武器裝備虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計研究*

亓永峰 馬 亮

(海軍潛艇學(xué)院 青島 266071)

1 引言

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

本文以潛艇雷彈發(fā)射裝置為例,在充分利用先進(jìn)CAD技術(shù),虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基礎(chǔ)上,設(shè)計了潛艇雷彈發(fā)射裝置虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅具有很好的訓(xùn)練效果,同時也能為海軍裝備維修訓(xùn)練的現(xiàn)代化提供一定的參考。

2 系統(tǒng)需求分析[2]

潛艇雷彈發(fā)射裝置虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)是一個采用計算機(jī)仿真技術(shù),依托裝備的CAD數(shù)據(jù)和現(xiàn)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(tǒng)。系統(tǒng)要求能夠針對雷彈發(fā)射裝置的維修過程進(jìn)行訓(xùn)練,在一般的臺式PC上實現(xiàn),信息以圖像、文字及多媒體的形式傳達(dá)給接受訓(xùn)練人員,通過鼠標(biāo)、鍵盤與接受訓(xùn)練人員實現(xiàn)交互。系統(tǒng)的核心作用是使接受訓(xùn)練人員迅速熟悉維修對象的結(jié)構(gòu)組成、工作原理,熟悉常見故障的維修方法。

系統(tǒng)的總體需求為兩個方面:

1)系統(tǒng)能夠在導(dǎo)入維修對象和維修任務(wù)后生成相應(yīng)的訓(xùn)練系統(tǒng)。

2)系統(tǒng)可以為接受維修訓(xùn)練的人員提供認(rèn)知維修對象和任務(wù)的平臺,使人員能夠獲取維修對象和維修任務(wù)操作相關(guān)的知識。

3 功能分析

基于上文對維修訓(xùn)練系統(tǒng)的需求分析,構(gòu)建系統(tǒng)的框架如圖1所示。

圖1 維修訓(xùn)練系統(tǒng)總體功能建模圖

根據(jù)潛艇雷彈發(fā)射裝置虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)功能的需要及實際應(yīng)用的需求,該系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能:

1)接受訓(xùn)練人員通過裝備結(jié)構(gòu)樹的提示對裝備進(jìn)行靜態(tài)的操作和分析,熟悉設(shè)備的結(jié)構(gòu)組成和工作原理;

2)通過對設(shè)備故障知識庫的學(xué)習(xí),了解并熟悉設(shè)備的常見故障及維修方法;

3)通過在虛擬環(huán)境中的虛擬維修訓(xùn)練,熟悉潛艇雷彈發(fā)射裝置的維修訓(xùn)練的操作規(guī)程。

4 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要仿真對象是雷彈發(fā)射裝置的各個部件。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)主要有系統(tǒng)平臺、數(shù)據(jù)庫模塊、知識庫模塊、虛擬樣機(jī)建模與維修仿真模塊組成,其中數(shù)據(jù)庫模塊主要用于存儲雷彈發(fā)射裝置的3D模型及設(shè)備的各種技術(shù)參數(shù);知識庫模塊主要用于存放雷彈發(fā)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(shè)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(gòu)建虛擬環(huán)境使用戶能夠沉浸到虛擬環(huán)境中進(jìn)行交互式訓(xùn)練;系統(tǒng)集成平臺通過對各模塊的接口的開發(fā)實現(xiàn)各模塊之間的集成,并給用戶提供界面。

5 關(guān)鍵技術(shù)及實現(xiàn)

在系統(tǒng)的研究開發(fā)過程中,其最關(guān)鍵的地方就是故障維修訓(xùn)練仿真,這里面包含兩個方面的內(nèi)容,一個是潛艇雷彈發(fā)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(xùn)練系統(tǒng)的基礎(chǔ),該系統(tǒng)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(yīng)該具備以下特點:一是具有合適的多邊形數(shù)目,能夠支持實時仿真;二是能夠保持裝備的基本層次結(jié)構(gòu)關(guān)系、裝配關(guān)系;三是能夠?qū)崿F(xiàn)樣機(jī)部件的約束運動;四是能夠提供人機(jī)交互所需的交互信息。本文采用AutoCAD和3ds Max相結(jié)合的方式來進(jìn)行設(shè)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(jìn)行建模,建模過程中,可以打開OSNAP進(jìn)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(fù)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(guī)劃

在虛擬裝備維修中,裝備的裝配和分解信息模型是監(jiān)視、約束用戶操作規(guī)范和決定虛擬環(huán)境下裝備部件行為的主要準(zhǔn)則,因此不僅要確定裝備的結(jié)構(gòu)、層次關(guān)系和零、部件的約束關(guān)系,還要確定其行為的邊界。按照傳統(tǒng)的方式建立的裝備層次關(guān)系如圖2所示。

