虚拟仿真模型

关键词： 虚拟 漫游 建筑物 模型

虚拟仿真模型（精选十篇）

虚拟仿真模型 篇1

近年来,虚拟仿真技术由于其成本低、效率高而广泛应用于土木建筑领域,特别是虚拟建筑场景漫游技术,具有十分广阔的应用前景。

把建筑物用于虚拟仿真漫游,首先要获得建筑物的模型。通常可以用AutoCAD,3Dmax和SketchUp等商用软件来建模。但对于一些结构体型比较复杂、缺少几何信息的建筑物,用软件来建模工作非常大。随着三维测量设备在测量效率、精度等方面的突破,目前可以在很短时间内采集建筑物上的近百万个点云数据。由于点云数据量巨大,拟合后生成的三角形网格模型虽然能很精确的反映建筑物的实际信息,但是把这些海量数据直接用于虚拟漫游,会导致漫游软件无法打开原始数据或实时漫游效率低下等问题。

本文对点云拟合的建筑物网格模型进行简化,将简化后的模型运用于虚拟仿真系统,取得了较好的效果。

2 建筑数据的获取与网格生成

随着科学技术的发展,使用三维激光影像扫描仪器进行三维建模数据的采集,可以快速完成建筑物表面的数据点的扫描测量工作,并且可以获得大量精确的点云数据。

本实验以同济大学校史馆为例,采用仪器为HDS3000三维激光扫描仪采集建筑物数据。在获得点云数据后,对其去噪、修补后进行拟合。拟合后得到原建筑物网格模型见图1a)。

虽然得到的网格模型可以直接用于虚拟仿真漫游,但模型数据量很大,仿真系统运行效率不高,所以必须对原模型进行简化。

3建筑模型的简化

建筑物由于造型需要,通常有孔洞、门窗等空隙,为保持原建筑的几何特征,在简化过程中要识别出几何特征线,如柱子、窗台、台阶和墙壁等处的拐角线。但三维仪器所测得的点云数据分布比较均匀,在拟合过程中,三角形网格面片生成具有随机性。与其他区域的相比,在拐角线处的三角形面片过于集中,且多为小三角形,界线特征不明显。在简化过程中若处理不当,会使拐角线等特征线偏移,模型失真。这些给建筑物的网格简化带来了难度。

在网格简化中,最常用的是边折叠算法[1]:边折叠算法的实质是顶点删除。每次简化时,通过算法将一个顶点u折叠至v,然后修改拓扑关系,将与u相关的边映射到v,最后完成简化操作。当被折叠的点属于边界点时,一次简化可以减少原模型的1个面。当被折叠的点属于内点时,一次简化可以减少原模型的2个面,见图1。

STAN MELAX[2]在边折叠算法的基础上提出一种算法,来解决3D游戏中的模型简化问题。他定义三角形边的折叠价值为:

其中,‖u-v‖为边uv的长度;fnormal为同时包含顶点uv的三角形的法线,nnormal为包含顶点u的三角形的法线。这种算法平衡了边的长度和三角形的曲率,按边的折叠价值大小,决定折叠顺序,进行边折叠,从而达到简化三角形网格的目的。

结合建筑模型,在两个建筑面的交界处,由于曲率大,边的折叠价值大,故这些点和面最后折叠,从而保留了细节特征,而在墙面等较平坦处,只需要很少的多边形就可以来表示。

考虑到建筑物上有孔洞,将所有顶点分为两组,一组为边界点,即为模型外轮廓和孔洞上的点;其余的都为内点。由于边界点在保持建筑原有几何特征上非常重要,故在简化边界点时,要防止由于简化不当引起的边界退化,故还应满足条件:简化边界点时,该点至少与其他两个边界点相邻,且该点与这两个相邻边界点组成的法向量的夹角不小于指定的最大边界夹角值θmin。

为了保持三角形网格的质量,防止出现狭长三角形,增加条件如下:

1)与一个顶点最多只能有N个三角形相邻。

2)折叠后新生成三角形的最小内角为D°。

3)折叠后新生成三角形的最长边与最短边之比不能超过R。

以上条件为折叠原则,θmin,N,D,R可以根据实际需要输入不同的值。

建筑模型简化的步骤:1)输入要减少的最大顶点数Vmax、最大三角形数Tmax及θmin,N,D,R。2)读取原始模型数据,建立拓扑结构,同时计算每一个顶点的折叠代价。3)按顶点的折叠代价大小依次折叠顶点,若不满足折叠原则,则取下一顶点。4)更新点的拓扑信息后重新计算折叠代价。5)重复进行3)操作,若在简化过程中,已简化的点达到最大点数Vmax、面达到最大数Tmax或剩下的点都不满足折叠原则时,简化过程结束,同时输出简化后的模型。

从简化结果可知,随着简化的三角形面数增多,模型的细节特征丢失也越多。在简化率达到70%左右时,简化后模型基本上还能保持原模型的细节信息。用简化后模型代替原模型进行虚拟漫游,可以提高漫游效率。

4虚拟仿真系统的开发与实现

将简化后模型的所有立面拼接起来,就形成整个建筑的模型,应用OpenGL或DirectX等相关技术就可以开发虚拟仿真系统。

虚拟仿真系统以三维全景为主体,构造人机交互和具有沉浸感的三维立体显示环境,使用户对建筑进行一种身临其境的全方位的审视。同时,加入各种的环境效果和自然景物,包括地形、水面、天空、草、树等景观及雨、雪、雾等天气来增加场景的逼真度和沉浸感。

本漫游系统在微软XNA平台下结合VC#开发,XNA是微软近几年才推出的基于DirectX的跨平台整合型游戏开发套件,支持声音、视频等。

本系统中,地形图是基于高度图生成的,天空则运用了天空盒技术,同时用广告牌技术来模拟树木、青草,用粒子系统来模拟雨、雪等天气。用户只需用鼠标和键盘就能控制视角的变化,按照自己的想法,沿任意路线对虚拟场景进行漫游。在漫游过程中,加入了音效和碰撞检测。碰撞检测可以检测人与虚拟场景中的对象是否发生了碰撞,防止人穿越建筑物、树木等物体。

5结语

在进行建筑的虚拟仿真漫游时,最主要的是解决建模逼真度和渲染速度之间的矛盾。本文通过对点云拟合的建筑物网格模型进行简化,在XNA平台上实现了建筑的虚拟仿真漫游,取得了较好的效果。同时在漫游系统中加入自然景观、环境及背景音乐,增强交互性和沉浸感。为处理三维仪器获得的建筑数据,提供一种较好的应用方法。

摘要：针对点云数据拟合的建筑物网格数据在进行虚拟仿真漫游过程中实时绘制效率低下的问题,提出一种改进的边折叠网格简化算法,简化建筑模型,解决了建筑模型逼真度和渲染速度之间的矛盾。

关键词：网格简化,虚拟仿真,建筑模型

参考文献

[1]HOPPE H,TONY DEROSE.Mesh Opti mization[J].Comput-er Graphics,1993,27(1):19-26.

[2]STAN MELAX.ASi mple,Fast,and Effective Polygon Reduc-tion Algorithm[J/OL].Game Developer Magazine,http://www.melax.com,November,1998.

焊接虚拟仿真培训系统 篇2

焊接是一项对过程要求很高的工作，在现有的手工焊接生产中，采用MAG/MIG焊接的约占50%，TIG焊接约占30%，MMA焊接约占20%；如：在造船行业中，MAG约占70%，MMA约占30%；那么，这就需要焊工要有扎实的操作手法、规范的动作。而在焊接培训过程中传统方式存在以下多种问题：（1）消耗大量的焊条(丝)、焊件和保护气体等材料；（2）对学员的培训过程难以准确掌握；（3）对学员的焊接水平难以评价；（4）培训效果不尽理想；

（5）培训过程环境污染严重，有害健康；（6）培训过程安全性差。

2、项目实施目的

1）减少甚至避免焊接练习过程中强光、高温、明火及烟尘以及有毒气体的产生，全面保护教师和学员的身体健康；

2）减少或者避免焊接实训过程中对空气污染的有害气体的排放，防止对环境造成污染；

3）能够让无工作经验的学员快速、真实的投入到焊接实训中，提高培训效率，避免由于无经验操作产生的事故。同时能够让有经验的训练者有更高的训练平台，提高焊接技术；

4）节省真实焊材、工件等焊接材料以及工业用电，降低培训成本； 方便教学。

3、焊接仿真模拟器概述

电焊操作训练模拟器系统是由武汉科码软件有限公司独立自主研发的焊接虚拟仿真培训系统。该系统是基于虚拟计算机系统，是以中高度仿真的教学培训系统，能让学员在接近真实的模拟环境下进行焊接技术的训练。该系统能促进焊接技能向实际工况焊接的有效转换。与传统的焊接培训相比减少了焊材的浪费。

