劉正春 王 勇 安 樹 薛海鵬

1.軍械工程學(xué)院電氣工程系 河北石家莊 050003

2.南京陸軍指揮學(xué)院戰(zhàn)役戰(zhàn)術(shù)系 江蘇南京 210000

隨著武器裝備信息化程度的提高，電氣系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，因此對(duì)裝備電氣教學(xué)訓(xùn)練提出了更高的要求。目前，裝備電氣教學(xué)一般是采用書本教材、掛圖結(jié)合實(shí)裝的方式[1]，但這種方式面臨諸多問(wèn)題：

(1)電氣設(shè)備連接關(guān)系復(fù)雜，一張電路圖往往涉及多個(gè)電氣設(shè)備，而這些設(shè)備在武器裝備內(nèi)部又并非在同一空間位置；

(2)在訓(xùn)練場(chǎng)地進(jìn)行實(shí)裝教學(xué)，不易于學(xué)生理解電路原理；而在課堂上脫離實(shí)裝學(xué)原理，又難以弄清電子元器件在裝備上的具體位置；

(3)由于裝備數(shù)量和訓(xùn)練場(chǎng)地有限，學(xué)生的操作實(shí)踐難以保證，訓(xùn)練效率低下；

(4)裝備電氣功能結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)昂貴，對(duì)裝備的拆卸容易造成設(shè)備損壞。

因此，需要從裝備電氣教學(xué)的手段和方法上進(jìn)行創(chuàng)新，開發(fā)符合學(xué)生實(shí)際需求的教學(xué)設(shè)備和手段。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的迅速發(fā)展，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)裝備電氣教學(xué)系統(tǒng)可以解決傳統(tǒng)教學(xué)的諸多問(wèn)題，能極大提高學(xué)習(xí)效率，對(duì)培養(yǎng)“技指結(jié)合”的學(xué)生、提高學(xué)生的裝備維修能力有著重要意義。

1 “武器裝備電氣系統(tǒng)”虛擬教學(xué)系統(tǒng)

我教研室開設(shè)的武器裝備電氣系統(tǒng)系列課程包括電氣原理、故障診斷和模擬訓(xùn)練3個(gè)子課程。為了將原理教學(xué)和訓(xùn)練教學(xué)更加緊密地聯(lián)系起來(lái)，開發(fā)了武器裝備電氣系統(tǒng)虛擬教學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由電氣原理、虛擬裝備結(jié)構(gòu)、虛擬電路板和虛擬儀器四大功能模塊組成(如圖1所示)。

圖1 “武器裝備電氣系統(tǒng)”虛擬教學(xué)系統(tǒng)功能模塊圖

(1)電氣原理模塊主要展示傳統(tǒng)的電氣教學(xué)元素，包括裝備電氣原理講解、電路圖瀏覽、視頻、課件的播放等。

(2)虛擬裝備結(jié)構(gòu)模塊主要用于裝備外觀、內(nèi)部結(jié)構(gòu)的教學(xué)，學(xué)生可以在裝備內(nèi)部進(jìn)行虛擬漫游，熟悉電氣設(shè)備在裝備內(nèi)部的空間位置，也可以對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行分解、結(jié)合，掌握電氣設(shè)備的正確拆裝步驟。

(3)虛擬電路模塊用于模擬實(shí)際電路板的電氣屬性、連接關(guān)系、測(cè)試熱點(diǎn)等，學(xué)生通過(guò)與界面的交互，了解電路原理圖與實(shí)際設(shè)備的對(duì)應(yīng)關(guān)系。例如點(diǎn)擊原理圖上的某個(gè)元器件，便可查看該器件具體位于哪個(gè)電氣箱體的哪塊電路板上以及它其他元器件的實(shí)際連接關(guān)系如何。

(4)虛擬儀器模塊用于模擬實(shí)際儀器的測(cè)試效果，可以對(duì)虛擬電路板上的測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行電氣測(cè)試，并能模擬實(shí)際儀器的換擋、讀數(shù)和波形等，避免了真實(shí)測(cè)試操作的危險(xiǎn)性和破壞性。

