面向某型火炮维修拆装的虚拟培训系统

技术领域

本发明涉及虚拟现实应用领域，更具体地，尤其涉及一种面向某型火炮维修拆装的虚拟培训系统。

背景技术

在虚拟现实应用领域，将VR技术与教育培训相结合可很好的实现其各自的潜在价值。某型火炮的维修拆装是兵工机械维修的重要环节，火炮在工作过程中其传动系统各工作部件受损失效，需要及时更换；火炮为军工装备，结构复杂，其拆装过程尤为繁琐，培养火炮维修人员是一项重要工作，军事涉密及特殊形势要求下，实地学习、实物操作、面对面培训等人员聚集性活动往往受到时间与空间的限制，培训工作因此受到牵制。

计算机技术带动下，日逐成熟的VR技术融合了人体视觉、听觉、感知学、振动力学、计算机学等多领域先进技术，借助相关算法及关键技术，通过合理地模拟现实环境，给用户以身临真实维修环境的感觉，并以独特的可视化程度高、为用户提供自主学习平台、交互功能强大等特性，可以不受空间限制完成产品展示、教学培训、交互作业等任务。

然而，以往的虚拟现实技术所开发的虚拟系统尚且存在仿真效果差、计算机资源消耗严重、用户操作过程可达性不高等缺陷，因此虚拟系统需要融合有效的算法或方法，解决用户交互可达性、系统运行自然性、开发过程经济性等难题。

发明内容

本发明为了解决某型火炮维修拆装现场培训的局限性，研究了射线碰撞检测算法、基于改进蚁群算法的拆装序列规划方法、人机实时交互策略，保证火炮维修拆装的培训效率、节约培训成本，提供了一种面向某型火炮维修拆装的虚拟培训系统。

本发明采用的技术方案是：面向某型火炮维修拆装的虚拟培训系统，其特征在于：包括用户体验模块、技术支持模块、系统开发模块。所述用户体验模块是用户掌握某型火炮维修操作过程的交互窗口，所述用户体验模块包括维修对象认知、维修拆装学练考、系统使用说明，为用户提供简便易上手的操作平台；所述技术支持模块是保证虚拟培训系统运行自然、合理的关键，所述技术支持模块包括碰撞检测、拆装序列规划、人机实时交互等关键技术，并将算法结果呈现于交互设备；所述系统开发模块是虚拟培训系统的工具，为用户体验提供数据支持、功能编辑、编程控制、基础建设，所述系统开发模块包括数据库、XDreamer编辑器、Unity 3D引擎及脚本工具、模型和场景构建体系；本发明利用VR技术针对某型火炮的维修拆装过程设计开发了一套虚拟培训系统，研究了用户交互可达性、系统运行自然性、开发过程经济性，可应对火炮实地维修的局限性。

优先地，所述维修对象认知包括实地维修讲解、维修场景漫游、对象3D展示和主要机构展示；所述维修拆装学练考针对发动机、变速器、刹车盘等关键部件的维修操作过程进行培训，且设置有定制专项训练模块；所述系统使用说明包括初次使用指南和功能选项帮助。

优先地，所述碰撞检测采用Collier-Ray模型通过划分静态/动态类碰撞检测包围盒以射线检测算法完成检测，以提高虚拟装配精准度，射线检测算法涉及的所有公式如下，

1)三维空间中，射线上一点表达方式为

Q＝Q

式中，Q为射线上一点，Q

2)空间中三角形的三个顶点表示为P

P＝(1-u-v)P

式中，u、v表示三角形某两个顶点分别所占权重用于确定点P，u≥0，v≥0，u+v≤1；

3)当射线与几何体相交时，点Q与P点为同一点，也就是

Q

整理得到线性方程组表示为

4)根据克莱姆法则，令E

联立

将已知的三角形顶点坐标P

优先地，所述维修拆装序列规划由层次关系表、多色集合结构树、改进蚁群算法组成，旨在获取最优拆装序列。

所述改进蚁群算法基于基础蚁群算法的并行性、正反馈性等优点，融合粒子群算法解决基础蚁群算法总迭代次数初期信息素累计缓慢导致运行效率低的缺陷，在迭代后期融合模拟退火算法，避免基础蚁群算法易出现陷入局部最优解的问题，改进蚁群算法的表达形式如下，