该设备结合了：焊工的动作、仿真焊接焙池、焊接声音及焊接手感，使用该系统的受训者能够感受到几乎真实的焊接过程。

电焊模拟实训系统是新一代环保、节能、通用型操作技能实训与评价平台。该系统采用分布式仿真实训技术、虚拟现实技术、微机测控技术、声音仿真技术及计算机图像实时生成技术。在不需要真实焊机的情况下，通过仿真主控系统、位置追踪系统，将焊接演练过程中焊枪的位置、速度和角度等进行采集处理，并实时生成虚拟焊缝。

该系统将仿真操作设备、实时3D技术及渲染引擎相结合，演练过程真实，视觉效果、操作手感与真实一致。在焊接演练的过程中，学员能够看到焊接电弧以及焊液从生成、流动到冷却的过程，同时听到相应的焊接音效。

该系统与传统的焊接技艺教学能有机的融合在一起，是实现灵活、高效、安全、节约、绿色无污染的焊接模拟培训教学与考核的最佳教学方法。

通过电焊模拟实训系统，学员不仅仅可以获得与传统实训相同的操作经验，同时通过系统内置的数据采集、智能专家辅助模块和量化考核评价系统等一系列先进独特的教学功能，配合合理明晰的焊接知识穿插讲解，使学员可以获得在传统教学实践过程中难以量化的精确焊接培训指导，大幅度提升学员在培训过程中的方向性和目的性，有效缩短学员的培训周期，降低教师的教学负担，达到以低成本、低投入实现“精教、精学、精炼”的焊接培训机制。

电焊模拟器主机效果图

电焊模拟器设备图片

4、技术基础

当操作者进行训练时，系统中的多个传感器将获得的多个焊枪实时参数反馈给计算机，计算机对数据进行处理分析，并在显示装置和音响上显示相应的焊接画面和焊接声音。焊接实训设备应具有以下技术：

1、数字图像处理、信息技术。

2、计算机图形学、传感与控制技术。

3、多种焊接操作技术、安全操作规范。

4、融多项高新技术于一体，呈现代职业教育之先进手段。

5、新型的焊接训练实训设备是一种低成本、高效率、现代化的焊接训练解决方案。

焊接模拟器技术原理图

5、视景仿真系统结构

焊接模拟器视景仿真系统结构图

各个模块应具有的功能如下：

1、数据输入模块主要负责将焊接工艺参数和焊枪运动参数状态信息传递给焊接仿真模型模块和仿真引擎模块。

2、仿真模型模块主要负责对工件、焊枪等焊接仿真环境进行静态几何建模, 完成焊缝模拟、烟、光照、火光、阴影、光照等特效3D图形渲染。

3、焊接仿真引擎是系统的核心，它主要探寻焊接工艺、焊枪运动状态参数和焊缝横截面几何参数之间的关系。

4、仿真结果输出模块包括评价系统模块和其它功能子模块。主要负责实时监测仿真状态, 输出动态仿真结果，分析、评价仿真过程数据。

5、具备培训效果可评估功能：具有实时可视的操控信息反馈、虚拟焊缝的实时检测指导、训练者操作技能的实时评估功能。

6、学员端系统功能与特点

1、性能与优势： 1）、多种焊接工艺。

本套实训设备可以模拟训练多种焊接工艺，焊条焊、气体保护焊、氩弧焊、，还可扩展直流焊、铝焊、气焊，并包含焊接共享资源库。

（1）焊条电弧焊模拟训练系统

焊条电弧焊模拟训练系统可模拟焊条与工件互相熔化并在冷凝后形成焊缝，从而获得牢固接头的焊接过程的模拟系统。本系统可进行酸性焊条J422（Φ2.5、Φ3.2、Φ4.0）、碱性焊条J507（Φ2.5、Φ3.2、Φ4.0）的多种训练，并可对焊件进行平焊、立焊、横焊和仰焊等多种不同位置的焊接训练。训练者在手工焊接操作时可看到焊缝熔池实时生成，训练者的手工操作直接影响到了熔池成形的结果，并由系统进行实时的专家评定焊接缺陷，以便训练者了改进焊接手法，以达到焊条电弧焊训练效果。

（2）CO2气体保护焊模拟训练系统

CO2气体保护焊模拟训练系统可模拟以二氧化碳气体作为电弧介质，保护金属熔滴、焊接熔池和焊接区高温金属的一种熔焊模拟系统。本系统可选用药芯焊丝YJ502、YJ507、YJ507CuCr、YJ607、YJ707； 自保护焊丝：直径Φ1.0、Φ1.2、Φ1.6。并可对焊件进行平焊、立焊、横焊和仰焊等多种不同位置的焊接训。训练者在手工焊接操作时可看到焊缝熔池实时生成，训练者的手工操作直接影响到了熔池成形的结果，并由系统进行实时的专家评定焊接缺陷，以便训练者了改进焊接手法，以达到CO2气体保护焊训练效果。

（3）氩弧焊模拟训练系统

氩气体保护焊可模拟200A/mm2左右的高强度电流密度效果，焊接过程中系统可体现氩弧焊燃烧稳定、热量集中、熔滴细小、飞溅少的使用特点。并可对焊件进行多种不同位置的焊接训。训练者在手工焊接操作时可看到焊缝熔池实时生成，训练者的手工操作直接影响到了熔池成形的结果，并由系统进行实时的专家评定焊接缺陷，以便训练者了改进焊接手法，以达到氩弧焊训练效果。

2)、三种焊枪

本套实训设备包含以下三种焊枪，与真实焊枪比例一致：焊条电弧焊枪、CO2气体保护焊枪及氩弧焊枪，操作过程中有焊条融化的缩短真实体验和焊条

自动更换功能，并能体验到操作手感。见下图：

3）多种接头（焊件）形式

本实训设备可以模拟多种焊接接头形式，对接、角接、T接接头形式以及I形、V形（单面焊双面成形）、Y形坡口类型。

系统还可模拟管对板，管对管接头的形式。还可扩展多种焊接形式。

4）、多种焊接位置

本实训设备有独立的操作台，可以在虚拟场景中灵活地调节多种焊接位置，让训练者无障碍进行平焊、立焊、横焊、仰焊等多角度焊接位置训练。示意图如下：

5）、能够真实的模拟焊接过程中的各种条件设置，引弧、焊接、收弧中的

各种手法，在焊接过程中具有自动换条功能，并能体验操作中的力量反馈感，电弧、明暗场、飞溅、焊缝、声效表现逼真。

6）、系统设置简单，虚实结合，通过真实的焊板、焊枪、示教器进行焊接训练；系统可提供完善的语音提示，焊接过程中可以通过图形及语音提示帮助学员校正操作姿势，辅助指导学员的培训过程与应用。

（1）该系统具有仿真示范教学功能，示范最佳的焊枪姿态（包括焊接速度、焊枪角度、焊枪与工件的距离和位置等）。

（2）系统可体验焊接过程中的的使用感觉，包括焊条的更换等。

虚拟仿真模型 篇3

关键词 模拟 虚拟 仿真 模拟仿真 虚拟现实

中图分类号：TP3 文献标识码：A

1 模拟与仿真

模拟经常采用虚拟具体假想情形的方法，也经常采用数学建模的抽象方法。利用模型复现实际系统中发生的本质过程，并通过对系统模型的实验来研究存在的或设计中的系统。这里所指的模型包括物理的和数学的，静态的和动态的，连续的和离散的各种模型。所指的系统也很广泛，包括电气、机械、化工、水力、热力等系统，也包括社会、经济、生态、管理等系统。当所研究的系统造价昂贵、实验的危险性大或需要很长的时间才能了解系统参数变化所引起的后果时，一般采用模拟的方式来完成。

仿真是一种特别有效的研究手段。仿真的重要工具是计算机。仿真与数值计算、求解方法的区别在于它首先是一种实验技术。仿真的过程包括建立仿真模型和进行仿真实验两个主要步骤。仿真技术的实质也就是进行建模、实验。现代仿真技术的发展是与控制工程、系统工程及计算机技术的发展密切相关联的。控制工程和系统工程的发展促进了仿真技术的广泛应用，而计算机出现及计算技术的迅猛发展，则为仿真提供了强有力的手段和工具。因此，计算机仿真在仿真中占有越来越重要的地位。一般认为，建立模型是仿真的第一步，也是十分重要的一步。仿真基本上是一种通过实验来求解的技术。通过仿真实验要了解系统中各变量之间的关系，要观察系统模型变量变化的全过程，此外，为了对仿真模型进行深入研究和结果优化，还必须进行多次运行，系统优化等工作，因此，良好的人机交互性是系统仿真的一个重要特性。

