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基于虚拟人的导弹维修演示训练系统设计
2012年3月31日    评论:    分享:

    来源:第三维度
    作者:李石磊 ,谭庆,邓福平,何波
    单位:国防科技大学机电工程与自动化学院
          63981 部队装备处
          武汉军械士官学校弹药导弹系

    摘 要 :针对导弹实装维修训练所面临的难题,基于微机平台,提出了结合虚拟现实技术和虚拟人技术进行导弹维修演示训练系统开发,给出了系统的框架体系结构,详细介绍了系统的主要功能模块,基于DI_Guy软件,结合动画软件基于动作数据读取方式实现了虚拟人的复杂动作生成与控制。系统直观、形象,对于维修训练系统开发具有重要的参考价值。

    0 引言

    长期以来我军对装备维修操作人员的训练大多是在实装上进行,并且多是在装备部署到部队以后才由院校或有关单位组织实施,这种训练模式在新的历史条件下存在下列问题:

    (1)结合实装操作进行维修训练,其数量/型号和训练场地/环境有限,受训人员的数量和操作时间难以保证,训练效率低下。

    (2)新装备功能结构复杂,造价昂贵,难以全面及时装备部队,造成部队训练工作的严重滞后。

    (3)结合实装进行维修训练,所遇故障和所能体会的维修操作和技术有限,仅限于简单的拆装/故障预设,而对故障检测这一维修训练的重要内容实际操作甚少或者根本没有条件涉及。

    某新型地地导弹武器系统是陆军的“杀手锏”武器,为提高部队战斗力水平奠定了坚实的物质基础。但是由于武器系统复杂、高新技术应用较多,综合保障研究还处于论证阶段,保障方式、人员培训、维修训练等方面还存在许多制约因素。针对现实应用需求,本文设计实现了某导弹虚拟维修演示训练系统,通过计算机生成3D 实时交互虚拟场景来仿真各种实训装备和环境,采用“虚拟人修理虚拟装备”的方式进行维修动作演示,不但可以进行拆装训练,而且可以模拟各种极限和故障状态,为导弹的维修训练提供先进的模拟实验环境。

    1 系统开发平台选取

    虚拟维修是以计算机技术与虚拟现实技术为依托,在由计算机生成的、包含了产品数字样机与维修人员3D 人体模型的虚拟场景中,通过驱动人体模型(包括采用人在回路的方式)来完成整个维修过程仿真的综合性应用技术。尽管有许多开发工具都可以提供基本的虚拟维修性能,但是,没有任何一个软件可以独立实现所有的功能。因此,最终的解决办法是将多种工具组合在一起共同满足虚拟维修要求。

    国内现有的大部分武器装备虚拟维修训练系统在虚拟维修样机建模时多基于商业CAD软件如Pro/E、Solidwords、UG 等,这些软件建模功能强大,多用于机电系统的设计分析,模型数据文件不加转换直接应用于维修训练时冗余信息较多。基于以上考虑,在某导弹虚拟维修演示训练平台的开发实现中,采用了三维实时仿真建模软件Creator 进行导弹虚拟维修样机建模,辅助以系统的多媒体原理知识讲解来增强装备保障人员对导弹武器系统的直观认识。

    当前在虚拟人建模仿真方面多基于Jack 或DI_Guy 平台搭建。Jack 的主要优点在于其灵活性,逼真的人体及行为模型,特别是手、脊柱和肩等部位的模型。当连接虚拟现实外部设备如定位器和头戴显示器时,允许用户以真实人体的方式运动,并在环境中进行交互。Jack软件主要适用于人机工效评估,用于维修训练其效果的逼真性及推广移植性难以保证。

