虚拟维修技术在车辆维修教学中的应用

摘 要将虚拟现实技术应用于车辆维修教学,开发车辆虚拟维修教学系统,对车辆维修教学具有重要意义；它有效解决了车辆维修教学中设备和场地的限制以及教学效率低等问题.文章以虚拟维修技术在车辆维修教学中的应用为研究对象,对虚拟维修技术的概念,虚拟维修训练系统的关键技术及现实意义作了介绍.

关 键 词虚拟技术维修教学

中图分类号：G64文献标识码：A文章编号：1002-7661（2013）03-0026-02

目前,车辆维修专业的教学普遍采用实车、实地教学,由于受到实车设备数量和复杂程度的限制,已不能完全满足教学训练需要,且结合实车进行教学训练的成本高、危险性大,并容易造成人为的机械故障,影响车辆的完好性.因此迫切需要现代化的教学和训练手段来解决目前存在的这些问题,促进车辆维修教学训练水平的不断提高.随着科学技术的迅猛发展,特别是计算机虚拟现实技术的发展,为解决这一问题提供了可行的办法.利用虚拟现实技术建立车辆虚拟维修训练系统得到了越来越多的高职院校的重视.车辆虚拟维修训练系统作为教学训练新模式,解决了实车教学训练设备不足的问题,可提供多人次、多场位的教学训练环境,节约了大量的训练经费和时间,大大提高了教学训练效益.

一、虚拟维修技术

虚拟维修技术是虚拟现实技术的发展分支,它综合计算机图形图像技术、传感器技术、人工智能等多项高新技术的应用,是实际维修过程在虚拟环境下的再现或预演,将使用者同虚拟的维修环境结合起来,并通过相关设备与虚拟环境进行交互,感知和操纵各种虚拟对象,从而获得身临其境的感受和体会.就目前的发展情况来看,虚拟维修技术一般可分为以下四大类.

1.桌面式虚拟维修仿真系统.桌面式虚拟维修仿真系统基本上是一套基于普通PC平台的小型桌面虚拟现实系统,适用于普通的PC机,对硬件性能要求不高,同时也不需要扩展外部硬件,移植性强,经济性好,且开发方式更加灵活,适用于高职学校车辆维修专业的教学仿真训练.

2.沉浸式虚拟维修仿真系统.沉浸式虚拟维修仿真系统是一套比较复杂的系统,需要扩展一些昂贵的外部硬件设备,使用者必须头戴头盔、手带数据手套等传感跟踪装置,才能与虚拟世界进行交互.一般用于沉浸性要求较高的军事装备维修训练,不适合大规模的教学训练.

3.增强现实性的虚拟维修仿真系统.增强式虚拟维修仿真系统是把真实环境和虚拟环境组合在一起的一种系统,它既允许用户看到真实世界,同时也可以看到叠加在真实世界的虚拟维修对象,这种系统既可减少对构成复杂真实环境的制造,又可对实际装备进行各种操作,真正达到亦真亦幻的境界,一般用于车辆生产研发阶段对车辆维修性的设计工作.

4.分布式虚拟维修仿真系统.分布式虚拟现实系统是利用远程网络,将异地的不同用户通过网络联结起来,多个用户同时参加一个虚拟空间,共同对同一虚拟世界进行观察和操作,达到协同维修的目的.

虚拟维修技术在车辆维修职业教育教学中具有其他媒体不可比拟的优势,主要有以下几点：（1）沉浸性,指虚拟维修系统可以让参与的学习者完全沉浸在由虚拟维修系统所创建的维修环境中；（2）交互性,指学习者在虚拟维修环境中可以模拟各种动作与操纵,比如利用键盘鼠标对各种维修工具设备进行操作；（3）多感知性,指学习者身处虚拟维修环境中不仅能够得到视觉、听觉,甚至还能够得到触觉、动觉等,使虚拟环境更加逼真.

