車身修復VR 虛擬實訓系統平臺開發

曾 鑫

（武漢軟件工程職業學院， 湖北 武漢 430205）

0 引言

汽車車身維修技術課程是高等職業教育汽車維修類專業和汽車保險類專業學習的一門專業核心課程。 通過學習，使學生掌握汽車車身構造、拆裝與調整能力；熟悉汽車車身修復的各項工藝方法； 能正確合理運用工具設備，具備汽車車身鈑金、噴涂修復基本技能。 本課程的教學由于對設備、場地、教師實踐技能要求高，同時所需耗材成本特別高， 因此許多職業院校該課程的教學質量和教學效果均不是很好。

本文通過運用VR 虛擬現實技術，開發車身修復VR虛擬實訓系統平臺，有效解決設備價值高、耗材成本高、實訓場地大、教師技能要求高、安全操作風險大等教學難題，同時有效提高學生學習積極性。

1 研究內容

車身修復VR 虛擬實訓系統平臺以車身修復（鈑金）專業特定的專業教師、教學設計、工作場景、工作崗位打造三維可視化虛擬實訓課堂。 圍繞車身修復（鈑金）專業中各崗位典型工作任務，打造車身修復領域完整工藝流程，實現車身修復（鈑金）工作流程和項目流程的全沉浸式虛擬實訓。

2 硬件開發

2.1 控制機柜

控制機柜柜體符合人體工程學， 外觀接近汽車車身外形修復機原形， 使學習者在實際操作時能快速上手操作，約（50×70×145）cm，采用1.5～2mm 冷軋鋼板打造，內嵌22 寸高清工業級觸摸屏，箱體側邊設計有掛架，方便模擬器取放，如圖1 所示。 機柜的控制旋鈕采用真實的外形修復設備按鈕，能有效實現電流、速度、時間三種調節操作。

車身修復VR 虛擬實訓系統平臺針對車身修復中常用的設備，設計出三種體感模擬器，分別是二氧化碳氣體保護焊槍模擬器、 修復機槍把模擬器和雙面電阻點焊C型焊槍模擬器。 體感模擬器與真實焊槍和修復機槍外觀近乎一致，且重量相近，增強操作真實感。

圖1 車身修復VR 虛擬實訓系統平臺控制機柜Fig.1 Vehicle body repair vr virtual training system platform control cabinet

2.2 模擬器控制系統硬件

模擬器的控制系統主要包括五通道模擬器控制卡、數據采集模塊和上位機。

五通道模擬器控制卡主要實現控制焊槍模擬器、上位機、 控制旋鈕之間數據交換，為保證后期的功能拓展，能支持5 把或以上不同體感模擬器使用。

數據采集模塊共有48 高精度傳感器， 精度12 BIT；靜態精度0.02 度；動態精度0.2 度。 刷新率90 Hz；計算機接口：WIFI/USB3.0；可以準確判斷復雜的手勢，包括搓捻動作，對掌，屈伸；實時捕捉人手的運動，并同步驅動3D 動畫人手的運動； 也可以摸擬像鼠標對應用中的物體選取、移動、旋轉等操作；還可以模擬把人的姿態準確實時地傳遞給虛擬環境，而且能夠把與虛擬物體的接觸信息反饋給操作者。使操作者以更加直接，更加自然，更加有效的方式與虛擬世界進行交互，大大增強了互動性和沉浸感。

為增強現實體驗感， 焊槍模擬器與上位機必須有線連接，控制線纜材質長度2.5～3m 范圍，外表防水耐磨材質；焊槍模擬器的材質、外形及配重必須與現實生產中的焊槍一致。

2.3 虛擬現實系統硬件

虛擬現實系統的CPU 采用ARM Cortex-M0 處理器；配備USB HUB 控制器、SOC、睡眠模塊、正交編碼器、中矩器、降壓轉換器、模擬比較器、UART、SSI、通用定時器、I2S、I2C、CCP、高精度振蕩器、軸陀螺儀和加速度儀等外設。

為有效保證多媒體（音視頻）資源的真實效果，聲卡采用WM5102 音頻編碼器， 具備5.1 環繞立體聲輸出（3.5mm 插 座）、1x3.5 mm MIC/LineIn 輸 入、S/PDIF 5.1 Channel 數字音頻接口。