    DI_Guy 是由美国Boston Dynamics 公司于上个世纪九十年代初开发的人体交互仿真软件,被美国陆军、海军及支持开发工作的特种部队在模拟训练中使用。DI_Guy 通过本身提供的API 函数,可以产生不同的人体模型,并且赋予其不同的特征,甚至在人物间的转换中。它可以定义多种行为,而且DI_Guy 平台中的各种动作都定制封装,用户只需调用相应动作函数即可生成相应动作,但同时也带来了用户自定义的各种维修动作及修改原有动作参数以满足新的几何约束的难题。因此本文对虚拟维修训练的关键基础支撑技术虚拟人动作生成与控制方法进行了深入研究,利用Creator 基于多自由度节点的方式对人体复杂的关节链结构进行了逼真模拟,建立了虚拟人几何外观模型,结合动画软件,基于动作数据读取方式,实现了虚拟人的复杂动作生成与控制,使虚拟人几何特性和行为特性的逼真性都有所提高,增强了虚拟维修训练平台的教学效果。

    2 系统总体方案设计

    维修训练系统的主要目的是让装备维修保障人员掌握装备的构造、拆装、故障检测、故障诊断、维修方法等知识,如果开发一个完备的、沉浸式虚拟维修训练系统,开发难度大、周期长、所需的硬件设施价格昂贵,不适应基层作战部队的实际需求。因此,本项目采用桌面虚拟维修训练方案,硬件平台为小型微机网络、标准输入输出设备(显示器、鼠标、键盘),基于Web3D 技术构建分布式虚拟维修训练平台。系统的软件开发可分为三个层次:平台层、应用层、界面层,如图1 所示。

图1 维修训练平台软件开发层次结构
图1 维修训练平台软件开发层次结构

    平台层主要是指用到的操作系统和开发平台,应用层则是指为了开发本系统需要在内部预先进行的底层开发工作,它包括以下关键任务:建立实体模型、故障模型、训练数据库和开发仿真管理子系统。界面层是维修训练平台的人机交互界面,主要负责三维虚拟场景的实时显示。

    由于虚拟维修训练平台需要完成大量不同类型设备和过程的建模及行为仿真,涉及大量的数据管理与交互,因此系统采取开放式体系结构,各模块间有细分的功能及接口,便于并行开发。本方案采用面向对象仿真思想,遵循模型与试验、数据与应用相分离的设计原则,将整个软件系统体系结构划分为数据层、管理层和界面层,如图2 所示。

图 2 维修训练平台软件体系结构框架
图 2 维修训练平台软件体系结构框架

    3 系统主要功能模块及其关键技术

    (1)三维模型库:模型是对装备零部件、物理特性、工作原理、装配、运动学等方面全面真实的模拟,与工程实际相一致,而非简单的实体造型。三维模型是整个系统的基础,可利用特征造型技术、层次结构模型和模型简化技术实现模型数据的有效存储和管理,便于虚拟拆装、故障模拟、实时交互等功能的实现。基于故障模型库中的装备原理知识、维修训练数据库中的装配关系等知识,利用三维模型动态模拟装备工作运行过程,实现工作过程仿真,既可看到装备的整体动作仿真过程,又可看到相应部件的单步运行仿真过程。

    (2)故障模型库:该模块提供装备故障数据库表以及有关部件的工作原理、电路图纸、故障查询、故障过程演示、故障维修解决方法等多媒体教学资料。

    为使维修操作人员对装备的各种工作状态都能应对自如,达到真正的维修训练效果,设计时对装备每一部分都根据系统的工作原理及工况分析参数制定一张故障数据库表,表中主要分为设备代号、名称、故障等级、故障节点、状态参数等几个字段。在维修训练时可通过仿真管理子系统对系统状态进行自动设置或手动设置,自动设置由系统根据故障表中预先填入的常见参数随机决定此时系统是处于正常状态还是某种故障状态,受训人员在训练时根据系统仿真运行状况及有关仪表显示情况进行判断操作;手动设置需要用户进入故障数据库表选择任一故障状态进行设置,并可以添加、删除和修改原有设置以对自己的知识进行验证并实施处理。

    多媒体教学资料模块在具体实现时可利用FLASH MX、Photoshop、Premiere、Authorware、3D MAX 等多种媒体素材编辑工具制作出图像、音频、视频、动画等多种媒体形式供用户选择调用,并提供查询功能,当输入查询条件后,进入详细说明页面,该页面包括:文字表述框:详细说明故障发生的原因、解决的办法;部件模型:调用三维模型库,利用模型拾取技术使用户可以深入了解部件的内部结构原理;故障范例:以图片、动画的形式演示故障发生演变过程,在系统中以文档或控件形式调用;相关主题:联想查询相关内容。

