装备VR虚拟维修培训系统以实际装备维修训练为研究对象，利用三维建模、虚拟现实等技术，构建一个具有高度真实感的三维虚拟培训环境，可进行用于虚拟训练、维修培训和考核评估的等，解决了装备保障中存在的训练成本高、效率低以及训练科目覆盖率低等难题，提升了装备的使用维护能力和维修维护保障效率。

1. 装备VR虚拟维修培训系统关键技术

1.1 装备VR虚拟维修培训系统架构

为了使培训人员能够通过装备VR虚拟维修培训系统达到与装备实装训练相同的训练效果，不仅需要在虚拟现实环境中逼真地还原装备及操作环境，还需要准确地还原装备的操作行为和操作过程。其中，装备及操作环境的还原可通过三维建模来实现，而操作行为和操作过程，需要通过对装备的实际操作方式及操作流程进行调研和分析，将其与虚拟现实交互设备相融合，采用自然的交互方式实现对操作方式及操作流程的还原。

1.2 三维建模

三维建模是虚拟训练系统设计的核心，三维数据库又是整个虚拟现实系统三维场景的建模基础，三维数据格式对虚拟现实系统的运行质量有极大的影响。建模依据操作训练系统中的产品模型、过程模型、环境模型以及它们之间的关系进行，其质量直接影响虚拟训练仿真的效果。选取合适的图形、仿真平台，在此基础上构建既有逼真显示效果的三维模型，又保证三维数据的轻量化、准确性，从而降低虚拟仿真对计算机硬件的性能要求，提高虚拟仿真的效率。

1.3 虚拟环境建模

维修训练系统的操作过程涉及不同操作导致的装备状态变化，因此需要建立具有真实感的虚拟环境。主要包括：根据操作过程模型、虚拟样机及工具行为和状态控制模型、操作手操作实时刷新虚拟环境，将虚拟样机状态的改变实时显示出来；生成真实的操作环境和特征物；将虚拟样机、工具及操作手模型置入虚拟环境。

1.4 人机交互技术

良好的人机交互形式是虚拟训练系统重要的功能之一，交互式虚拟操作能让用户获得实装训练的真实体验。主要包括：根据建立起来的真实用户与虚拟操作手间的运动映射关系，对用户运动进行跟踪；采用碰撞检测方法对虚拟环境中发生的碰撞行为进行监测；由碰撞处理形成的信号输出，发出变更碰撞对象显示颜色请求，以明确动作影响的对象。

2. 装备VR虚拟维修培训系统开发

装备VR虚拟维修培训系统分为业务层、数据层和设备层。设备层为硬件部分组成，业务层和数据层为软件部分。

（1）业务层主要提供系统管理和技术支撑，实现系统管理、场景漫游、模型预览、互动培训、虚拟训练、考核评估、联机训练等功能；

（2）数据层主要提供装备模型库、训练场景库和业务规则库，为上层应用提供数据支撑；

（3）设备层主要为人机交互提供硬件支撑，包括VR头盔、控制手柄、定位器、图形工作站、应用服务器、投影仪等。

2.1 业务层（装备VR虚拟维修培训系统软件）

业务层主要通过装备VR虚拟维修培训系统软件实现，包括互动培训、虚拟仿真训练、考核评估、场景漫游、虚拟仿真教学管理、联机训练等模块。通过设计算法实现实时处理动捕数据并重新定向到虚拟模型，并驱动模型运动，进行虚拟维修操作训练。利用VR技术创建装备维修训练虚拟环境，通过对虚拟装备进行维修训练，掌握装备维修的工作原理及操作过程，与实装相比具有降低训练费用、缩短训练时间、丰富训练种类、模拟实装考核等特点。

2.1.1 互动培训模块

互动培训模块包括功能组成、战技术指标、工作原理和部件认知。以三维动画、视频、文字、图片、电子课件等方式，系统展示装备的功能组成、战技术指标和工作原理等相关知识内容，使维修人员能够更加直观形象地学习装备专业理论知识、掌握装备技术战术性能、熟悉装备工作原理。

部件认知模块通过人机交互形式进行装备教学，按照结构和功能将装备各部组件进行立体式展现，用户可以通过交互控制方式（放大、缩小、旋转）对各部组件进行认知和学习。当用户操纵手柄点击相应部组件时，软件会对部组件高亮显示并放大，帮助用户进行近距离的认知，同时软件会配置文字、语音等向用户介绍各部组件功能。

2.1.2 考核评估模块

考核评估模块包括理论考试、实操考核、考核评估和统计分析，用于实现对维修人员的训练考评管理，包括考核题库管理、试卷管理、机上考试、自动阅卷、试卷分析、查询统计功能等。

（1）理论考试时，区分为自测和统一考核，可根据不同的装备型号专业对考卷进行分类管理，考核时可设置考核范围、考题数量和考核时间等。考核结束后，可区分四级制（不合格＜60分、60≤合格＜70、70≤良好＜90、优秀≥90分）和百分制，对考试成绩进行自动评判。

（2）实操考核时，用户在虚拟环境中按照虚拟维修流程，在维修路径上进行移动，接近虚拟设备，调整维修姿态，对虚拟设备进行拆装、移动、更换等操作。此外，用户还可以对虚拟环境中的物体进行拾取、标记等。在该过程中，根据制定好的维修核查项目、内容以及标准，结合虚拟环境中捕捉到的数据，对维修操作的正确性进行核查评判。