式中

η

式中w

所述人机实时交互包括操作正误反馈、拆装力反馈、作业分析，目的在于充分实现系统的可用价值。

所述碰撞检测、拆装序列规划、人机实时交互三者之间存在一定的关联关系，碰撞检测将零部件空间位置视觉信息传递给人机实时交互，并将拆装优先级、拆装路径信息作业于拆装序列规划；拆装序列规划将实时更新的零部件相对位置情况传递于碰撞检测，并将最优拆装序列作用于人机实时交互；三者将运算结果作用于交互设备。

优先地，所述数据库包括装配工艺、操作日志、维修原理、操作分析。

优先地，所述用户体验模块、技术支持模块、系统开发模块三者间存在一定的关联，用户体验模块为虚拟培训系统的应用层，对接使用者；技术支持模块和系统开发模块为虚拟培训系统的支撑层与数据层，服务于用户体验模块，保证其正常运转。

附图说明

图1为本发明提供的虚拟培训系统结构关系图；

图2为本发明提供的用户体验模块结构层次图；

图3为本发明提供的射线检测技术内容；

图4为本发明提供的射线碰撞检测原理；

图5为本发明提供的拆装序列规划技术内容；

图6为本发明提供的改进蚁群算法实现流程图；

图7为本发明提供的人机交互技术内容；

图8为本发明提供的关键技术关联关系图；

图9为本发明提供的维修操作UI界面；

图10为本发明提供的维修场景效果图；

图11为本发明提供的变速器部件拆装培训界面图；

图12为本发明提供的虚拟培训系统总体架构图。

具体实施方法

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明，但不作为对本发明的限定。

请参阅图1-图12，本发明公开了一种面向某型火炮维修拆装的虚拟培训系统，包括用户体验模块、技术支持模块、系统开发模块，如图1。所述用户体验模块是用户掌握某型火炮维修操作过程的交互窗口，所述用户体验模块包括维修对象认知、维修拆装学练考、系统使用说明，为用户提供简便易上手的操作平台；所述技术支持模块是保证虚拟培训系统运行自然、合理的关键，所述技术支持模块包括碰撞检测、拆装序列规划、人机实时交互等关键技术，并将算法结果呈现于交互设备；所述系统开发模块是虚拟培训系统的构建工具，为用户体验提供数据支持、功能编辑、编程控制、基础建设，所述系统开发模块包括数据库、XDreamer编辑器、Unity 3D引擎及脚本工具、模型和场景构建体系；本发明利用VR技术针对某型火炮的维修拆装过程设计开发了一套虚拟培训系统，研究了用户交互可达性、系统运行自然性、开发过程经济性，可应对火炮实地维修的局限性。

优先地，所述用户体验模块、技术支持模块、系统开发模块三者间存在一定的关联，用户体验模块为虚拟培训系统的应用层，对接使用者；技术支持模块和系统开发模块为虚拟培训系统的支撑层与数据层，服务于用户体验模块，保证其正常运转。

优先地，所述维修对象认知包括实地维修讲解、维修场景漫游、对象3D展示和主要机构展示；所述维修拆装学练考针对发动机、变速器、刹车盘等关键部件的维修操作过程进行培训，且设置有定制专项训练模块；所述系统使用说明包括初次使用指南和功能选项帮助，结构层次如图2所示。

优先地，所述碰撞检测采用Collier-Ray模型通过划分静态/动态类碰撞检测包围盒以射线检测算法完成检测，如图3，以提高虚拟装配精准度，射线检测算法涉及的所有公式如下，

