車身修復(fù)VR 虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)平臺開發(fā)

曾 鑫

（武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院， 湖北 武漢 430205）

0 引言

汽車車身維修技術(shù)課程是高等職業(yè)教育汽車維修類專業(yè)和汽車保險(xiǎn)類專業(yè)學(xué)習(xí)的一門專業(yè)核心課程。 通過學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握汽車車身構(gòu)造、拆裝與調(diào)整能力；熟悉汽車車身修復(fù)的各項(xiàng)工藝方法； 能正確合理運(yùn)用工具設(shè)備，具備汽車車身鈑金、噴涂修復(fù)基本技能。 本課程的教學(xué)由于對設(shè)備、場地、教師實(shí)踐技能要求高，同時所需耗材成本特別高， 因此許多職業(yè)院校該課程的教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果均不是很好。

本文通過運(yùn)用VR 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，開發(fā)車身修復(fù)VR虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)平臺，有效解決設(shè)備價值高、耗材成本高、實(shí)訓(xùn)場地大、教師技能要求高、安全操作風(fēng)險(xiǎn)大等教學(xué)難題，同時有效提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。

1 研究內(nèi)容

車身修復(fù)VR 虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)平臺以車身修復(fù)（鈑金）專業(yè)特定的專業(yè)教師、教學(xué)設(shè)計(jì)、工作場景、工作崗位打造三維可視化虛擬實(shí)訓(xùn)課堂。 圍繞車身修復(fù)（鈑金）專業(yè)中各崗位典型工作任務(wù)，打造車身修復(fù)領(lǐng)域完整工藝流程，實(shí)現(xiàn)車身修復(fù)（鈑金）工作流程和項(xiàng)目流程的全沉浸式虛擬實(shí)訓(xùn)。

2 硬件開發(fā)

2.1 控制機(jī)柜

控制機(jī)柜柜體符合人體工程學(xué)， 外觀接近汽車車身外形修復(fù)機(jī)原形， 使學(xué)習(xí)者在實(shí)際操作時能快速上手操作，約（50×70×145）cm，采用1.5～2mm 冷軋鋼板打造，內(nèi)嵌22 寸高清工業(yè)級觸摸屏，箱體側(cè)邊設(shè)計(jì)有掛架，方便模擬器取放，如圖1 所示。 機(jī)柜的控制旋鈕采用真實(shí)的外形修復(fù)設(shè)備按鈕，能有效實(shí)現(xiàn)電流、速度、時間三種調(diào)節(jié)操作。

車身修復(fù)VR 虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)平臺針對車身修復(fù)中常用的設(shè)備，設(shè)計(jì)出三種體感模擬器，分別是二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊槍模擬器、 修復(fù)機(jī)槍把模擬器和雙面電阻點(diǎn)焊C型焊槍模擬器。 體感模擬器與真實(shí)焊槍和修復(fù)機(jī)槍外觀近乎一致，且重量相近，增強(qiáng)操作真實(shí)感。

圖1 車身修復(fù)VR 虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)平臺控制機(jī)柜Fig.1 Vehicle body repair vr virtual training system platform control cabinet

2.2 模擬器控制系統(tǒng)硬件

模擬器的控制系統(tǒng)主要包括五通道模擬器控制卡、數(shù)據(jù)采集模塊和上位機(jī)。

五通道模擬器控制卡主要實(shí)現(xiàn)控制焊槍模擬器、上位機(jī)、 控制旋鈕之間數(shù)據(jù)交換，為保證后期的功能拓展，能支持5 把或以上不同體感模擬器使用。

數(shù)據(jù)采集模塊共有48 高精度傳感器， 精度12 BIT；靜態(tài)精度0.02 度；動態(tài)精度0.2 度。 刷新率90 Hz；計(jì)算機(jī)接口：WIFI/USB3.0；可以準(zhǔn)確判斷復(fù)雜的手勢，包括搓捻動作，對掌，屈伸；實(shí)時捕捉人手的運(yùn)動，并同步驅(qū)動3D 動畫人手的運(yùn)動； 也可以摸擬像鼠標(biāo)對應(yīng)用中的物體選取、移動、旋轉(zhuǎn)等操作；還可以模擬把人的姿態(tài)準(zhǔn)確實(shí)時地傳遞給虛擬環(huán)境，而且能夠把與虛擬物體的接觸信息反饋給操作者。使操作者以更加直接，更加自然，更加有效的方式與虛擬世界進(jìn)行交互，大大增強(qiáng)了互動性和沉浸感。

為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)感， 焊槍模擬器與上位機(jī)必須有線連接，控制線纜材質(zhì)長度2.5～3m 范圍，外表防水耐磨材質(zhì)；焊槍模擬器的材質(zhì)、外形及配重必須與現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中的焊槍一致。

2.3 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)硬件

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的CPU 采用ARM Cortex-M0 處理器；配備USB HUB 控制器、SOC、睡眠模塊、正交編碼器、中矩器、降壓轉(zhuǎn)換器、模擬比較器、UART、SSI、通用定時器、I2S、I2C、CCP、高精度振蕩器、軸陀螺儀和加速度儀等外設(shè)。

為有效保證多媒體（音視頻）資源的真實(shí)效果，聲卡采用WM5102 音頻編碼器， 具備5.1 環(huán)繞立體聲輸出（3.5mm 插 座）、1x3.5 mm MIC/LineIn 輸 入、S/PDIF 5.1 Channel 數(shù)字音頻接口。

顯示器采用2 160*1 200 AMOLED； 視頻采用HDMI 1 080 p 高清數(shù)字視頻輸出；標(biāo)準(zhǔn)VGA 輸出，支持液晶顯示器顯示；TV-OUT 輸出接口；具備攝像頭接口。