顯示器采用2 160*1 200 AMOLED； 視頻采用HDMI 1 080 p 高清數字視頻輸出；標準VGA 輸出，支持液晶顯示器顯示；TV-OUT 輸出接口；具備攝像頭接口。

可以適用C++，C#，JAVA 程序開發， 適合大多數3D虛擬現實軟件或者開發平臺，例如UNITY3D，VIRTOOLS，MULTIGEN VEGA，WTK，OSG，VRPN 等。

3 軟件開發

3.1 系統軟件

車身修復VR 虛擬實訓系統平臺的系統軟件開發包含系統平臺代碼編寫、軟件界面設計、真實場景和實際操作拍攝、實際數據采集、3D 建模制作、虛擬課堂場景開發等內容。

虛擬課堂依據實際工作崗位設置安全防護操作、工具設備使用、二氧化碳氣體保護焊、電阻點焊、外形修復機使用、車身板件更換、汽車門板修復、車身測量與校正、虛擬賽場等模塊，將控制器的射線，射向”進入模塊”下方的三角箭頭，確保三角箭頭呈高亮狀態，通過模擬器的扳機鍵確認，可以進入到所選擇的模塊，如圖2 所示。

3.2 AR 代碼編寫

車身修復VR 虛擬實訓系統平臺的開發代碼編寫中，基于實際崗位操作標準，從實踐操作中獲取大量經驗數據，設置了一系列的數據標準基點，使得軟件準確判斷學習者的操作，實時反饋接觸信息， 有效實現交互性。下面是截取的針對對象池的容量、對象池對象過期秒數、對象池優先級的代碼設計開發。

圖2 車身修復VR 虛擬實訓系統模塊選擇Fig.2 Module selection of vr virtual training system for body repair

3.3 虛擬課堂

虛擬課堂的開發依據專業教師、 教學設計、 工作場景、 工作崗位及工具設備， 以真實專業環境1：1 三維建模，與現實中保持一致。

工具設備選用實際車身修復工作過程中所需工具設備，運用VR 技術在虛擬課堂中實現“老師”現場講解及演示工具使用方法， 實現學習者通過虛擬課堂實現選擇和使用設備、安全防護操作、勞保穿戴等，通過字幕、聲音、3D 動畫實現真實性、趣味性和互動效果。

圖3 車身修復VR 虛擬課堂工具選用Fig.3 Selection of vr virtual classroom tools for body repair

針對具體的不同操作工藝學習， 以三維虛擬老師講解知識點、 現場演練達到教學效果。 內置真實的操作流程，引導學習者規范操作流程。

在練習模式中， 學生通過調節虛擬場景中設備和器材參數，選用不同工具、材料、設備，通過調節旋鈕調節到正確的電流、速度和時間，實現技能虛擬實訓練習。 通過此練習，能迅速學習會設備工具的使用，工藝流程的實踐操作。

虛擬課堂的設計中包含操作、設備參數設置錯誤報警指導和評分， 內置大量的實際操作數據進行對比分析評價。評測反饋系統實時記錄學員操作信息，測評效果真實。

3.4 系統要求

本系統為學習者帶來全沉浸式感受體驗， 提供關于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓使用者感受到身歷其境的體驗， 同時能夠自由的與該空間內的事物進行互動。 整個系統要求運行流暢、無卡頓效果，系統運行最低幀率數不得大于75 幀/秒。 系統中的移動、旋轉必需與現實動作實時快速準確同步， 操作同步延時響應不得多于30 ms，移動位移精度不得大于2 mm。

4 結束語

學生利用專業虛擬現實設備， 能在仿真的虛擬環境里扮演和體驗不同的崗位角色， 實現真實崗位的模擬輪訓，完成實訓任務的過程中學習專業的相關知識和技能，構建學生的知識體系與技能體系。 系統建設基于多元化理論的交互式教學平臺建設的基本思路和實現模式。 從課程資源、自主學習、仿真實訓、考試系統、國賽模式等方向由淺入深，方便教師教學，有利于提高學生的認知及實踐能力。