圖2 部件的層次關(guān)系

顯然,部件的層次關(guān)系便于在裝備維修系統(tǒng)中對裝備的描述,層次的劃分可以采用由外到內(nèi)或者由大到小的原則。采用樹狀結(jié)構(gòu),圖2中的節(jié)點的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)記錄零部件的約束關(guān)系。定義裝備實體集合,部件1子節(jié)點,這樣就可以建立起各個節(jié)點的數(shù)據(jù)和層次關(guān)系。在部件的層次關(guān)系的基礎(chǔ)上,考慮其零、部件之間的直接定位、連接和運動關(guān)系以及由此導(dǎo)出的各種約束關(guān)系,形成部件內(nèi)部的裝配關(guān)系。

在由3DS轉(zhuǎn)入裝配體模型時,EON Studio既保持了原始零部件之間的位置關(guān)系不變,同時通過框架節(jié)點(Frame)又保持了裝配組建在CAD系統(tǒng)中裝配體結(jié)構(gòu)樹的層次結(jié)構(gòu)信息。圖3為系統(tǒng)中部分模型在3DS和EON Studio中的結(jié)構(gòu)圖,其良好的繼承性為實現(xiàn)訓(xùn)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(chǔ)。

圖3 模型在3DS和EON Studio中的結(jié)構(gòu)圖

5.3 虛擬維修交互式操作的實現(xiàn)

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

與業(yè)內(nèi)現(xiàn)有的三維建模工具和虛擬現(xiàn)實開發(fā)軟件相比,Eon Studio在大型幾何對象的演算速度、復(fù)雜對象同一場景中模擬真實場景的能力、復(fù)雜的互動功能、視覺質(zhì)量、與VR相關(guān)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(fā)射裝置虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)就是采用其5.2版本實現(xiàn)人機(jī)交互功能的。

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

圖4 系統(tǒng)的部分邏輯視窗圖

5.4 碰撞檢測功能的實現(xiàn)

碰撞檢測是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的核心問題。它是指虛擬場景中的幾何體表面在即將或發(fā)生碰撞時自動進(jìn)行報告的一種機(jī)制。本系統(tǒng)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(jié)點。具體實現(xiàn)過程如圖5所示。

圖5 Eon Studio中碰撞檢測的實現(xiàn)

在Eon Studio中利用Collision節(jié)點進(jìn)行碰撞檢測的步驟如下:

1)在虛擬裝備原型結(jié)構(gòu)中的Collision-detect-aera節(jié)點下面包含一個Collision節(jié)點。

2)設(shè)置Collision節(jié)點的CollisionObjects屬性值,把需要進(jìn)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(fā)生碰撞的零部件的節(jié)點索引。

5.5 數(shù)據(jù)庫的管理

針對魚雷發(fā)射裝置如此復(fù)雜的系統(tǒng),其設(shè)備庫及故障庫也非常龐大,需要集中到數(shù)據(jù)庫平臺中進(jìn)行管理。當(dāng)前主流的數(shù)據(jù)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(tǒng)采用SQL作為數(shù)據(jù)庫開發(fā)平臺,主要用于存儲雷彈發(fā)射裝置的3D模型及設(shè)備的各種技術(shù)參數(shù),常見故障及專家的維修指導(dǎo)。

5.6 系統(tǒng)的集成

系統(tǒng)集成模塊是整個虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的核心,不僅需要實現(xiàn)與各模塊之間的接口,同時需要管理大量的數(shù)據(jù)。本文采用Delphi為系統(tǒng)的集成平臺。在Delphi環(huán)境下調(diào)用Eon的應(yīng)用程序步驟如下:

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

2)在EON Studio中建立與InEvent和Out-Event節(jié)點的連接,對由于InEvent節(jié)點收到的指令或數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,或?qū)⒅噶詈蛿?shù)據(jù)從OutEvent節(jié)點輸出。

3)在 Delphi軟件中添加 EonX控件的On-Event消息響應(yīng)函數(shù)OnEventEonX()對EonX中的OutEvent節(jié)點進(jìn)行監(jiān)聽,或利用SendEvent方法將指令或數(shù)據(jù)發(fā)送到InEvent節(jié)點。

6 結(jié)語

本文從潛艇部隊武器系統(tǒng)維修訓(xùn)練需求出發(fā),綜合運用先進(jìn)CAD技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù),以潛艇雷彈發(fā)射裝置為研究對象,詳細(xì)闡述了虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的實現(xiàn)過程?；谔摂M仿真技術(shù)的潛艇雷彈發(fā)射裝置虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)作為一種嶄新的維修樣式,提供了通用、優(yōu)良的維修平臺,符合武器裝備信息化建設(shè)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(guān)領(lǐng)域也具有廣闊的發(fā)展前景,值得開展深入細(xì)致的研究。

依據(jù)本文給出的方法,我們已經(jīng)建立了初步的潛艇雷彈發(fā)射裝置虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)。該方法思路清晰,實現(xiàn)簡便,能夠較好地實現(xiàn)雷彈發(fā)射裝置的虛擬維修,并且對開發(fā)其他有關(guān)系統(tǒng)具有參考價值。

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