可以適用C++，C#，JAVA 程序開發(fā)， 適合大多數(shù)3D虛擬現(xiàn)實(shí)軟件或者開發(fā)平臺，例如UNITY3D，VIRTOOLS，MULTIGEN VEGA，WTK，OSG，VRPN 等。

3 軟件開發(fā)

3.1 系統(tǒng)軟件

車身修復(fù)VR 虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)平臺的系統(tǒng)軟件開發(fā)包含系統(tǒng)平臺代碼編寫、軟件界面設(shè)計(jì)、真實(shí)場景和實(shí)際操作拍攝、實(shí)際數(shù)據(jù)采集、3D 建模制作、虛擬課堂場景開發(fā)等內(nèi)容。

虛擬課堂依據(jù)實(shí)際工作崗位設(shè)置安全防護(hù)操作、工具設(shè)備使用、二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊、電阻點(diǎn)焊、外形修復(fù)機(jī)使用、車身板件更換、汽車門板修復(fù)、車身測量與校正、虛擬賽場等模塊，將控制器的射線，射向”進(jìn)入模塊”下方的三角箭頭，確保三角箭頭呈高亮狀態(tài)，通過模擬器的扳機(jī)鍵確認(rèn)，可以進(jìn)入到所選擇的模塊，如圖2 所示。

3.2 AR 代碼編寫

車身修復(fù)VR 虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)平臺的開發(fā)代碼編寫中，基于實(shí)際崗位操作標(biāo)準(zhǔn)，從實(shí)踐操作中獲取大量經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，設(shè)置了一系列的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)基點(diǎn)，使得軟件準(zhǔn)確判斷學(xué)習(xí)者的操作，實(shí)時反饋接觸信息， 有效實(shí)現(xiàn)交互性。下面是截取的針對對象池的容量、對象池對象過期秒數(shù)、對象池優(yōu)先級的代碼設(shè)計(jì)開發(fā)。

圖2 車身修復(fù)VR 虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)模塊選擇Fig.2 Module selection of vr virtual training system for body repair

3.3 虛擬課堂

虛擬課堂的開發(fā)依據(jù)專業(yè)教師、 教學(xué)設(shè)計(jì)、 工作場景、 工作崗位及工具設(shè)備， 以真實(shí)專業(yè)環(huán)境1：1 三維建模，與現(xiàn)實(shí)中保持一致。

工具設(shè)備選用實(shí)際車身修復(fù)工作過程中所需工具設(shè)備，運(yùn)用VR 技術(shù)在虛擬課堂中實(shí)現(xiàn)“老師”現(xiàn)場講解及演示工具使用方法， 實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)者通過虛擬課堂實(shí)現(xiàn)選擇和使用設(shè)備、安全防護(hù)操作、勞保穿戴等，通過字幕、聲音、3D 動畫實(shí)現(xiàn)真實(shí)性、趣味性和互動效果。

圖3 車身修復(fù)VR 虛擬課堂工具選用Fig.3 Selection of vr virtual classroom tools for body repair

針對具體的不同操作工藝學(xué)習(xí)， 以三維虛擬老師講解知識點(diǎn)、 現(xiàn)場演練達(dá)到教學(xué)效果。 內(nèi)置真實(shí)的操作流程，引導(dǎo)學(xué)習(xí)者規(guī)范操作流程。

在練習(xí)模式中， 學(xué)生通過調(diào)節(jié)虛擬場景中設(shè)備和器材參數(shù)，選用不同工具、材料、設(shè)備，通過調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)節(jié)到正確的電流、速度和時間，實(shí)現(xiàn)技能虛擬實(shí)訓(xùn)練習(xí)。 通過此練習(xí)，能迅速學(xué)習(xí)會設(shè)備工具的使用，工藝流程的實(shí)踐操作。

虛擬課堂的設(shè)計(jì)中包含操作、設(shè)備參數(shù)設(shè)置錯誤報(bào)警指導(dǎo)和評分， 內(nèi)置大量的實(shí)際操作數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析評價。評測反饋系統(tǒng)實(shí)時記錄學(xué)員操作信息，測評效果真實(shí)。

3.4 系統(tǒng)要求

本系統(tǒng)為學(xué)習(xí)者帶來全沉浸式感受體驗(yàn)， 提供關(guān)于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓使用者感受到身歷其境的體驗(yàn)， 同時能夠自由的與該空間內(nèi)的事物進(jìn)行互動。 整個系統(tǒng)要求運(yùn)行流暢、無卡頓效果，系統(tǒng)運(yùn)行最低幀率數(shù)不得大于75 幀/秒。 系統(tǒng)中的移動、旋轉(zhuǎn)必需與現(xiàn)實(shí)動作實(shí)時快速準(zhǔn)確同步， 操作同步延時響應(yīng)不得多于30 ms，移動位移精度不得大于2 mm。

4 結(jié)束語

學(xué)生利用專業(yè)虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備， 能在仿真的虛擬環(huán)境里扮演和體驗(yàn)不同的崗位角色， 實(shí)現(xiàn)真實(shí)崗位的模擬輪訓(xùn)，完成實(shí)訓(xùn)任務(wù)的過程中學(xué)習(xí)專業(yè)的相關(guān)知識和技能，構(gòu)建學(xué)生的知識體系與技能體系。 系統(tǒng)建設(shè)基于多元化理論的交互式教學(xué)平臺建設(shè)的基本思路和實(shí)現(xiàn)模式。 從課程資源、自主學(xué)習(xí)、仿真實(shí)訓(xùn)、考試系統(tǒng)、國賽模式等方向由淺入深，方便教師教學(xué)，有利于提高學(xué)生的認(rèn)知及實(shí)踐能力。