模拟侧重于软件，强调过程。仿真则侧重于硬件，仿真的重要工具是计算机、模拟器。无论模拟还是仿真都与实验相关，整个实验叫仿真，而实验过程应该叫模拟，所以模拟仿真不可分割，发展到今天统称为模拟仿真。

2 模拟与虚拟

模拟是对真实事物或者过程的虚拟。模拟要表现出选定的物理系统或抽象系统的关键特性。模拟的关键问题包括有效信息的获取、关键特性和表现的选定、近似简化和假设的应用，以及模拟的重现度和有效性。可以认为仿真是一种重现系统外在表现的特殊的模拟。虚拟是对真实的模仿，对训练过程的假想。

3 虚拟现实与模拟仿真

虚拟现实（VirtualReality，简称VR），是一种基于可计算信息的沉浸式交互环境，具体地说，就是采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影響，从而产生亲临等同真实环境的感受和体验。虚拟现实是高度发展的计算机技术在各种领域的应用过程中的结晶和反映，不仅包括图形学、图像处理、模式识别、网络技术、并行处理技术、人工智能等高性能计算技术，而且涉及数学、物理、通信，甚至与气象、地理、美学、心理学和社会学等相关。

概括地说，虚拟现实是模拟仿真在高性能计算机系统和信息处理环境下的发展和技术拓展。我们可以举一个烟尘干扰下能见度计算的例子来说明这个问题。在构建分布式虚拟环境基础信息平台应用过程中，经常会有由燃烧源产生的连续变化的烟尘干扰环境能见度的计算，从而影响环境的视觉效果、仿真实体的运行和决策。某些仿真平台和图形图像生成系统也研究烟尘干扰下的能见度计算，仿真平台强调烟尘的准确物理模型、干扰后的能见度精确计算以及对仿真实体的影响程度；图形图像生成系统着重于建立细致的几何模型，估算光线穿过烟尘后的衰减。而虚拟环境中烟尘干扰下的能见度计算，不但要考虑烟尘的物理特性，遵循烟尘运动的客观规律，计算影响仿真结果的相关数据，而且要生成用户能通过视觉感知的逼真图形效果，使用户在实时运行的虚拟现实系统中产生亲临等同真实环境的感受和体验。

虚拟现实技术是二十世纪末才兴起的一门崭新的综合性信息技术，是由计算机硬件、软件以及各种传感器构成的三维信息的人工环境——虚拟环境，用户投入这种环境中，就可与之交互作用、相互影响。它融合了数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、传感器技术等多个信息技术分支，从而也大大推进了计算机技术的发展。目前，虚拟现实技术已在建筑、教育培训、医疗、军事模拟、科学和金融可视化等方面获得了应用，渐已成为21世纪广泛应用的一种新技术。

模拟仿真是一种物理模拟技术的应用，它主要是通过模拟实车、实兵或实战环境，来培养单兵或小范围作战编组的作战技能。

模拟训练，所用的模拟器可能比它所模拟的真实装备还要贵。为了解决部队训练问题，美国国防部高级研究计划局l983年开始实施模拟器联网计划，把分散在各地的训练器用计算机联成网络，形成分布式交互仿真，实现异地联通与互操作。美军已研制的虚拟现实模拟系统可以在视觉、听觉和触觉等方面逼真地显现未来战争可能出现的各种情况，可以使没有打过仗的指挥官身临其境般地体验战争，可以使驻扎在世界各地的部队通过互联网络同时演练同一想定，可以在同一模拟系统上演练在不同国家、不同地形、不同气候、不同作战对象的各种战争行动。如美海军陆战队的模拟网络可将分布在全球执行各种任务的陆战队特遣队司令部连接起来。一支远征部队陆战营可与4800公里之外的另一支远征部队的团级司令部进行诸军兵种联合演练。

虚拟仿真模型 篇4

安全是保障人类生存和生活质量的重要方面。在我国，煤炭行业仍是危险程度很高的行业，尤其是近期，煤矿安全生产形势异常严峻。要保证矿工的安全，对于从事有危险性工作的员工，需要对他们进行安全教育、救生训练。但对于煤矿中发生的一些事故 (如矿井火灾、瓦斯爆炸、顶板冒落等) ，人们不可能在真实的危险环境中进行训练或验证，因而需要一个能够模拟真实环境的系统来辅助人员感受这种环境。为此，本文采用虚拟现实 (Virtual Reality，简称VR) 技术开发了一套矿井安全数字仿真系统。

虚拟现实技术是近年来发展起来的高新技术，在航空、航天、建筑等领域已经得到广泛的应用，但在矿业领域目前尚处于起步阶段。虚拟现实不仅可以模拟矿山常规作业环境，而且可以模拟矿山的抢险救灾环境和典型矿山事故的分析与再现。矿工们可以在模拟的常规作业环境中找出适合自己的工作方法，并且可以不断磨练自己的工作技巧，同样也可以在模拟的抢险救灾场景中寻找逃生自救的方法及所必需的救护设施。本系统具有操作简单，画面逼真，节约高效的特点，便于进行集体培训，无疑对提高煤矿安全生产，矿上的安全保护意识和系统优化设计具有重要的实用价值。

在矿井安全仿真系统的设计过程中，最主要的功能之一就是矿井漫游，而漫游过程中最主要的角色是虚拟矿工，因此，本文主要从虚拟矿工的模型建立阐述矿井漫游的实现。

2、虚拟矿工模型建立

2.1 模型建立步骤

虚拟矿工几何模型可以在三个层次上进行构造：骨架、肌肉和皮肤，也即分层表示模型。由于本人在设计的过程中不考虑人体运动过程中皮肤的形变，所以只进行骨架和皮肤两个层次的建模。这样做的优点是既可通过骨架模型来制定精确的运动、表示人体的内部结构，又可用皮肤模型来描述人体的外部形状、刻画逼真的人物模型。建模过程中，首先对人体各部分的几何信息进行分析，然后模型的真实感是通过其表面的颜色和明暗色调来表现的，因此在人体几何建模过程中，颜色的处理以接近真人的皮肤色为主，明暗色调通过光照处理实现。

这里主要介绍用的是Phong光照模型。设V为观察方向，I为V方向上的光亮度，ka为环境反射系数，Ipa为环境反射有效光亮度，kd为漫反射系数，Ipd为漫反射有效光亮度，ks为镜面反射系数，Ips为镜面反射有效光亮度，N0为单位法矢量，L0为单位光线矢量，L为光线向量，则Phong光照模型为：

式中：Ipa=[rpagpabpa]T、Ipd=[rpdgpdbpd]T、Ips=[rpsgpsbps]T和I=[r g b]T, r、g、b分别表示RGB三基色的红（Red）、绿（Green）、蓝（Blue）的亮度。若将式 (4-14) 转换至光栅图形显示器的RGB三基色颜色系统表示，则Phong光照模型为：

通过此光照模型，可算出任意方向v的光亮度I，以便对模型进行合理的光照处理。

最终模型建立如图1.1所示，该模型主要由基本骨架、肌肉层和皮肤层构成，有时也加入一层服饰层，表示虚拟人的头发、衣饰等人体装饰物品。其中的基本骨架由关节确定其状态，决定了人体的基本姿态。肌肉层确定了人体各部位的变形，皮肤变形受肌肉层的影响，最后由皮肤层确定虚拟人的显示外观。

这里主要介绍基于NURBS的人体曲面模型。

2.2 算法实现

在空间直角坐标系中，给定 (N+1) × (M+1) 个空间点的位置矢量dij (i=0, 1, …, N;j=0, 1, …, M) ，并且给定权因子wij>0 (i=0, 1, …, N;j=0, 1, …, M) 。于是， (k, h) 次NURBS曲面表示如下：

式中，构成的空间网格称为曲面的控制网格（或特征网格）；wij≥0，对应于控制顶点dij的权因子，通常规定4个角点处权因子w00、w0m、wn0、wnm>0;Bi, k≥u≥、Bj, hv≥≥分别为u向k次和v向h次B样条基函数，其结点向量分别为