    (3)维修训练数据库: 该模块是实现虚拟维修训练的核心,有以下两方面内容:

    ①维修过程仿真演示:采用三维视景仿真技术实现维修过程中装备各部件的检测、拆卸、装配过程演示,受训人员可以从不同角度看到相应部件完整的拆卸、装配过程,并可以多次重复进行。

    ②维修训练:调用所需模型实例,进入训练平台并完成故障检测、诊断、虚拟拆卸、装配等实践。对训练结果的评估,可通过仿真管理子系统调用对比模块,自动完成训练结果文档与正确文档的对比,显示差异和错误。系统可提供单步提示、无提示、考核等多种训练模式,满足不同层次的用户需求。

    在维修训练数据库的设计中,重点研究装配过程建模方法和装配约束关系的知识表达方法,装配约束关系的表达方法要满足装配操作流程中约束的几何关系、零部件之间的配合关系以及装配操作引起的装配体位姿变换的要求等。

    (4)仿真管理子系统:完成整个系统的协调与管理工作,负责数据层和界面层以及数据层不同数据模块之间的交互,并完成故障预设、中间数据记录、结果评估、过程回放等功能。

    (5)人机交互界面:采用浏览器工作模式,用动态网页设计技术进行功能选择和运行功能向导,用户可根据不同需要调用不同的训练科目,采用Web3D 技术实现三维场景的实时显示,系统操作简单、方便,易于使用和推广。

    整个软件系统既可置于一台计算机(单机版),也可置于不同的计算机组成网络同时进行多人次、不同科目的维修训练。采用分布式交互仿真技术和分布式数据存储技术完成整个系统的通信与数据管理,此时仿真管理子系统应置于服务器端,同时在训练中由于故障模型库需要教练员的配置与管理,且在使用过程中需要根据实际装备的故障情况进行不断的扩充与完善,因此也置于服务器端。

    4 虚拟人动作生成

    虚拟维修有两种实现方式:

    (1)完全通过人体模型的控制算法来驱动模型完成维修操作仿真。这种方式可称之为“虚拟人员修理虚拟产品”。

    (2)引入VR 外设来控制人体模型动作,即人在回路的仿真方式,这属于“真实人员修理虚拟产品”的应用模式。

    为降低系统成本,本文采用“虚拟人员修理虚拟产品”方式进行标准维修动作的演示生成。当前虚拟现实应用中3D 虚拟人运动效果一般基于骨架运动学的方法生成。人体关节之间由骨骼相连,骨骼之间通过关节的相互连接构成骨骼树,即骨架。在某一时刻,给定骨架根关节的位置和各关节旋转角度,即可确定人体各段骨骼的位姿,称为虚拟人体动作的关键帧。可认为关键帧是人体骨架在某一特定时刻的配置,该配置决定了骨架中的每一骨骼的旋转姿态。在生成各关键帧后,通过插值方式生成中间各帧骨骼姿态。最终基于骨骼蒙皮(skinning mesh)方法通过骨骼改变几何外观模型,生成人体动作效果。

    基于虚拟人动作生成方法研究现状,本文采用手工编辑和运动捕捉相结合的方法生成人体运动数据,某些人体动作数据文件如行走、奔跑等可直接从网络上下载;但根据应用系统需求定制的动作数据文件往往需要自行开发,本文基于3D 人体动作建模软件Poser7.0 开发生成。

    主要步骤如下:

    (1) 建立人体骨架—外观关联模型首先利用3D 建模软件Creator 生成DI_Guy 及Vega 所支持的3D 虚拟人体模型(*.flt格式),一般只需对DI_Guy 原有人体模型进行几何外观及关节DOF 节点位置定制处理,以提高系统开发效率。然后利用Poser 导入虚拟人体模型,此时只有以三角面片表示的几何外观模型,关节DOF 节点信息丢失,因此需要利用Poser 7 的Setup Room 提供的骨架生成工具进行骨架设计并与几何外观模型绑定(rigging character)。

