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1、耿朝阳,刘德明 （西安工业大学计算机科学与工程学院， 陕西西安 ,710032）摘要 ： 为了适应武器装备维修保养现代化需求， 开发了一套武器装备虚拟维修训练系统。 该系统采用 3DS Max 进行三维建模， 基于 VC+ 6.0 开发环境和 OpenGL 图形库对武器装备虚拟维修训练系统进行设计与实现。 编程实现对 3DS 模型的读取与显示， 人机交互实现装备整体多视角演示及零部件级的拆装。 按需求完成训练模块和考核模块的开发。 为使系统能兼容不同武器装 备， 在设计阶段采用层次化、 模块化的设计方案。 此设计与实现方案简单方便， 通用性好 ； 虚拟环境有较好沉浸感， 形象的展示 了维修过程
2、 ； 交互性良好， 有较好的使用效果。关键词 ： OpenGL ； 虚拟现实 ； 维修训练Weaponry Virtual Maintenance Training System Design and ImplementationGeng Chaoyang,Liu Deming(College of Computer Science and Technology,Xian Technological University,Xian,710032,China)Abstract ： In order to adapt to modern weapons and equipment repair a
3、nd maintenance needs,developed a set of weaponry Virtual Maintenance Training System.The system uses 3DS Max for three-dimensional modeling, based on VC + + 6.0 development environment and the OpenGL graphics library on weaponry virtual maintenance training system design and implementation.Programmi
4、ng model for the 3DS read and display,interactive multi- angle to achieve the overall presentation equipment and components level disassembly.Completion of the training module on demand and assessment module development.To make the system compatible with different weapons and equipment,in the design
5、 phase using hierarchical,modular design.Design and implementation of this scheme is simple and convenient,common good;better immersive virtual environment,the image display of the repair process; interaction is good,there is good use of effects. Keywords ： OpenGL;virtual reality;maintenance trainin
6、g0引言VR 技术是一门以计算机图形学、 人工智能、 多媒体、 传感器、 网络以及数字图像处理等多学科为基础的综合性信息技术。 虚拟 维修技术是 VR 技术的一个重要分支， 是机械领域的重要应用。 随 着 1993 年美国哈勃望远镜虚拟维修训练的成功应用， 虚拟维修 训练已经成为全世界装备维修训练研究的热点。 洛克希德 马丁 公司在 F-22 战斗机设计过程中使用人机交互软件环境构建的虚 拟维修系统， 取代物理样机， 减少了研发费用和研发周期。虚拟维修训练系统实现过程中， 一般采用虚拟现实软件有 EON Studio、Virtools 等， 为了使系统有更好的扩展性以及更 好的与专家系统进行整
7、合， 本文采用另一种现实方式。 利用 3DS MAX 三维建模工具构建与实际装备一样的三维数字模型，VC+ 6.0 开发环境下， 采用流行的标准语言 OpenGL， 编程实现装备实时三维动画设计， 将拆装装备的全部活动和所需要的资源通过虚 拟现实技术在计算机上再现， 完美的展现出装备的外形特征与内 部组成部件， 很好的实现一个比较完善的装备虚拟拆装训练系 统， 并在该系统的基础上实现了维修演示、 维修训练和维修技能 考核等功能。1 系统的总体设计1.1 要实现的功能(1) 虚拟场景的构建。 这是虚拟维修系统最基本的功能。 首 先利用三维建模软件， 以实际装备为基础， 实现装备的三维建模。 然后
8、实现读取建好的三维模型并显示在程序中。 最后利用一定的 交互手段实现与系统的人机交互， 并实现三维模型中零部件的识 别、 移动功能。(2) 系统信息管理的实现。 包括维修人员信息的管理， 装备设计与研发2014.1故障数据的维护， 装备零部件拆装序列以及路径的规划。(3) 训练模式的划分。 根据武器装备的实际维修训练过程， 可将训练划分为演示模式、 学习模式和考核模式三种模式。 在演 示模式维修人员可以自由的查看装备的组成部件， 从而了解装备 的工作原理。 学习模式下， 维修人员可系统的提示下， 对装备的某 个故障进行分析， 判断出问题零部件， 并在系统的引导下按规划 的顺序与路径完成零部件的