B样条基函数由 (3-2) 和 (3-3) 给出：

约定在上述递推关系中如遇到0/0的情形，则取其结果为0。在实际运用时，我们主要考虑NURBS曲面r (u, v) 的齐次坐标形式：

对于每一部分的NURBS曲面，其曲面方程由式 (2-4) 给出。参变量u和v的计算可按下式进行：

而参变量u和v的范围是：

将某个曲面片用矩阵形式表示为：

式中：k和h是控制该区面连续性及基函数多项式幂次的参数，本文令k=h=4;s和t用来标识曲面中一块特定的曲面片，s和t的变化范围是参数k和以及控制点矩阵维数的函数；矩阵Uk和Vh形式如下：

控制点的k×h阶矩阵Dkh的元素依赖于要计算的特定曲面片，用表示这些矩阵的元素，则

矩阵Mk和Mh是B样条曲线的变换矩阵。

于是，按照下面的算法生成人体各部分的曲面模型。

[人体曲面生成算法]

步骤1：按照人体各部分的比例，构造符合相应部分的特征多面体，从而得到N和M的值以及矩阵D。

步骤2：由式 (2-8) ～ (2-11) 得到参变量u和v的取值范围和各个分划和。

步骤3：由式 (2-4) ～ (2-5) 得到各个分划上的B样条基函数形式，从而得到式 (2-10) 中的各个矩阵。

步骤4：由式 (2-12) 计算各分划的曲面片，从而生成相应的人体部分。

步骤5：利用权因子对模型进行交互式地修改，以达到最好的效果。

步骤6：算法结束。

由式 (2-12) 可知算法的计算复杂度为O≤≤maxM, ≤N≤%≤%2≤。

3、大巷漫游功能实现

在矿井生产仿真系统中，人物的控制功能主要有：前进、后退、左转、右转。

根据键盘对人物进行各种运动的控制，在虚拟矿工运动的过程中，最主要的特点是对井下安全的设置，一旦矿工没按照安全规程，就会退出系统，继续学习安全操作。

摘要：简述了矿井安全数字仿真系统中虚拟矿工模型的设计过程及算法的实现, 为从事煤矿安全生产仿真系统研究提供了一定的参考。

关键词：矿井安全,仿真系统,虚拟矿工

参考文献

[1]吕军, 周丽红, 常心坦.VR技术在煤矿安全中的应用[J].西安科技学院学报.2003, 23 (1) :6-9

[2]石其乐.简易型虚拟现实技术的实现[J].宁夏工程技术.2003, 2 (3) :227-245

[3]吴亚东, 蔡勇, 韩永国.虚拟场景展示系统研究[J].系统仿真学报.2003, 15 (11) :1517-1519

[4]BISE C J.Virtual Reality:Emerging Technology for Training of Miners[J].Mining Engineering, 1997 (1) :37-41.

虚拟汽修仿真教学系统 篇5

中国已成为全球汽车的第一大市场，快速发展的汽车工具为我国经济注入了一支强心剂，拉动了各个产业的发展，随着我国汽车保有量的不断攀升，另一个问题已经浮出水面——汽车维修维护。

不仅是现有的4S店，社会上的各类大大小小的汽车维修店如雨后春笋般涌现，而汽车维修维护人才却极为缺乏，近年来汽车工业和汽车技术不断发展，新能源汽车也不断普及，对汽车的维修维护提出了更高的要求。作为汽修人才培养的主力：职业院校，如何解决社会汽修人才的问题，成为了最大的教学要求。

汽车作为一个高度机电一体化的产品，内部结构非常复杂，需要全面了解汽车的结构和运行原理，才可能对维修维护有深刻的认识和技能，利用先进的IT技术，使用虚拟汽车教学培训系统，对培养汽修人才有着巨大的促进作用。

凤凰创壹虚拟汽车教学培训系统以3D互动方式直观展现汽车的基本结构和工作原理，以及虚拟拆卸与安装（每一步互动操作都有相应的语音解说或提示）。并提供3D互动 故障诊断及考核功能。本系统包含汽车机械常识、汽车文化、汽车的美容与装饰、汽车电子电工技术应用、汽车结构与拆装、汽车使用日常维护、汽车的修理、汽车 性能检测、汽车故障诊断九大模块：（1）汽车机械常识包含量缸表的使用、曲轴的测量、汽缸的测量；（2）汽车文化包含汽车驾驶的演示和汽车驾驶的实训；（3）汽车的美容与装饰章节包含的主要课程（汽车清洗、汽车护理、汽车漆膜修补、汽车车身装饰、汽车室内装饰、车身电器的装饰等）；（4）汽车电子电工技 术应用主要包含电源系统绘制与连接、启动系统绘制与连接、点火系统绘制与连接、照明系统绘制与连接；（5）汽车结构与拆装包含整车拆装，发动机拆装，发电 机拆装，发电机拆装（含工具），自动变速器原理，变速器内部展示与拆装，汽车整车展示与拆装，汽车底盘展示与拆装等（所有拆装均包括：自动拆卸，自动安 装，手动拆卸，手动安装。其中自动拆卸，自动安装是为了让学员学习整个拆装过程，手动拆卸，手动安装是为了学员练习对所学拆装步骤的熟悉度）；（6）汽车使用日常维护包含调整点火正时、交流发电机各部件的检修、启动机故障诊断与排除、前照明灯的检查与排除、电动门窗故障诊断与调整等。（7）汽车的修理包 含汽油泵拆装、分电器拆装、曲柄连杆机构拆装、活塞环更换、喷油器拆装、汽油机竣工验收、柴油机竣工验收、气缸压力的测量、变速器的拆装、前桥拆装、转向 器拆装桑塔纳主减速器拆装、东风制动阀拆装、交流发电机拆装、分电器拆装、四缸发动机拆装、以及制冷剂进行泻放、添加及抽真空等常见汽车修理内容；（8）汽车性能检测功能模块可让学员在三维互动的场景中学习动手进行制动性能检测、灯光性能检测、汽车尾气性能检测、侧滑性能检测、蓄电池性能检测、交流发电机 性能检测、启动机性能检测、点火性能检测、点火能量检测等性能检测；（9）汽车故障诊断包含机械故障，电控故障，电器故障。机械故障主要检查器件磨损间 隙，裂纹，变形，老化等故障（包括冷却系统，润滑系统，启动系统，点火系统等故障）；电控故障检查发动机控制和各个系统控制反馈信号的检测，查看各个功能 传感器的故障（防盗系统，燃油系统，排气系统，点火系统，空气供给系统等故障）；电器故障检查各个系统的电器原件故障(如雨刮喷水系统，灯光照明系统，仪 表系统，启动系统，充电系统，玻璃升降系统，电动后视镜系统等故障)。本系统还提供排除故障过程中需要用到相关仪器仪表，例如：汽车故障检测仪，示波表，千分尺，内径千分尺等三维互动模型。

汽车虚拟仿真实训室的建设 篇6

【关键词】实训教学；仿真虚拟实训；教学改革

前 言

国家高度重视职业教育事业发展，职业教育规模不断扩大，对完善我国职业教育结构，服务经济社会等方面发挥了积极作用。但同时，目前我国职业院校办学条件和教学设备供给情况并不是那么尽如人意，“双师型”专业教师数量不足，质量保障体系不够完善，办学机制和教学方法改革有待突破等等问题，严重制约了职业教育快速发展。

加强实训中心装备建设、保证实践教学时间，是满足学生培养目标的前提条件和重要保证。 因而，各职业学校在实训仪器设备和实训教学管理上都加大了资金和人员投入，纷纷建立设备齐全的实训室和实训基地，为实训教学的开展提供基本保障。即便如此，由于经费投入、设备更新换代、场地限制和扩招的原因，很多学校存在实训资源紧张，学生操作技能练习不足等问题，这将大大降低学生的动手能力和就业的竞争力。因此除了传统设备的投入，必须考虑利用虚拟技术来解决当前实训中存在的一些问题。

一、我校实训教学存在的主要问题

1.设备先进性保持时间短

目前，我校实训室中存在的一个突出问题就是硬件条件差，学校教育经费严重不足，有些先进设备学校根本无力购买，生均设备费与教育部的要求相差甚远，生均占有的仪器设备数额少，档次低。结果导致相关课程的实训基本无法开出，有些勉强开出的实训也由于设备数量严重不足满足不了学生动手的需求。同时都是购买了一批设备要使用到设备的报废年限为止，而实际生产企业的设备更新换代很快，这样从学校培养出去的学生并不能够在很短的时间内适应岗位工作的需要。这很难做教育部提到的“基地设备保持同期企业生产使用设备水平，并具有一定的超前性”要求。

2.实训开放性不够

我校要面向学生、企业、社会，开拓实训、培训、科研等全方位的社会服务。实际上学校在满足学生实训的前提下，真正能面向企业、社会开放的时间非常少，这主要是实训资源少、实训基地机制不灵活、基地受时间和空间约束过多等原因造成的