    (2) 生成关键帧姿态Poser 中有两种方法可用于控制身体相应关节的姿态,一种是使用编辑工具在文档视图中用鼠标对关节直接进行拖动;另一种是在参数面板中通过对每一个关节的姿态参数输入确定的数值进行调节。两种方法都可直接在文档视图中直观地观察到姿态结果,方便地生成各关键帧骨架姿态。

    (3) 导出数据文件制作出各关键帧姿态后,Poser 可自动对关键帧姿态进行插值生成人体动画,此时可直接在Poser 文档视图中观察虚拟人动画效果,对于中间某帧不太理想的人体姿态可以再次进行编辑修改,最终生成逼真、流畅的人体动作后,可通过Poser 导出工具生成BVH 格式的标准动作捕捉数据文件,用于DI_Guy 环境下虚拟人动作的实时数据驱动。

    (4) 动作数据的读取在得到与DI_Guy 中虚拟人体模型相匹配的运动捕捉数据文件后,即可在Vega 环境下读入数据文件,基于DOF 节点实现虚拟人体模型的实时数据驱动,完成应用系统中用户定制动作的添加生成。

    由于Vega 中基于DOF 节点实现人体姿态的变形,DOF 节点等同于Poser 中的关节点,因此在运动数据读入时不需对数据文件进行解析操作,即不需进行从当前节点一直到根节点所有相对变换矩阵的相乘操作,可直接读入旋转角度数值按规定旋转次序赋给DOF 节点,程序设计简便,应用系统运行效率几乎不受影响。

    5 结束语

    本文作者创新点:综合虚拟人技术、虚拟现实技术、视景仿真技术、多媒体技术,基于普通PC机采用“虚拟人修理虚拟装备”的方式为导弹武器系统的维修训练建立模拟训练环境。考虑虚拟维修应用的实际需求,基于手工编辑生成和运行过程中实时读取数据文件的方法,解决了虚拟维修演示训练系统中对虚拟人特定动作生成与控制的实际需求。

    参考文献:

    [1] 王乘,李利军,周均清等,Vega实时三维视景仿真技术[M]. 武汉:华中科技大学出版社,2005.

    [2] 马立元,谢建华,张睿,某型导弹虚拟训练系统中虚拟人运动控制的实现[J] 计算机工程与应用,2005.11:205-207

    [3] 王乘,周均清,李利军,Creator可视化仿真建模技术[M]. 武汉:华中科技大学出版社,2005.

    [4] 叶洪涛,Poser基础教程,北京:清华大学出版社,2005

    [5] 耿卫东,陈为.计算机游戏程序设计[M].电子工业出版社,2005.3

    [6] 徐孟,孙守迁,潘云鹤.虚拟人运动控制技术的研究[J].系统仿真学报,2003,15(3):338-342.

    [7] 谢建华,马立元,张睿等,基于DI_Guy的某型导弹虚拟操作训练环境设计[J]. 计算机仿真,2005,22(3):66-68

    [8] 邹震,Poser4 三维动画设计-战神篇[M],北京:国防工业出版社,2004

    [9] 董博,马立元,罗婧. 基于MFC 的Vega 应用程序设计[J].微计算机信息,2006,22(2-1)264-265

    [作者简介]

    李石磊 (1980.04-) 男 (汉族),博士研究生,研究领域为虚拟现实虚拟人动作生成与控制。
    Biography: Li Shilei(1980.04 一),Male, PhD candidate, Major in virtual reality and virtual humanmotion generation and control

    谭庆 (1980.01 - ) 男(汉族),工程师,研究领域为装备维修保障。
    Biography:Tan Qing (1980.01-),Male, engineer, research in equipment maintenance and safeguard

    邓福平 (1979—),男,汉族,讲师,研究领域为装备维修保障。
    Biography:Deng Fu-ping (1979.01-),Male, lecturer, research in equipment maintenance andsafeguard

    何波 (1978—),女,汉族,讲师,研究领域为装备维修保障。
    Biography:He Bo (1978.01-),Female, lecturer, research in equipment maintenance and safeguard

标签:虚拟人导弹军事维修
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