2.1.3 虚拟仿真训练模块

虚拟仿真训练模块包括虚拟操作训练、虚拟维修训练、双人协同训练和视角切换功能。通过分析装备操作使用、维修任务及过程，对操作对象、修维对象、维修步骤以及维修保障资源（如维修工具、辅助工装、维修备件等）进行梳理，基于对实际维修过程的分析，确定虚拟维修仿真实施方案，包括对虚拟操作、维修仿真中维修部件的确定、维修路径的规划、具体维修步骤的建立以及维修保障资源的约定。

视角切换功能可任意的切换当前三维场景的观察视角，使观摩人员能够全面、立体、多角度的观察武器装备、维修设备、工具及作业现场，方便进行现场讲解分析。

2.1.4 场景漫游模块

场景漫游模块包括整车系统漫游和维修车间漫游。用户可以在设定的虚拟环境中进行漫游，以熟悉作业环境，移动模式可根据需要设定为自主、飞毯、瞬移等方式。

虚拟漫游的最佳体验状态是用户无法区分现实世界和虚拟世界。系统搭建虚拟场景，结合维修设备模型、工具模型以及操作人员模型，创建相关协同操作行为模型，模拟各种作业环境等虚拟体验场景。

2.1.5 虚拟仿真教学管理模块

 虚拟仿真教学管理模块包括人员信息管理、考试题库管理、试卷信息管理和电子课件中心。

（1）人员信息管理：提供人员信息的新增、修改、删除、禁用及查询统计功能；支持人员的批量导入、删除、禁用；支持多级别管理，支持用户组功能；支持人员的自由注册及审核功能。可修改个人信息，对个人用户信息的修改和维护，查看学习培训进度、学习任务进度信息、个人考试历史记录、试卷批改明细、个人学分及明细等。

（2）考试题库管理：支持各种题型的查询、维护、统计、分析、批量管理；支持Excel、Word、Wps、Txt等格式的批量导入；支持文字、图片、公式、上下标、符号、表格、音视频的混排及难易程度标记。

（3）试卷信息管理：支持人工/随机抽题组卷，支持计算机自动阅卷和人工阅卷；可按不同章节知识点、难易程度比例抽题，可按多种方式选择参考人员，可生成电子试卷机试，也可生成纸质试卷笔试，试卷重组、修改、审核、答卷明细的批量导出等功能。

（4）电子课件中心：随时能够维护更新，具备关键字检索功能。管理员上传的电子课件、动画、视频，用户可以自主学习。所有教学资源能够分类列入教学大纲，同时可以添加、修改、删除、上传、下载、浏览教学资料。教学资源包括课件、文本、图片、视频、多媒体、动画等类型。

2.1.6 联机训练模块

在教员端设置IC卡读卡器，每个学员都有一张包含个人信息的IC卡，通过IC读卡器的通讯协议读取IC卡实现联机，指定学员训练机型。

2.2 数据层（虚拟仿真模型库）

虚拟仿真模型包括装备总体布局模型、分系统及部组件模型、维修辅助工具模型等。对模型的主要需求如下：

（1）状态显示及辅助区主要用于显示当前状态、任务、提示、 警告等信息；

（2）场景制作工具统一采用3D Max；

（3）采用Direction Light类型的光源模拟太阳平行光照效果；在指定区域需要使用泛光灯作为辅助光照；

（4）动画时间具有可调节功能和循环播放功能；

（5）动画文件保存为.FBX格式，可满足Unity 3D调用；

（6）模型纹理贴图尺寸小于或等于1024×1024，大于256×256，在PS图像处理软件中采用变换、旋转等功能完成各类地物纹理的纠正，使得纠正后的纹理具有正视的效果。

2.3 设备层（开发、运行设备）

（1）VR头盔：用于维修操作时将虚拟场景呈现在维修人员的视场中，使维修人员具有身临其境的感觉。

（2）控制手柄：用于维修人员在虚拟场景中将维修人员的动作、位置、速度等信息捕捉到电子系统中，通过软件的解算，来驱动虚拟维修人员的运动，计算机可以获取手的位姿，手指的伸展状态等信息，进而控制虚拟手与虚拟场景进行交互，在虚拟世界中进行物体抓取、移动、装配、操纵、控制等操作。

（3）定位器：利用光学式动作捕捉系统对维修人员在虚拟场景中的动作数据进行采集，捕捉维修人员在虚拟环境中的运动数据。

（4）图形工作站：可满足系统运行的图形工作站，用于模型开发、虚拟仿真的运行等，完成互动培训、虚拟训练和考核评估以及任务分配控制和联机训练。

（5）应用服务器：构建小型局域网，用于系统管理与维护。

装备VR虚拟维修培训系统通过虚拟现实头盔及交互设备，使受训人员能够沉浸到计算机生成的虚拟现实环境中，并通过与虚拟装备系统设备进行人机交互操作，从而真正达到与实装训练同样的训练效果，可有效地为装备维修操作训练、故障检测训练和技术保障训练等提供先进的实验环境和模拟手段。