二、仿真虚拟技术概念的提出及应用

技工院校实训存在的问题随着国家对职业教育教学的日益重视，职业教育正在以前所未有的速度向前发展，而实训作为提高学生职业技能的重要手段也越来越多地受到关注，但实训室作为实训教学的重要场所却因为诸多客观条件的制约。建设受到了各方面的限制一方面，每个技工学校都不可能在短时间内建设所需要的所有实训室，而且某些实训室的建设是很困难的：另一方面 ，即使实训室可以建设，又会面临设备更新换代的问题，任何一个实训室都不可能“永葆青春”而仿真虚拟实训进入实训教学将对探索和发展现代教育思想、提高教育技术 、水平、改善实验实训环境、优化教学过程、培养具有创新意识和创新能力的人才产生深远的影响。并将有助于解决某些具有危险性的实训场所不可视、不可摸等的问题，同时，还可以解决技工学校普遍存在的实训设备和场地不足、型号落后、陈旧等问题。

现在汽车技术发展很快，设备的更新永远赶不上实际需要，仿真虚拟技术在实训中得到很广泛的应用价值，相对来说软件的更新要方便的多，投资也小，学生可以通过仿真虚拟技术软件及时了解到新技术、新发展。也有很多实训项目已经有限的使用仿真虚拟技术技术解决了一些实际问题。我们完全可以利用仿真虚拟技术技术中成熟的部分完成对实训的辅助工作。

三、在实训中采用仿真技术的成效

1.仿真实训能解决设备短缺和落后问题

开发和应用虚拟实训室，可以从根本上解决现阶段学校实训教学的主要问题，它提供了型号齐全、用之不竭、永远不会损坏的实训设备，并且可以不断地扩充和发展，虚拟实训室的功能可以随着软件维护的进行而不断进步。利用虚拟现实系统，可以弥补这些方面的不足，学生足不出户便可以做各种各样的实训，获得与真实实训一样的体会，从而丰富感性认识，加深对教学内容的理解，减少经费的投入，并可向网络学院、虚拟教育延伸。

2.仿真实训可以为学院节约资金投入

构建仿真虚拟实训室最主要的投资就是计算机及软件开发费用，大多数学校只要原来的计算机设备上加上合适的软件和较少的硬件就可以构成具有更完善实训设备的现代化实训室。所以，构建虚拟实训室所需投资远远低于实际实训室的投资额。如购买一辆教学用台架、检测设备、整车等，如果初学时就让学生直接在整车上操作，可能出现耗材增加、损坏加剧、浪费材料等现象，甚至因操作失误对学生造成人身危害。引入汽车专业教学仿真虚拟系统进行技能操作，可以大大降低训练的消耗，大大提高了实习效率降低了实习成本。实训所需器材种类和数量不受限制，一旦实训室建立起来了，实训设备取之不尽，用之不竭，同时节省了实训设备更新换代所需的投入，实训设备却能永远保持其先进性、全面性、完整性。由于学生操作的是虚拟设备，所以不存在由于操作失误所引起的实训损耗，省了实训室设备的维修、保养费用。

3.避免真实实训或操作所带来的各种危险

以往对于危险的或对人体健康有危害的实训，一般采用电视录像的方式来取代实训，学生无法直接参与实训，获得感性认识。利用虚拟现实技术进行虚拟实训，则可以免除这种顾虑。学生在虚拟实训环境中，可以放心地去做各种危险的或危害人体的实训。

四、总结

通过仿真技术在汽车实训课程教学中的运用，实现在学生进入实物训练前能够熟练掌握操作的技术规程和操作工艺，为缩短和强化实物操作奠定基础。即在虚拟训练中能够达到既能满足教师演示方便和学生反复训练需要，又能在演练过程中充分在严格的规范约束下进行，诸如零部件认知，熟悉操作技术要领，允许学生在一个对实物不造成影响或不受场地等限制的环境下进行，反复的认识、理解、训练，掌握到一定程度后再到实物上进行训练，由于掌握了操作的规范性要求和基本技术要求，转到实物训练后可主要进行直观性和熟练程度的训练，可以大大缩短实物训练的周期，提高实物教学设备利用率。由于学生基本掌握了训练的规范性要求，在实物训练中大大减少非正常耗损，有效解决了办学条件和教育资源还相对存在某些匮乏和不足所带来对实训教学效果的影响。

参考文献：

[1]毛叔平.仿真模拟实训共建的建设和应用中国职业技术教育，总第298期

[2]杜敏.浅议中职实训教学.论坛·教学研究，2007 8 38页

[3]生产实训全场景仿真技术研究大连理工大学.硕士论文

[4]李妍，崔永利.仿真技术在实践教学中的应用与研究信息技术，2006年第11期P：107—111

虚拟仿真模型 篇7

基于虚拟实现技术的配电线路巡检仿真培训系统具有很多优势, 比如它拥有较大的信息容量、能够进行多项演示、可以模拟出很多实际动作、模拟实际工作环境等, 这些优势都是过去的培训方法不能比拟的。利用虚拟实现技术所创造出的培训环境能够极高的还原电力作业现场, 被培训对象可以在不存在任何危险的状态下完成不同业务的培训工作, 从而在很大程度上避免电力事故的产生, 这样就能够极大的降低培训时间, 节约培训成本。

1 三维建模

三维建模可以说是整个虚拟仿真培训系统的基本要素, 三维建模通常有几何建模以及物理建模这两种形式。换句话说, 虚拟仿真培训系统中需要几何模型必须与实际相符合, 同时也必须要具有与实际物体相同的运动特征, 构建出的模型必须要真实, 这样才能够更好的达到培训的目的。在三维建模的过程中必须要充分利用各种先进技术, 将实际物体的具体尺寸、纹理细节等作为最原始的数据, 使用Multi Gen Creator[1]这种建模软件来构建数据库。在这一过程进行中, 必须要结合虚拟仿真培训系统的实际要求以及对实际物体的等级需求来进行, 如此才能够更好的构建模型, 从而增强培训系统的真实性[2]。

2 碰撞检测

本文主要结合仿真培训系统的具体需求以及工作人员在进行实际的业务操作过程中的特征, 通过对引擎源码进行修改, 利用AABB轴向算法来对模拟工作场景与其他物理存在的碰撞进行检测, 这种方法的编程过程中相对简单, 而且容易实现。

3 交互行为控制

配电线路巡检虚拟仿真培训系统的组建, 不仅仅需要依靠真实的三维场景, 同时必须要具备一个相对简易的人机操作界面, 这样一来才能够让培训的效果得到更好的提升。在本文所论述的这一系统之中, 进行人机操作界面的设计时充分考虑到了人机的交互, 在人机界面清晰的让用户了解能够使用三维模型进行哪些操作。如对物体进行平移或者旋转、拉伸物理、浏览三维场景、电力元件的工作原理展示、故障的模拟抢修等。如此一来, 即便是使用该系统的用户不具备非常高的计算机知识也能够非常轻易的使用该系统来进行电路巡检工作流程的模拟操作, 从而让培训的效果更好。

4 仿真培训系统

4.1 系统介绍

模拟仿真培训系统主要采用计算机技术、网络技术、虚拟现实技术等现代化技术, 给电力人员的业务培训提供了一个非常简易并且高效的网络平台。在虚拟仿真培训系统中, 它运用3D动画、图形以及声音等不同的多媒体对电力操作流程进行了逼真的演示。系统中也有非常之多的案例让电力工作人员进行参考实践, 能够极大的满足电力企业技术人员的培训需求。

4.2 系统功能

4.2.1 现场漫游功能, 现场漫游功能能够从不同的方面对电力

作业现场进行了解, 主要有变电站和电力线路的结构、电力设备的运行状况、电力线路的接线情况等。

4.2.2 规范电力人员的工具操作流程, 对于电力技术工作人员

而言, 必须要对各种安全工具有充分的了解和认识, 能够完全掌握它们的具体操作方法, 这对于电力作业时确保相关人员安全具有非常重要的意义。虚拟仿真培训系统结合电力生产的实际特点, 根据相关的规范要求, 利用各种图形动画演示, 为电力操作人员展示出了各种安全工具的使用、存放方法以及注意问题。

4.2.3 实际操作培训功能, 该系统能够对配电线路巡检人员进

行线路设备、运行规程、操作规范等方面的培训。能够在很大程度上还原实际操作现场环境, 让培训对象能够获得一种亲临其境的感受, 从而更加牢固的掌握配电线路作业基本技能。