1)三维空间中，射线上一点表达方式为

Q＝Q

式中，Q为射线上一点，Q

2)空间中三角形的三个顶点表示为P

P＝(1-u-v)P

式中，u、v表示三角形某两个顶点分别所占权重用于确定点P，u≥0，v≥0，u+v≤1；

3)当射线与几何体相交时，如图4，点Q与P点为同一点，也就是

Q

整理得到线性方程组表示为

4)根据克莱姆法则，令E

联立

将已知的三角形顶点坐标P

优先地，所述维修拆装序列规划由层次关系表、多色集合结构树、改进蚁群算法组成，如图5所示，旨在获取最优拆装序列。

所述改进蚁群算法基于基础蚁群算法的并行性、正反馈性等优点，融合粒子群算法解决基础蚁群算法总迭代次数初期信息素累计缓慢导致运行效率低的缺陷，在迭代后期融合模拟退火算法，避免基础蚁群算法易出现陷入局部最优解的问题，改进算法实现流程如图6所示，改进蚁群算法的表达形式如下，

式中

η

式中w

所述人机实时交互包括操作正误反馈、拆装力反馈、作业分析，如图7所示，目的在于充分实现系统的可用价值。

所述碰撞检测、拆装序列规划、人机实时交互三者之间存在一定的关联关系，如图8，碰撞检测将零部件空间位置视觉信息传递给人机实时交互，并将拆装优先级、拆装路径信息作业于拆装序列规划；拆装序列规划将实时更新的零部件相对位置情况传递于碰撞检测，并将最优拆装序列作用于人机实时交互；三者将运算结果作用于交互设备。

优先地，所述数据库包括装配工艺、操作日志、维修原理、操作分析。

本发明工作过程：

用户进入虚拟培训系统后，与系统提供的UI界面直接交互，在交互界面中用户可通过系统主菜单选取相应的功能，进行某型火炮维修操作的拆装培训，具体功能选项如图9所示，包括火炮认知、维修拆装学习、维修拆装练习、维修拆装考试、数据信息查询等功能选取UI按键，还可以通过特定任务交互按键进入场景漫游、维修工艺学习、发动机等关键零部件的维修拆装操作界面；通过交互按键进入维修场景后，可切实的感受维修操作环境，如图10所示，在该维修场景中，可以实现对火炮维修对象的旋转、缩放、特定部件3D效果展示等操作，对维修对象进行充分的认知，还可以通过系统提供的“功能选择菜单”，进行各大部件的详细展示；也可通过键盘、HCT设备等进行场景漫游，利用交互设备选取场景中的模型，进入相应的关键部件拆装操作模块，如图11所示为变速器部件拆装培训主界面，利用内置碰撞检测、改进蚁群等算法，实现关键部件的维修拆装培训任务。

优先地，本虚拟培训系统总体架构如图12所示。

本发明开发系统实验验证：在相关专业随机挑选被培训人员，并随机分成三组，A组接受传统维修培训，B组使用虚拟维修培训系统，C组先通过虚拟维修培训系统自主学习后进行传统维修培训，培训一定时间后，三组被培训人员对特定故障进行现场维修，并记录各组的完成情况，评估培训效果。

表1对比实验数据统计表

各组现场维修记录情况如表1所示，可以得到C组掌握度最好，且培训体验满意度与成本投入均处于较好水平。通过调查问卷得知，虚拟维修系统培训弥补了传统维修培训可视化差、形式枯燥、培训周期长等缺陷，具有吸引注意力、激发学习兴趣的特点；其中，手机端系统呈现方式以其灵活易用、受众更广的优势受到广大使用者的欢迎。但传统培训方式中的实物操作过程是实体维修的直接体现，将其与虚拟培训相结合，可达到节约培训时间与成本、提高培训效率的目的。

本发明并不仅限于以上具体实施方式。本发明所述技术领域的技术人员，以对所描述的具体实施方式做多种修改、补充或采用类似的方式替代，在不偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围，都在本发明要求保护范围内。