。石家莊軍械工程學院在虛擬維修中人體運動控制分類研究，拆卸序列的選擇等方面取得了一定的成果。郝建平等開發的基于虛擬維修仿真的維修性分析系統，采用交互式和沉浸式兩種方式實現維修過程仿真，并提出了較為完整的虛擬維修系統方案［5－6］。

1 虛擬維修訓練系統總體方案設計

坦克炮虛擬訓練系統主要由結構與組成模塊、人機交互模塊兩大部分組成，其中結構與組成模塊主要用于存儲火力系統組成及技術參數;人機交互模塊用于實現對各部件進行自動和手動拆裝訓練，使受訓人員實現在虛擬環境中的維修訓練，系統集成平臺通過對各模塊的接口的開發實現各個模塊之間的集成，并給用戶提供使用界面，如圖1所示。

圖1 系統集成簡圖

2 虛擬維修訓練系統人機交互模塊的構建

2.1 虛擬維修訓練系統開發

虛擬維修訓練系統，其主要功能是對操作者進行維修培訓，使操作者從中學習到維修知識，增長維修經驗。實現對維修人員培訓的重點是以下幾個方面:培訓坦克炮的結構組成，以及坦克炮拆卸安裝的正確順序和工作原理;在熟悉結構的基礎上學會正確使用坦克炮;操作者可以對坦克炮進行維修操作，例如故障排除等練習。

2.2 虛擬維修訓練模型開發方法與過程

2.2.1 建立坦克炮系統模型

利用Solidworks軟件建立坦克炮零部件、工作臺以及維修工具的三維模型，為虛擬環境的構建提供素材。裝配好的坦克炮系統模型如圖2所示。

圖2 坦克炮系統模型

2.2.2 構建虛擬維修訓練環境

一個良好的操作界面能夠促進使用者的快速掌握，同時大大縮短與計算機之間的距離，使得系統易學、易理解，方便使用，進而提高工作效率。

對于虛擬維修訓練環境，其主導思想是與現實中的維修環境盡可能的相似，在構建虛擬維修訓練環境開始，建立一個內含各種維修工具的維修教室。如圖3所示。

圖3 構建的虛擬環境

2.2.3 導入三維模型

將利用Solidworks軟件建立的坦克炮三維模型導入到虛擬現實軟件EON中。

2.2.4 插入結點

(1)為了在軟件中實現各部件按照實際的拆裝路徑將其從火炮上拆下，然后放置到指定的位置，需要設置部件的運動路徑。部件的運動路徑在3D MAX中進行制作，導入的EON Studio中會自動生成一個路徑節點。如圖4所示。

圖4 EON環境中路徑節點的生成

雙擊生成的路徑節點，對其屬性框就可進行各種設置。

(2)選擇sensor nodes，拖動一個開關節點clicksensor至“搖架”節點下。

(3)為了讓操作者更直觀更快的掌握每個部件的名稱，拖動一個ToolTip節點至“搖架”節點下，實現當鼠標移動到該節點的時候，便顯示該節點的名稱。雙擊該節點設定該節點的屬性。

(4)按照以上方法在每個可拆裝的零件下設置路徑節點，并對照相應的零件將其命名，和一個ToolTip節點同時按要求的位置設定其屬性。然后拖動一個clicksensor節點至該節點下。

同上，依次建立虛擬環境各個節點。

2.2.5 連接邏輯關系

(1)為了使上述調用的節點在其父系節點下發揮作用，并且連貫的配合起來需要對其屬性有選擇的進行鏈接。

(2)連接好之后如下圖的邏輯關系圖。如圖5所示。

圖5 連接邏輯關系

(3)設置完邏輯關系后，運行模擬程式。

通過上述過程的設置便可以實現對坦克炮各個部件的有序拆裝，在操作的同時便熟練的掌握了該部件的結構組成，同時清楚該部件的拆裝的順序。

2.3 虛擬環境下交互功能的實現

2.3.1 自動拆卸模塊

在自動演示模塊中，維修人員可以學習和深入了解坦克炮各部件的相互運動關系和拆裝順序。

(1)為了讓操作更直觀更快完成，拖動2個AlertMsgBox節點、一個TimeSensor節點至Frame節點下，將其命名為開始拆卸提示和拆卸完成，雙擊AlertMsgBox節點進行設置。

(2)為了實現對各部件的拆卸，需要調用軟件中的Fram、Textbook、KeyFrame節點，并根據相應的要求設定每個節點的屬性。

(3)拖動AlertMsgBox、TimeSensor及各個KeyFrame節點至邏輯關系設定框。然后進行相應的連接。

(4)設置完邏輯關系后，運行一下模擬程式。如圖6所示。

2.3.2 自動安裝模塊

按照同樣的方法，只需將邏輯連接關系中的路徑節點按照相反順序進行連接，就可以完成對坦克炮自動安裝模塊的創建。設置完邏輯關系后，運行一下模擬程式。

通過上述過程的設置便可以實現對坦克炮各個部件的有序自動安裝，即完成了對自動安裝模塊的創建，在維修人員學習的同時便熟練地掌握了該部件的結構組成，同時清楚該部件的安裝的順序。

本節描述了實現坦克炮虛擬維修訓練系統主要功能的創建過程，并且重點描述了坦克炮的引導訓練模塊、自動拆卸演示模塊、自動安裝演示模塊的創建。通過對模塊的學習使維修者能夠快速了解坦克炮的結構組成，拆卸安裝操作過程。

圖6 模擬效果

3 結束語

本論文通過實例介紹了構建適合裝備維修訓練使用的虛擬維修訓練系統的方法。根據實裝訓練情況和訓練人員特點等方面，完成了適用于虛擬維修訓練系統的框架搭建。利用虛擬現實技術構建了接近現實環境的訓練場景，使訓練人員的可視化程度更強，具有訓練內容視覺化等特點。

研究成果實現了裝備結構教學和維修訓練的桌面式虛擬訓練，為部隊和院校坦克炮的維修訓練、教學提供了必要的軟件支撐。

［1］王嵐，劉怡，梁忠先.虛擬現實Eon Studio應用教程［M］.天津:南開大學出版社，2007.

［2］何嘉武，賴煜坤.武器裝備虛擬維修訓練系統設計與實現［J］.科技導報，2010，28(24);71－74.

［3］王文舉，李光耀.虛擬維修仿真技術的研究與進展［J］.系統仿真學報，2011(9):1751－1757.

［4］杜霄鵬，李星新，李想.虛擬維修訓練通用平臺與EON接口實現［J］.計算機與數字工程，2011(7):200－202.

［5］王國輝，鄧威，李向榮，等.基于虛擬現實的自動裝彈機虛擬維修訓練系統［J］.火炮發射與控制學報，2011(9): 27－30.

［6］李星新，郝建平，葉飛，等.虛擬維修訓練的基本問題與技術體系研究［J］.微計算機信息，2010(26):30－32.

［7］田冕，馬龍，張王衛.虛擬維修環境下的線繩布線算法［J］.重慶理工大學學報:自然科學版，2013(6):100－105.

(責任編輯周江川)

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，王國輝，周世海.坦克炮虛擬維修系統研究［J］.四川兵工學報，2014(7):1－3.

10.11809/scbgxb2014.07.001

2014－03－12

邢宏光(1976—)，男，碩士，主要從事火炮與自動武器研究。

TJ012.3