4.2.4 维护检修培训功能, 虚拟仿真培训系统能够利用其培训

平台, 极大的增加配电线路检修工作人员的技术水平, 同时也可以让新的技术人员对电力专业设备有一个详细的认识。利用这一系统能够在很多方面处理好过去电力培训中一些不可视、不可进入的危险场所的培训难题。

4.2.5 案例模拟功能, 通过对一些典型案例的实际模拟来进行

培训。模拟的案例通常是随机的故障, 或者是在电力系统运行过程中由于人为失误而导致的故障等。被培训的对象通过这一系统进行案例模拟练习, 能够在较短的时间内对配电线路经常产生的一些鼓掌事故以及其基本处理方法有充分的了解和掌握, 让被培训人员在实际工作中遇到这些问题时的应变能力和处理能力得到很大的提升。

4.2.6 培训者和被培训者的互动交流功能。培训者对该系统模

拟的培训过程中进行实时的监控和管理, 培训者可以利用不同的方法来对培训流程进行更改或者删除。培训者能够使用随机触发模式、定时触发模式或者其他模式, 对培训场景进行及时的切换和改变。培训者对被培训者的实际操作流程进行及时的记录, 以便于培训结束后展开考评。

4.2.7 被培训者和被培训者之间的互动交流功能, 在虚拟仿真

培训系统内部, 不同的受训者可以扮演成不同的角色来组建班组。例如某一被培训对象的角色是工作票签发者。另一学员的角色是工作票的负责人员、其他几名学员的角色是工作组成员, 几名被培训者被要求在同一个工作环境下共同来完成某一工作任务, 从而让多个学员获得了培训经验, 更增加了学员之间的互动。

4.2.8 考核评价功能, 该系统能够在受训对象经过培训之后科

学的对学员的培训情况进行分析考核, 受训者也可以利用系统提供的功能开展自我评价。

5 结束语

基于虚拟现实技术的仿真培训系统其灵活性非常强, 能够在很大程度上满足电力作业人员的培训需求。该系统可以实时检测培训对象的受训过程, 在模拟培训的过程中第一时间作出信息的反馈。虚拟仿真培训系统能够让培训对象在任何地点进行培训, 打破了过去培训时对空间时间的限制。虚拟仿真培训系统的利用能够极大的提升电力人员业务培训效果, 从而在很大程度上提升电力作业质量。

摘要：本文介绍了基于虚拟现实技术开发的配电线路巡检仿真培训系统中的三维建模、碰撞检测和交互行为控制等关键技术, 并详细叙述了系统的架构和各模块的功能。系统的开发应用为电力作业人员的培训带来方便, 有效提高了电力安全作业水平。

关键词：配电线路,虚拟现实,仿真培训,碰撞检测

参考文献

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[4]姚继权, 李晓豁.计算机图形学人机交互中三维拾取方法的研究[J].工程设计学报, 2006, 13 (2) :116-120.

[5]汤晓青, 周林, 栗秋华, 等.输配电线路施工仿真培训系统的设计与实现[J].中国电力, 2007, 40 (4) :74-76..

模具专业虚拟仿真实训探讨 篇8

国内外虚拟仿真技术的应用现状

虚拟仿真技术在实训教学中应用, 也被称为模拟实训, 在国外职业教育中得到了广泛认同和积极推广。国内职业院校对应用现代模拟实训教育手段提升实训教学质量的认识还处于初期阶段。大部分高职高专院校在加强校内外实验、实训基地建设方面, 逐步建立了一批设施比较先进, 管理制度健全, 能够反映岗位、职业和行业发展方向和水平的实验室或实训基地, 不断加强学生实践能力、技术运用能力的训练, 为培养高技能应用型人才奠定了坚实的硬件基础。但对模拟实训教学却投入不足, 部分院校比较重视, 但也只是刚刚起步。究其原因, 是对这一行之有效的教育手段的价值认识不足, 这里不仅有模拟软件本身的质量问题, 更多的是教师的观念与素质问题。

发达国家的职业院校都十分重视模拟实训, 并在长期的研究与实践中总结出许多切实可行的成功模式。如德国“双元制”教育模式, 加拿大的能力本位教育模式 (CBE) ;国际劳工组织开发的MES教育模式。模拟实训正是这些典型教育模式的核心教育环节之一, 它能有效地实现职业教育以职业能力为本的培养目标。目前, 虚拟仿真技术在全球已得到职业教育界的广泛认同和积极推广。

虚拟仿真技术应用于模具专业实训教学的基础工作

进行市场调查, 制定虚拟仿真实训教学计划首先, 应该到人才市场对与模具专业相关的用人单位进行调研, 掌握与模具专业对应的主要工作岗位群, 明确培养目标。其次, 对于模具专业岗位化实训内容的选择和组织, 必须依据模具专业毕业生所从事工作岗位的具体工作要求。最后, 要将相关工作岗位的具体要求和工作任务, 渗入到具体的岗位化实训教学中, 保证教学内容的实用性。根据调查, 目前模具设计与制造企业的岗位群如图1所示。模具设计能力的培养, 在企业中通常分为认识模具、指导及模仿设计、独立设计三阶段。认识模具与独立设计过程都是潜移默化的积累过程, 而指导及模仿过程则是培养模具设计人员的主要过程, 是学生的设计思路从模糊到清晰的过程, 是掌握知识, 应用技巧、方法的过程。由于受到教学时间、教学条件及环境等的制约, 学校教学或多或少无法按照企业“以师带徒”的方式进行。因此, 有必要采用虚拟仿真技术, 让学生“身临其境”地在工作岗位上实习、实训, 达到独立完成设计, 提高设计能力的目的, 实现教学实训与岗位的“零距离”对接。

根据工作环境布置虚拟仿真实训环境为了使学生尽快从学生角色转换为职业人角色, 明确自己的实训任务, 对实训环境的布置应尽可能地模仿企业真实的工作环境。这里的环境布置指的是软件条件、虚拟环境和设施配置企业化, 让学生处于某个单位某个岗位的职员角色, 教师则是该岗位的上级主管。模具专业虚拟仿真实训环境在模具设计、工艺分析、注射成型方面比较容易实现, 但模具钳工却很难实现, 利用软件学生无法进行模具表面的钳工处理。因此, 虚拟仿真实训的同时还需适当配备模具钳工实训车间。

根据企业对员工的管理方式对学生进行实训管理在实训过程中, 对学生的各种管理制度和方法也应该依照企业对该岗位员工的管理制度和方法。有些管理制度和方法在实训过程中难以操作和实施时, 可以作一定的修改和调整, 以保证实训管理的可操作性。

模具专业虚拟仿真实训的框架构建

模具专业虚拟仿真实训平台开发应符合模具专业的人才培养要求, 与岗位工作情境相符, 逼真地反映实训内容。首先, 虚拟仿真实训平台应按照岗位构架, 使实训教学与企业岗位工作“无缝”对接。其次, 虚拟仿真实训平台的模块结构应合理, 要充分反映岗位要求。再次, 要设置合理的评价体系, 增强趣味性, 激发学生的学习兴趣和继续学习的信心, 同时能让学生充分了解自己的学习情况, 对学生产生一定的激励作用。虚拟仿真实训平台框架如图2所示。

虚拟仿真实训的学习评价

学习评价和总结环节也是整个学习过程中的重要环节。对学生的恰当评价能激发学生的学习兴趣和继续学习的信心。可让学生体验闯关式的游戏。游戏任务从易到难, 从模具结构认知到模具结构设计, 从单分型面设计到多分型面设计。学生根据每一关的任务要求闯关, 未完成任务表明闯关失败, 并在评价表中记录失败的相关信息。通常, 学生在游戏式的学习环境中越战越勇, 兴趣得到进一步激发。教师通过考查学生的闯关数及评价表信息, 给出学生的综合考评成绩, 针对学生碰到的共性问题进行集中讲解。我们共设置了三种评价方式:一是自我评价, 二是小组评价, 三是教师评价。对各类评价都列出表格 (参见表1、表2及表3) , 让评价人来填写。

在表1、表2、表3中, 成绩评定都采用等级制, 即优秀、良好、中等、较差四个等级。通过对评价结果进行统计, 分析学生获取知识、参与项目等的程度, 从而反映出学生的职业素质和技能掌握情况。

综上分析可知, 虚拟仿真实训对提高学生的基本职业素质和技能有下列优点: (1) 针对区域对人才的需求特色、需求量确定人培养目标, 对学生进行有较强岗位针对性的技能训练, 突出就业岗位的素质和技能。 (2) 虚拟仿真实训融合现代化多媒体教学手段, 使学生像体验游戏晋级一样去学习专业知识, 提升了学生的学习主动性。 (3) 虚拟仿真实训具有四重应用价值:灵活性———灵活采用专业软件开展技能训练;充分性———充分利用高职学生在校的三年时间, 开展技能训练;拓展性———能拓展实训课题内容的广度和深度;加强性———对重点课题可加强训练, 便于对训练过程和考核鉴定进行强化管理。

参考文献

[1]乐国友.采用仿真模拟实训强化学生的职业岗位素质和技能[J].科技情报开发与经济, 2006, (5) :265-266.

