坦克構造與設計的視景仿真虛擬實驗教學研究

姚壽文，陳 巖

（1.北京理工大學車輛傳動重點實驗室，北京 100081；2.北京理工大學機械與車輛學院，北京 100081）

實驗是高校教學活動中一個必不可少的環節，尤其是對于工科學生，實驗教學環節更是至關重要［1－4］。北京理工大學軍用車輛工程專業隸屬武器類專業，主要教學和科研方向為軍用車輛設計和制造，為我國國防事業和兵器工業提供了大量的人才。該專業的實踐教學受經費、場地及實驗條件的限制，很多實車實驗和實物拆裝教學以及試車駕駛等都無法進行。此外，坦克動力特性實驗、懸架性能實驗、運動阻力通過性實驗等實踐類課程［5］占有教學課程的很大比重。這些實驗的特點是實車試驗費用高、車輛和場地維護保養繁瑣，大多數實驗只能是演示性的、學生無法親自進行的實驗。這樣就會導致教學的交互性差，學生缺乏實際的動手能力［6－7］。

將視景仿真技術應用到實際的教學環節，利用計算機輔助設計、虛擬樣機技術、虛擬裝配技術，構建三維視景仿真平臺教學實驗系統，借助虛擬漫游和人機交互手段，進行坦克虛擬實驗、虛擬拆裝、戰場仿真等內容的教學，可有效地提高學生的學習積極性，提升學生的專業知識水平，增強學生的自主創新能力和動手能力［8－12］。

1 視景仿真教學系統組成

根據功能的需求和分析，視景仿真教學系統選取了性能優秀、技術先進的硬件，搭建了集成化的兩通道視景仿真平臺。該平臺主要由計算機軟硬件子系統、投影子系統、中央控制子系統、交互子系統等幾個主要部分組成，如圖1所示。

圖1 視景仿真平臺教學系統硬件組成圖

該系統應用了先進的視景仿真技術，如高性能圖形處理和顯示、高亮度投影、顯示屏幕邊緣融合、色彩校正、光譜立體技術、集中式數據、觸感式音頻及光照控制、高保真度的多通道音頻和視頻回放等，具有一些顯著特點。

（1）計算機子系統具備強大的圖形處理、數據交換及計算能力。系統采用了PC－Cluster架構（如圖2所示），使系統更具擴展性、易用性和較好的維護性。該架構能多通道渲染、多通道投影，解決了大場景、大模型在單一計算機上無法渲染、渲染過慢和顯示細節粗糙等問題。

圖2 PC－Cluster架構示意圖

（2）采用了平板背投兩通道投影系統，實現了車輛1∶1的立體顯示，具備多細節特征展示、高分辨率等特征，具備16位精度的幾何誤差校正，通過投影機內部亮度傳感器和控制電路，保證2臺投影機間的亮度均勻一致，利用DynaColor技術保證了整個系統所有通道顏色空間的統一。

（3）利用先進的中控系統，實現了投影機、計算機、音頻、燈光、視頻及機電設備等系統整合于一體。同時，該中控系統也集成了虛擬外設，并可實現桌面式VR 與沉浸式VR 的快速切換。

（4）實現人機交互功能所需的虛擬外設齊全，能夠滿足位置跟蹤、漫游、立體圖像觀看和產品虛擬裝配操作等功能。主要由跟蹤定位裝置、立體眼鏡、數據手套及多通道音響系統等設備構成。

（5）本系統采用先進的光譜立體技術（INFITEC），通過采用高質量的光波段過濾技術產生分離的左右眼圖像，從而實現立體顯示，具有適合多種類型的屏幕、不需要發射器及左右眼圖像不閃爍的優點。此外，INFITEC 眼鏡很好地解決了同時觀看立體圖像與LCD 屏幕二維圖像時人眼不適應的問題。

本文將視景仿真實驗室的硬件設施與傳統的教室教學結合起來，并對Virtools、Vortex等三維軟件進行開發，構建了三維虛擬實驗室漫游與在線交互學習系統，如圖3所示。

2 視景仿真實驗教學系統特點

北京理工大學視景仿真實驗教學系統的建立和應用，初步形成了具有鮮明專業特色和學科特點的教學體系、實驗教學方法、實驗教學隊伍和實驗室管理模式。作為創新試驗基地，虛擬教學實驗室的特色體現在以下幾個方面。