系統(tǒng)采用Borland Delphi 7.0編程工具與Cult3D三維虛擬技術(shù)，實(shí)現(xiàn)裝備電氣教學(xué)的動(dòng)態(tài)交互設(shè)計(jì)，完成三大虛擬模塊的功能需求。

2 虛擬教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

3DS Max和Cult3D是兩個(gè)不同的應(yīng)用軟件平臺(tái)，裝備電氣三維模型的建立是在3DS Max軟件上完成(格式為“*.max”)，模型交互動(dòng)作是在Cult3D軟件中編輯完成的，最終具有交互動(dòng)作的產(chǎn)品(*.co)要發(fā)布到Delphi軟件平臺(tái)上使用。Cycore公司提供的Cult3D Exporter和Cult3D Viewer兩個(gè)插件分別用于3DS MAX向Cult3D Designer(*.max－＞*.c3p)和Cult3D Designer向Delphi(*.c3p－＞*.co)3個(gè)軟件平臺(tái)接口的格式轉(zhuǎn)換(如圖2所示)。

圖2 軟件平臺(tái)間格式轉(zhuǎn)換示意圖

武器裝備電氣系統(tǒng)虛擬教學(xué)系統(tǒng)采用3DS Max+Cult3D+Delphi來(lái)實(shí)現(xiàn)學(xué)生與模型的交互，具體方法如下：

2.1 構(gòu)建靜態(tài)模型

教學(xué)系統(tǒng)的虛擬環(huán)境首先要構(gòu)建被觀測(cè)對(duì)象的靜態(tài)模型，即某型號(hào)裝備電氣系統(tǒng)的三維模型，使其能夠逼真地展現(xiàn)實(shí)裝備電氣設(shè)備的外觀。本系統(tǒng)采用3DS Max 2010軟件制作模型的立體幾何形態(tài)和外觀材質(zhì)，細(xì)節(jié)部分的材質(zhì)采用實(shí)物照片貼圖方式，從而生成電氣設(shè)備的三維靜態(tài)模型文件，即“*.max”文件。

2.2 動(dòng)態(tài)模型設(shè)計(jì)

為了使學(xué)生更加直觀地理解裝備電氣系統(tǒng)的構(gòu)成、連接關(guān)系和組裝方式，需要對(duì)靜態(tài)模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)換成動(dòng)態(tài)模型，提高學(xué)生的操作興趣和虛擬現(xiàn)實(shí)的沉浸感。

Cult3D是Cycore公司開發(fā)的一種3D網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它可以把圖像質(zhì)量高和速度快的交互、實(shí)時(shí)物體送到所有因特網(wǎng)用戶手上。Cult3D技術(shù)可以做到檔案小、真實(shí)互動(dòng)、跨平臺(tái)運(yùn)用，并有優(yōu)秀的三維質(zhì)感表現(xiàn)[2]。

本系統(tǒng)采用Cycore公司提供的Cult3D Exporter插件將“*.max”文件轉(zhuǎn)換為Cult3D Designer軟件可以操作的“*.c3p”文件。

在Cult3D Designer里對(duì)靜態(tài)模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、縮放和拖動(dòng)的動(dòng)作設(shè)計(jì)，針對(duì)不同的模型，設(shè)計(jì)XYZ坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)軸點(diǎn)、鼠標(biāo)敏感度和響應(yīng)速度；并且通過(guò)制訂模型配件的約束路徑，設(shè)計(jì)用戶對(duì)設(shè)備的拆卸動(dòng)作。圖3是Cult3D Designer軟件中對(duì)某電氣設(shè)備拆分動(dòng)作的映射圖。

圖3 拆分箱體動(dòng)作設(shè)計(jì)映射圖

動(dòng)態(tài)模型生成的最終文件輸出為(*.co)壓縮文件，該格式文件占用空間小，可嵌入HTML網(wǎng)頁(yè)或 Word，PPT，Acrobat等多媒體應(yīng)用軟件中。

2.3 教學(xué)系統(tǒng)交互功能的實(shí)現(xiàn)