[2]李金国, 王刚毅, 何向华.高职《塑料模具设计》课程有效教学初探[J].职业教育研究, 2008, (8) :58-59.

[3]柯中炉, 牟惠康, 杨林生.以虚拟仿真技术提升高职实践教学有效性的探索——以生化制药技术专业实践教学为例[J].中国职业技术教育, 2009, (5) :21-25.

[4]李金国, 杨林生, 李云贵.虚拟现实技术应用于高职模具实训教学的有效性探究[J].职教论坛, 2010, (3) :66-69.

虚拟维修中的人机工程仿真 篇9

维修是保证机器正常运行中重要的一部分, 任何维修作业都离不开人的直接参与, 维修中的人机工程学问题就显得非常重要。传统的维修性人机分析与评价主要在产品开发后期进行, 一般使用物理样机或全尺寸模型, 其分析过程费时且费力。

随着计算机辅助设计技术的发展, 出现了虚拟维修的研究新领域, 虚拟维修是逼真地模拟真实维修活动[1], 在产品的设计阶段就开展维修性的分析, 借助计算机辅助人机分析技术可提前考虑维修中的人机工程学问题, 在产品开发阶段进行合理的人机分配, 降低维修中的劳动强度, 提高维修效率, 避免维修中意外伤害的发生。

本文将对维修中的人机因素进行分析, 研究如何在产品开发阶段就使用数字人体模型进行人机仿真分析的方法, 提高产品的可维修性。

1 维修中的人机工程学

将人机工程学应用到维修性设计中, 从“便于维修”、“安全维修”和“高效维修”的角度来进行设计[2]。根据维修中的常用操作及对安全方面等的需求, 维修中的人机工程学可以细分为以下几个方面:

1.1 可达性

维修可达性是指维修产品时, 能够迅速方便地到达维修部位的特性。通俗地说, 就是维修部位能够“看得见、够得着”[3]。可达性不好, 无法接近维修部位, 可能会造成无法维修, 或者需要耗费很多维修人力和时间。

1.2 操作空间

维修过程中必须要有人的参与, 或借助工具进行维修, 这样就要求提供足够的维修空间, 尤其是使用工具或多人协同维修中需要更大的操作空间。

1.3 视觉

视觉是人类感知外界的重要感觉方式, 在维修中必须充分考虑视觉的可达性, 考虑维修中对视觉方面的要求。根据维修人员的姿势、是否使用工具及工具的大小来设置合适的观察窗, 同时考虑维修过程中其他部件或工具以及多人维修中对个人视线的遮挡。

1.4 安全性

安全性是维修活动中非常重要的问题, 其涉及内容更复杂, 需要在设计过程中反复检验。因身体、手等的运动, 机械整体或维修口等对身体造成的伤害。

1.5 舒适性

操作姿势是人机工程中重要的因素, 考虑维修人员的维修姿势, 如何使其处于最佳操作姿势, 减少维修中的劳动强度, 避免不合理的操作工位。

1.6 方便性

因维修过程中需要对局部部件进行拆卸, 这样就要考虑如何对拆装进行布局, 使其各部分便于拆装, 减少拆装过程中的运动距离, 减轻拆装过程中的体力负担。

2 基于数字人体的虚拟维修人机仿真

随着计算机辅助技术的发展, 现有三维软件完全可满足计算机辅助设计的各种需要, 在产品开发阶段实现虚拟设计、虚拟装配、生产加工等一系列仿真与分析。目前在大型设计软件中如Catia、NX UG、Creo (原Pro/E) 中设有专门的人机分析模块, 使用此模块可对产品使用过程进行人机仿真, 也可以对维修过程进行人机仿真[4]。人机仿真操作步骤可分为创建三维数字模型构建维修场景, 导入数字人体模型并进行定位, 将维修动作进行分解、确定关键点的维修动作, 对数字人体分配维修任务, 最后使用人机模块中的可达性分析、视觉分析、推拉分析等进行人机仿真与分析, 最终输出人机分析结果。

3 数控车床维修仿真实例

在Creo中建立数控车床模型, 建立维修环境, 然后导入数字人体模型, 根据GB/T10000中国成年人人体尺寸[5], 数字人模型采用中国男性、P50百分位数的中等身材, 身高为1678 mm, 如图1所示。

1) 可达性仿真。在车床出现故障时, 经常要检查电气控制箱、刀架、主轴传动、编程器的状态, 此部分应具有良好的可达性。如图2所示为电气控制箱的可达性分析 (图左部分) 和刀架的维修可达性分析 (图右部分) , 处于阴影区的部分具有良好的可达性, 阴影区外的部分需要调整维修姿势, 虽然可达, 但维修姿势不合理, 易造成疲劳。

2) 可视性仿真。当数字人体的目光集中在刀架时, 在当前维修姿势下, 视线中心可透过保护罩窗口 (图3) , 观察刀架或工件, 此过程可检查维修窗口开设是否合理。图4为使用数字人体时的视野, 可直接模拟出维修时的可视区域, 为了能让视线中心落到刀架的中心, 头部需要前倾或再稍弯腰操作。

3) 维修中的安全仿真。安全仿真需要数字人体在动态操作模式下进行, 或者对关键维修部位进行静态仿真, 检查是否存在干涉, 是否发生碰撞。在图5所示的尾架操作或维修中, 因安全问题需要以最小尺寸人群为设计依据, 在图5中采用P5百分位的数字人体男性, 身高为1 570 mm。从三维场景中可直观地观察出编程器与尾架距离过近, 在操作或维修尾架过程中, 会出现碰头的安全隐患, 需要在进一步设计中解决此设计隐患。

4) 维修中的舒适性仿真。此款数控车床主轴中心距地面高度为1 090 mm, 在维修主轴时, 一般需要蹲姿或弯腰进行操作, 如长时间进行此维修, 将长期处于不良体位, 非常容易引起疲劳。使用Creo中的RULA分析时, 左臂和右臂分析结果得分均为3, 需要进一步调查。此款车床主轴维修口宽为340 mm, 在两手操作中可能会出现碰撞的安全隐患。

4 结论

在数字化设计阶段就进行维修中的人机分析, 在设计的早期阶段就可以解决设计中必须考虑的人机问题, 为人性化的设计奠定了基础。使用Creo的人机工程分析模块, 能完成可达性、视觉、安全性等基本人机仿真, 完全能满足一般人机仿真的需要。因维修工作范围比较广, Creo人机功能还不够完善, 在维修的路径规划等方面还存在一定的问题, 需要在后续研究中改进。

参考文献

[1]张王卫, 苏群星, 刘鹏远.面向虚拟维修的拆卸过程建模研究[J].制造业自动化, 2011, 33 (12) :56-58.

[2]阮宝湘.工业设计人机工程[M].北京:机械工业出版社, 2010.

[3]蒋伟.基于虚拟人的维修可达性仿真及评价技术研究[D].长沙:国防科学技术大学, 2009.

[4]张铁成.基于三维数字人体模型的多媒体讲台人机工程设计[J].制造业自动化, 2013, 35 (2) :103-105.