二、虚拟维修训练系统的关键技术

虚拟维修训练系统利用虚拟现实技术创建车辆维修训练的虚拟环境,使受训人员能够沉浸到计算机生成的环境中,并通过对虚拟部件进行的装配和拆卸作业,了解和掌握车辆的维修技术和技能,从而达到在实车上进行维修训练的效果.基于虚拟现实的维修训练系统需要解决的关键技术为：

1.维修过程模型.车辆的维修过程一般是按照“步骤—子步骤”结构来描述,维修人员凭借其对维修程序的理解、经验以及现场观察来完成具体的操作,这种描述并没有包含关于维修人员操作、零部件运动、工具使用的所有信息.为实现虚拟维修仿真,需要对维修过程进行进一步分解,得到基本维修作业序列.按时序运行基本维修作业模型则可完成整个维修过程仿真.基本的车辆维修作业按照程序一般可分为拆卸、检测、更换/修复、装配、调试5个作业序列.

2.虚拟维修场景模型.虚拟维修场景是为受训者在接受维修训练时提供一个“实装”“实地”“实时”的仿真环境.它包括虚拟人、虚拟维修样机、虚拟维修检测工具和虚拟维修环境.主要是建立虚拟人体模型、运动模型、动作模型；建立具有装备几何、外观以及拆卸等动作的虚拟维修样机模型；建立具有拆卸动作的维修工具和检测功能的测量工具；建立真实感强的虚拟维修环境.

3.人机交互技术.虚拟维修训练系统人机交互主要通过特殊的头盔、数据手套等传感设备以及鼠标、键盘等人机交互设备,经仿真应用程序接口,采集交互设备输出的数据,然后在仿真应用程序中进行数据处理,最后显示在虚拟维修环境中.

三、虚拟维修技术在教学中的意义

虚拟维修训练系统利用计算机技术构建了虚拟的维修训练环境,能够有效地克服传统的车辆维修教学中的不利因素,提高车辆维修技能的教学效果.

1.弥补传统车辆维修教学条件的不足.在传统车辆维修教学中,往往因为要实训的教学设备短缺、场地不足等方面的原因,而使一些应该开设的实训课程无法正常进行.利用虚拟维修训练系统,对要进行实训的设备进行虚拟操作环境仿真,可以弥补这些方面的不足,学习者足不出户便可以体验整个设备的实训流程,观看操作现象,获得与真实训练一样的体会,从而加深对相关内容的认识.例如,虚拟的离合器分离结合操作,可以体会踩踏离合器踏板的感受,观察离合器的分离、结合的过程.

2.避免实装操作对设备造成损害.学习者在虚拟维修训练环境中,可以放心地去体验各种操作,而不必担心对教学车辆造成损害,而且在操作中可以反复训练,不受时间和次数的限制.例如,虚拟的活塞连杆组的拆装训练,可以通过对活塞连杆组进行反复拆装来体会操作要领和熟记操作步骤,可避免由于学习者操作失误,而对活塞连杆组造成损伤.

3.彻底打破空间、时间的限制.利用虚拟维修训练系统,可以彻底打破空间的限制.学习者可以在虚拟环境中从任意角度任意大小观察车辆装备各个总成和零部件的构造,了解各总成之间的相互关系,这是传统的动画、视频和教学实物所无法比拟的.虚拟技术还便于使理论教学和实践教学更好地穿插进行,突破时间限制.例如,在理论课教学中,可以穿插进行体验型虚拟维修训练操作,能更好地提高学习者的操作技能和加深对设备原理的理解,提高学习者的学习兴趣.

四、结束语

由于虚拟维修技术处于起步阶段,虚拟维修技术尚未能普及.但是虚拟维修技术可以有效地解决职业教育培训中普遍存在的实训场地、实训器材短缺的问题.随着虚拟现实技术的不断发展和完善,虚拟现实技术作为一个新型的媒体,以其自身强大的教学优势和潜力,将会在教学中得到广泛地应用,职业教育中的教学方式也将面临质的飞跃,将对优化教学过程,培养新型技术型人才产生深远影响.