（1）服務專業與服務全校相結合。視景仿真實驗室相關的教學和科研活動，大多屬于車輛工程與計算機虛擬現實技術的交叉學科范疇。為充分利用開放實驗室資源，在專業教學課程的基礎上，面向全校開設了2門實驗選修課。它一方面作為“坦克學”課程的補充和完善，另一方面也可以增強專業影響力，作為北京理工大學特色專業的一個對外窗口。

圖3 視景仿真平臺與在線教學的融合

（2）工程實踐思維的培養。視景仿真實驗室的相關實驗教學設置，非常注重培養學生對特定工程問題進行分析、調研、討論、操作、解決的能力，將對研究生教育的方法提早讓本科生接觸，為學生盡早融入科研隊伍、熟悉創新性研究基本流程和團隊氛圍、樹立工程實踐思維打下基礎。

（3）創新教學、科研融為一體的創新實踐隊伍的建設。視景仿真實驗室在對學生進行實驗課授課以外，歡迎有潛質進一步開發相關創新實驗項目，對項目有基礎、有興趣的學生加入項目組，讓他們提前參與正式科研項目或自擬有發展前景的實驗項目。這樣，一方面促進了創新實踐與科研、工程的緊密結合，另一方面也為原有科研隊伍提供了新生力量，增加了項目組的活力和創新性。

3 視景仿真實驗教學系統的應用

視景仿真實驗教學系統依托北京理工大學車輛傳動實驗室視景仿真平臺，可對坦克、裝甲車輛進行視景仿真模擬，主要進行坦克實車虛擬拆裝、加速性等動力學實驗、通過性等機動性實驗以及虛擬駕駛的虛擬教學實驗，可輔助教師完成“坦克設計”、“坦克構造”等課程教學任務。

3.1 坦克虛擬拆裝

通過Pro／E 等三維建模軟件并結合3ds MAX、Virtools等三維渲染動畫軟件，在視景仿真平臺中建立沉浸式的虛擬裝配環境，以沉浸式三維交互操作進行坦克整車及零部件的虛擬拆裝（見圖4）。在教學過程中，教師能夠以多角度、多視圖、三維立體的形式講解坦克的構造，以直觀的三維立體效果展示整車系統的工作原理。通過虛擬的拆裝演示及交互操作，既可讓學生深入掌握車輛內部結構和裝配情況，又能讓課程直觀化、逼真化，同時提高了教學效果和學生的理解效果。

圖4 虛擬環境下坦克拆裝模型

3.2 坦克動力學實驗

車輛動力性能的主要評價指標為車輛的最高車速、加速性能和爬坡性能。在視景仿真虛擬教學實驗系統中，應用Vortex軟件建立坦克車輛的三維模型，并進行動力學仿真（見圖5）。結合視景仿真系統的三維直觀顯示以及鍵盤等外設的交互操作，可使學生直觀、充分地了解坦克的動力學性能。

3.3 坦克機動性實驗

坦克機動性分為戰役機動性和戰術機動性：戰役機動性是指裝甲集團軍的機動性；而戰術機動性以坦克的加速性能、轉向性能和通過性能等為主。本教學實驗基于虛擬環境建立車體、履帶模型以及實驗用路面模型，并選擇合適的實驗車速進行機動性仿真實驗，從而得到反映坦克機動性的實驗數據，最終在視景仿真系統中讀取這些數據，完成通過性虛擬實驗（見圖6）。

圖5 坦克行駛動力學實驗顯示

圖6 坦克通過性虛擬實驗視景仿真

3.4 裝甲車輛的虛擬駕駛

軍用車輛工程專業課程設置中包括坦克、裝甲車輛的駕駛實習，視景仿真系統中的虛擬駕駛主要利用三維動畫制作軟件Virtools［13－14］對坦克、裝甲車輛虛擬模型進行編程（見圖7）和鍵盤式交互操作完成。

圖7 裝甲車輛交互式操作部分腳本程序

4 結束語

將視景仿真技術和虛擬實驗運用于課堂教學之中，是將實驗教學與課堂理論教學有機結合的一種新的教學嘗試。將虛擬教學的實時性、便捷性與視景仿真的交互性和沉浸性相融合，滿足了傳統的專業實驗教學改革和創新的需要。通過視景仿真實驗教學系統的創新實驗項目，加深了學生對坦克、裝甲車輛構造與設計等課程和虛擬現實技術基礎理論的理解，同時在實驗課進行的過程中，穿插集中介紹實驗中必需的基本原理和坦克設計的基本思想，從而使實踐教學和理論教學有機融合，可有效地鍛煉學生解決工程問題的實踐能力和創新思維能力。

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