安全人机工效虚拟仿真实验系统设计 篇10

每次发生安全事故总会伴随着人员伤亡和财产损失[1],而事故具有因果性、随机性、潜伏性和可预防性等基本特性。因此,可通过对其因果性进行研究实现预防事故的目的。由于安全生产事故试验具有不可重现性等特点,如爆炸、火灾、跌落等,目前多采用事故发生后通过事故树分析[2,3]、统计分析[4,5,6,7]、模型计算等理论方法进行推测与分析,无法通过试验方法对其进行研究和验证。因此,严重限制了安全生产基础理论及其应用技术的发展。随着虚拟仿真技术的成熟,将虚拟仿真技术应用于安全生产事故研究等[8,9]领域成为必然的趋势。

1 虚拟仿真实验系统构成

安全人机工效虚拟仿真实验系统主要由虚拟仿真开发平台、虚拟仿真展示平台、虚拟仿真交互平台、实验数据分析平台四部分构成,系统架构如图1所示。

1.1 虚拟仿真开发平台

虚拟仿真开发平台可采用Vizard、Virtools、CATIA、CAD、Inventor等软件建立安全人机工效虚拟仿真实验系统所需的虚拟仿真场景,也可通过Jack软件自带的建模工具建立虚拟仿真场景。

1.2 虚拟仿真展示平台

虚拟仿真展示平台主要通过立体投影仪或视频头盔将虚拟仿真场景展示给受试者,达到使受试者如临其境的目的。

1.3 虚拟仿真交互平台

虚拟仿真交互平台是实现受试者和虚拟场景交互的重要接口,通过多点位置跟踪系统定位受试者(包括头、躯干、四肢、手等)在现实环境和虚拟场景中的对应位置,并通过数据手套实现受试者抓取虚拟场景中物体的功能。

1.4 实验数据分析平台

实验数据分析平台是安全人机工效虚拟仿真实验系统获取实验数据的关键部分,通过将虚拟场景嵌入Jack软件中,并将自定义大小的人体放入到虚拟场景中,通过虚拟仿真交互平台实现受试者和虚拟人的仿真交互,借助Jack软件的可视性分析、可达性分析、工作姿势分析、疲劳恢复分析、受力分析等功能进行人因实验;并可借助表面肌电、脑电等外设设备对相关生理指标进行测试,获得所需的实验数据,为安全生产事故等的研究提供基础试验数据。

2 虚拟仿真实验系统关键集成技术

安全人机工效虚拟仿真实验系统最主要的功能是对虚拟仿真系统中的安全人机工效领域的相关问题进行研究和分析,因此,借助Jack人因分析软件和表面肌电、脑电等外设设备成为必然的选择。

可导出CAD模型、基于VRML、IGES、立体(STL)和inventor(iv)和.JT文件格式的3D图形数据的虚拟仿真开发平台均可满足Jack人因分析软件的要求;虚拟仿真展示平台用于呈现虚拟仿真场景,采用立体投影仪(含投影仪)或视频头盔的方式均可实现,但立体投影仪、视频头盔以及服务器显示器的灵活切换需进行系统集成和设计;而虚拟仿真交互系统集成难度最大,既需要考虑使用环境、设备成本,又需考虑Jack人因分析软件的兼容性等问题,成为安全人机工效虚拟仿真实验系统集成的难点和重点。

2.1 虚拟仿真交互平台动作捕捉器的选择

动作捕捉器是虚拟仿真交互平台最重要的设备,目前主要包括:机械式、声学式、光学式、物理惯性式、电磁式等几种类型的动作捕捉器。

(1)机械式动作捕捉器通过机械装置来跟踪和测量运动轨迹,成本低,精度较高,可实时测量,且可同时容许多个角色。但使用非常不方便,机械结构对动作阻碍和限制很大。

(2)声学式动作捕捉器通过测量声波从发送器到接收器的时间或者相位差,系统计算并确定接收器的位置和方向。成本较低,但对运动的捕捉有较大延迟和滞后,实时性较差,精度不高,声源和接收器间不能有大的遮挡物体,受噪声和多次反射等干扰较大;气压、湿度、温度对结果有影响,需进行补偿。

(3)光学式动作捕捉器通过对目标上特定光点的监视和跟踪来完成运动捕捉的任务。动作捕捉器重量轻、耐用、不受电磁波干扰,但易受光和障碍物的影响;价格昂贵,后处理工作量较大,装置定标较为烦琐,不同部位的特定光点有可能发生混淆、遮挡,产生错误结果。

(4)物理惯性式动作捕捉器是在人身上的关键点绑定惯性陀螺仪,分析陀螺仪的位移变差来判定人的动作幅度和距离。不受环境的磁场和光线的限制,无线传感距离最高可达300m,但不适宜过度剧烈的打斗动作,存在累积偏差。

(5)电磁式动作捕捉器利用磁场的强度进行位置和方位跟踪,价格较低、精度适中、采样率高、安装容易、工作范围大,允许多个磁跟踪器跟踪整个身体运动,增加了跟踪运动的范围。但易受金属干扰、环境要求严苛;试验范围比光学式要小,特别是电缆对实验者的活动限制比较大,不适宜比较剧烈的运动。

安全人机工效虚拟仿真实验系统主要是利用Jack软件的人因分析功能对实验者的人因问题进行分析。机械式动作捕捉器对实验者的动作限制太大,声学式动作捕捉器延迟较重,光学式动作捕捉器价格太高且后处理工作量较大。物理惯性动作捕捉器可以很好的满足安全人机工效虚拟仿真试验的需求,但系统建立时市面上没有与Jack软件兼容的相关仪器设备。而电磁式动作捕捉器价格相对低廉,且可通过设置试验环境尽量避免电磁干扰,实验者在实验室内有一定的作业空间,但活动范围不大,恰好能满足电磁式动作捕捉器的使用要求。因此,最终选择美国Ascension公司的MotnionStar电磁式动作捕捉器和5DT的数据手套为安全人机工效虚拟仿真实现系统的交互设备。

2.2 动作捕捉器和数据手套的集成

利用Jack软件Modules(模块)→Motion Capture(动作捕捉)菜单下的Ascension Devices(Ascension设备)选项中的Motionstar选项设定MotnionStar电磁式动作捕捉器的数量、比例以及与数字人体的对应关系,实现受试者和数字人体的仿真交互,包括躯干、头、四肢和手等。

利用Jack软件Modules(模块)→Motion Capture(动作捕捉)菜单下的5DT Glove(5DT 数据手套)选项设定数据手套的左右手、比例以及与数字人体左右手和手指的对应关系,实现受试者左右手、手指与数字人体的仿真交互。

2.3 虚拟仿真展示平台的集成

安全人机工效虚拟仿真实验系统虚拟仿真展示平台包括立体投影仪、视频头盔和服务器显示器三处展示系统。虚拟仿真开发平台一般需采用服务器的显示器(2个)呈现虚拟场景;一维第一人称和第三人称显示采用立体投影仪呈现虚拟场景;三维第一人称显示采用视频头盔呈现虚拟场景;而且试验过程中,受试者利用视频头盔进行虚拟作业,立体投影仪以第三人称呈现受试者的作业情况,服务器显示器用于呈现虚拟场景调试相关内容。因此,服务器显示器、视频头盔、立体投影仪需频繁切换,试验时三者若能同时显示效果最佳。

安全人机工效虚拟仿真实验系统采用双投影仪的偏正光原理呈现立体虚拟场景,服务器显示器、视频头盔、立体投影仪显示均需2路视频输入,为确保系统满足将来至少2名受试者相互交互的试验需求,安全人机工效虚拟仿真实验系统采用8进8出的视频矩阵解决上述问题,实现虚拟仿真展示平台的系统集成。虚拟仿真展示平台系统架构如图2所示。

2.4 安全人机工效虚拟仿真实现系统的应用初探

安全人机工效虚拟仿真实验系统可利用CAD等开发平台开发虚拟场景,并将虚拟场景导入Jack软件中,植入数字人体模型,通过电磁式动作捕捉器和数据手套实现虚拟仿真交互功能,利用视频矩阵技术通过视频头盔和三维投影系统等多种方式呈现虚拟场景,并利用Jack软件的人因分析等功能对实验结果进行分析。目前该系统在中国安全生产科学研究院已建成并投入使用,如:以中国人(95%的置信区间)建立数字人体,植入建立的虚拟场景中,通过动作捕捉器和数据手套进行仿真交互,利用Jack软件内置的OWAS姿势分析方法对受试者的作业姿势进行分析分析和评估,试验场景及其OWAS姿势分析结果示例如图3所示。

3 展望

安全人机工效虚拟仿真实验系统的建立解决了很多安全生产事故无法重现并进行实验的技术难题,为安全生产领域的科研工作奠定了坚实的基础,具有很好的应用价值。日后应结合具体的科研任务,建立特定的虚拟场景,完成相应的实验任务。

摘要：虚拟仿真技术可有效解决安全生产领域基础理论和应用技术研究过程不能进行试验验证的技术难题。首先阐述了安全人机工效虚拟仿真实现系统的构成以及各部分功能,确定了以Jack软件的可视性分析、可达性分析、工作姿势分析、疲劳恢复分析、受力分析等人因分析功能为核心,建立集开发平台、展示平台、交互平台和数据分析平台为一体的安全人机工效虚拟仿真实验系统。分析了系统集成的关键技术,对比了不同类型动作捕捉器的基本原理和优缺点,结合安全人机工效实验需求,确定了采用电磁式动作捕捉器的系统集成方案,以及动作捕捉器、数据手套和虚拟仿真展示平台的集成方法,并对本实验系统的应用前景进行了展望。

关键词：人机工效,虚拟仿真,仿真交互,安全人机工效,系统集成

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