9、拆装和替换。 考核模式下可对维修人 员对维修对象和任务的理解和熟练程度进行定量的考核和定性 的评估。1.2 模块化设计(1) 虚拟场景构建模块。 该模块是整个系统中最基本的模 块， 用来演示装备部件、 子系统和整体的三维视图。 以鼠标和键盘 作为人机交互工具， 通过对鼠标和键盘的操作， 实现训练过程中 虚拟场景中维修人员视角的转换以及虚拟场景视野的缩放。(2) 装备零部件级拆装模块。 该模块主要用来实现装备中零 部件的拆装与移动。 在演示模式下应能够实现自动拆装功能， 向 维修人员演示连续的拆解、 装配过程。 在学习模式和考核模式下 应能够实现手动拆装功能。 学习模式下， 系统通过适当的引导和
10、 提示信息， 维修人员通过鼠标点击需要拆装的零部件， 帮助维修 人员完成自主学习。 当零部件的点击顺序错误时， 拆装无法完成， 系统给出错误信息。 考核模式下， 只有维修人员按照正确的拆装 顺序点击装备的零部件时该零件才会被自动拆卸下来。(3) 系统信息管理模块。 维修人员信息的管理包括人员登录 管理、 登录密码修改、 信息查询。 故障数据维护包括武器装备的故 障数据添加、 删除、 修改， 并根据考核的需要设置故障数据。 装备 零部件拆装序列规划包括根据维修手册的说明， 确定零部件拆装 的先后顺序， 生成符合维修规范的动作序列。 确定零部件拆装序 列后， 需对零部件的路径进行规划， 即拆装过程
11、中零部件移动的 方向和距离。 为使拆装过程更形象、 真实， 应避免在零部件移动过 程中发生穿透、 遮挡、 重叠等问题， 并且零部件最终停放位置布局 应美观、 合理。图 1 虚拟维修训练系统总体框架8(4) 考核评估模块。 该模块能根据已有维修操作的动作序 列， 实现对考核模式下维修人员整个维修过程的监控、 误操作的 记录和辨别， 并根据实际操作表现， 如完成特定维修任务所用的 时间、 操作的正确性进行打分和评估， 将分数以及评估结果进行 保存。 虚拟维修训练系统总体框架如图 1 所示。2 武器装备虚拟维修演示训练系统的实现2.1 基础数据的准备(1) 维修对象的三维建模数据。 三维建模是虚拟维
12、修的基 础， 建模的好坏直接关系到交互性和沉浸感的实现。 这里采用流 行的 3DS Max 三维设计软件。 它集三维建模、 材质制作、 灯光设定 以及渲染输出为一身， 且生成的 .3DS 文件应用广泛， 保存内容丰 富。 某装备贴图渲染后的效果图如图 3 所示。(2) 故障数据。 在虚拟维修训练系统中， 一般是根据装备故 障来引导完成训练任务的。 根据装备维修说明书里的对故障的描 述， 找出可能发生故障的原因， 确定发生故障的零部件， 有针对性 的制定维修方案， 建立该故障与零部件之间的故障关系数据库， 在此基础上来确定合理的训练内容与形式， 将故障数据保存在配 置文件中。(3) 最佳维修的拆
13、装序列及零部件的路径规划数据。 确定故 障与零部件之间的故障关系， 对故障零部件进行维修或者替换操 作。 利用装备维修手册里的拆解说明， 确定零部件的拆解顺序， 得 到最佳拆解序列， 将数据保存在配置文件中。图 3 某装备贴图渲染后的效果图 安装过程则为拆解过程的逆过程。 为使拆装过程更形象、 真实， 要对零部件的移动路径进行规划， 需定义零部件移动的方向 和距离。 对方向和距离进行反复调试， 得到较理想的位置， 并将数 据保存在配置文件中。2.2 实现方案仿真平台是在 Visual C+ 6.0 基础之上， 利用 OpenGL 提供 的强大的底层图形库， 通过 C+ 编程来实现。 编程实现
14、.3DS 文 件在程序中的展示， 利用鼠标和键盘实现人机交互， 实现对模型 中各个零部件的识别。 读取保存故障数据、 拆装序列和路径规划 数据的配置文件， 实现故障识别、 零部件拆装、 零部件拆装过程运 动约束等功能。 图 5 为虚拟维修系统中某装备在完成某个部件拆 解后的状态。2.3 系统分层结构2014.1设计与研发为使系统有较好的兼容性， 能够适用于不同类型的装备， 本 文采用分层系统结构。 这里分为三层结构 ： 模型层、 控制层、 视图 层， 如图 6 所示。 模型层是系统在运行过程中需要用到的初始化 数据， 如装备三维模型、 故障数据等 ； 控制层是实现系统功能的 核心， 用来对模型
15、层里的数据进行处理， 完成系统的各项功能 ； 视图层是维修人员与系统的人机交互界面， 用来接收维修人员的 鼠标、 键盘灯操作。3结束语为了适应部队信息化要求， 以虚拟现实技术为基础， 开发了 一套武器装备虚拟维修演示训练系统， 通过人机交互， 该系统向 维修人员展示武器装备的结构、 组成原理， 并能对故障零部件实 现拆装过程， 从而指导维修人员完成维修训练， 达到在实际装备 上进行维修训练的效果。 本系统采用层次化、 模块化设计， 对不同 类型的装备有较好的兼容性， 极大的增强了系统扩展性， 减少了 系统后期维护成本， 为其它装备虚拟维修系统的开发提供了参 考， 是对传统维修训练方法一种有效的
16、替换。参考文献1 Trebilcock.Virtual RealityJ.Modern Materials Handling,2003,58 (5):55- 60.2 杨宇航 , 李志忠 , 董巍 , 等 . 基于虚拟现实的导弹维修训 练系统 J. 兵工学报 ,2009,20(6):297-300.3 黄海亮 . 自动装弹机虚拟维修技术研究 D. 装甲兵工程学院 ,2009.4 刘佳 , 刘毅 . 虚拟维修技术发展综述 J. 计算机辅助设计 与图形学学报 ,2009,21(11):1519-1534.图 5 某装备在完成某个部件拆解后的状态图 6 虚拟维修训练系统分层结构（上接 6 页）5结语本文对变压器在线监测故障诊断进行了探讨， 并采用小波 分析对变压器局部放电故障进行了仿真， 首先将故障信号用小 波分解降噪后， 再将局部放电信号划分成不同的频带来处理， 提 取不同尺度上信号的幅值， 仿真结果表明利用小波分析能准确 的提取变压器放电信号， 也就是说利用小波分析进行变压器局 部放电信号在线监测故障诊断是可行的。参考文献1