武器裝備電氣系統(tǒng)虛擬教學(xué)系統(tǒng)采用Borland Delphi 7.0軟件開發(fā)，并選用ActiveX技術(shù)完成對(duì)“*.co文件”(動(dòng)態(tài)模型)的調(diào)用。

ActiveX控件是一組采用COM(Component Object Model，部件對(duì)象模型)使得軟件部件在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進(jìn)行交互的技術(shù)集，可嵌入到包容器宿主應(yīng)用程序中，與開發(fā)平臺(tái)無(wú)關(guān)[3]。本系統(tǒng)采用顯示調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的方法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)模型到Delphi軟件平臺(tái)的嵌入。

3 應(yīng)用情況和實(shí)踐效果

學(xué)生在學(xué)習(xí)武器裝備電氣系統(tǒng)的電氣系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)時(shí)，可使用本系統(tǒng)的虛擬裝備結(jié)構(gòu)模塊，瀏覽電氣設(shè)備在裝備上的空間位置，并直接進(jìn)行拆裝操作。圖4所示為學(xué)生對(duì)某電氣設(shè)備的拆裝過(guò)程，可在提示模式下根據(jù)提示步驟進(jìn)行操作，也可在考核模式下進(jìn)行考核。

圖4 某電氣設(shè)備的拆裝過(guò)程圖

圖5 虛擬萬(wàn)用表對(duì)某虛擬電路板的測(cè)量過(guò)程圖

學(xué)生在學(xué)習(xí)電路原理時(shí)，可通過(guò)電路圖直接切換到虛擬電氣設(shè)備中進(jìn)行電氣連接關(guān)系查看，也可以直接對(duì)設(shè)備的正常狀態(tài)或故障狀態(tài)下進(jìn)行虛擬測(cè)量。圖5所示為學(xué)生使用虛擬萬(wàn)用表測(cè)量某虛擬電路板。

武器裝備電氣系統(tǒng)虛擬教學(xué)系統(tǒng)提供了逼真的學(xué)習(xí)交互環(huán)境，使電氣知識(shí)更加形象化，克服了二維電路圖、照片等局限，在教學(xué)中能讓學(xué)生有身臨其境的感覺(jué)。Cult3D技術(shù)的引用使該系統(tǒng)具有較好的開放性和良好的網(wǎng)絡(luò)傳輸性，可為學(xué)生提供課余時(shí)間的練習(xí)機(jī)會(huì)，能較好地培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手操作設(shè)備儀器的能力，可縮短學(xué)生實(shí)裝操作訓(xùn)練的時(shí)間, 提高訓(xùn)練效率；同時(shí)可防止裝備在不當(dāng)操作中的損壞和由于頻繁使用造成的零件磨損，減少訓(xùn)練經(jīng)費(fèi)的開支。

在教學(xué)實(shí)踐中，分成A，B兩組學(xué)生進(jìn)行教學(xué)，A組運(yùn)用武器裝備電氣系統(tǒng)虛擬教學(xué)系統(tǒng)，B組不運(yùn)用。對(duì)這兩組學(xué)生進(jìn)行的調(diào)查可以發(fā)現(xiàn)，有條件(接觸網(wǎng)絡(luò)，有計(jì)算機(jī))且應(yīng)用武器裝備電氣系統(tǒng)虛擬教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行操作練習(xí)的學(xué)生，在實(shí)裝訓(xùn)練過(guò)程中，其積極性、出錯(cuò)率、訓(xùn)練成績(jī)等方面和其他學(xué)生明顯不同，其動(dòng)手能力和空間想象能力也明顯高于其他學(xué)生。

[1]何嘉武,賴煜坤.武器裝備虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].科技導(dǎo)報(bào).2010,28(24):71-74.

[2]蘇威洲,童仲豪,葉翰鴻.實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)三維互動(dòng)：Cult3D應(yīng)用指南[M].北京:清華大學(xué)出版社,2001.

[3]梁水,李方超,賽奎春.Delphi開發(fā)技術(shù)大全[M].北京:人民郵電出版社,2007.