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摘 要：新型地面测试设备技术先进、可靠，但局限于成本高、寿命有限，不能大量装备部队，因此需要建立一套仿真训练系统，来加强对新型地面测试设备使用人员的技术培训，以便于使受训人员迅速掌握该设备的工作原理及检测过程。而我们提出的更高要求是训练操作人员对设备故障的正确排除能力。本文在某型测试仿真训练系统的基础上，基于虚拟现实技术，提出了对测试过程中可能出现的故障及处置结果进行仿真的设计方案。
关键词：虚拟现实；故障设定；测试设备
1.引言
由于新型地面测试设备功能复杂，在测试仿真训练系统中加入故障设定模块，目的是通过训练，使操作人员在设备发生故障或其他紧急情况时能够做出正确的反应，及时排除故障，保证弹药安全，最大限度的降低损失。在故障设定模块中，操作人员的运动方位可由3-D位置跟踪器跟踪，对故障的实际操作用传感手套进行数字化，视觉反馈发送给立体显示器，虚拟声音由3-D声音生成器计算，下面本文对设计方案的具体实现进行了概述。
2.虚拟现实技术的基本特征
虚拟现实（Virtual Reality)技术，简称VR，是利用三维图形生成技术、多传感交互技术以及高分辨显示技术，生成三维逼真的虚拟环境，使用者戴上特殊的头盔、数据手套等传感设备，或利用键盘、鼠标等输入设备，便可以进入虚拟空间，进行实时交互，感知和操作虚拟世界中的各种对象，从而获得身临其境的感受和体会。虚拟现实技术具有以下基本特征：
(1)沉浸性。虚拟现实技术是根据人的视觉、听觉等生理特点，由计算机产生逼真的三维立体图像。使用者与虚拟环境中的各种对象相互作用，就如同在现实世界中的一样。
(2)交互性。虚拟现实系统中的人机交互是一种近乎自然的交互，使用者不仅可以利用电脑键盘、鼠标进行交互，而且能够通过特殊头盔、数据手套等传感设备进行交互。计算机能根据使用者的头、手、眼、语言及身体的运动，来调整系统呈现的图像及声音。使用者通过自身的语言、身体运动或动作等自然技能，就能对虚拟环境中的对象进行考察或操作。当使用者移动头部时，虚拟环境中的图像也实时跟随变化，拿起物体可使物体随着手的移动而运动，而且还可以听到三维仿真声音。
(3)多感知性。由于虚拟现实系统中包括视、听、触、动觉的传感及反应装置，因此，使用者在虚拟环境中可获得视觉、听觉、触觉、动觉等多种感知，从而达到身临其境的感受。
3．在测试仿真训练系统中进行虚拟故障设定的必要性
3.1主观因素
由于检测设备数量有限，检测任务重，时间跨度大，因此设备不可避免的会发生故障。当设备发生故障时，有经验的操作人员可进行有效的处理，把设备及被测导弹的损伤降到最低，然后对设备进行排故维修。如果操作人员没有经验，处置不当，有可能对设备及导弹造成损坏，甚至诱发不可预想的后果。
3.2客观因素
（1)设备数量和训练场地有限，受训人员培训周期长、有效训练时间短，训练效率低。
（2)实际操作中出现的故障现象和检测维修操作种类有限，多数只能从教材中抽象理解。
（3)设备功能结构复杂，造价较高，实装检测维修训练成本高，且训练中畏惧设备损坏等心理负担较为普遍。而且一些故障往往是不可修复性的，会造成巨大的经济损失。
3.3结合测试设备几个例子分析
（1）测试厂房的供电不得超过规定的范围，即单相220V±20V，三相380V±38V。如果电压过高，会对设备造成毁灭性的伤害，这时设备的一些部位会发生冒烟现象，如果操作人员有经验，应及时关闭总电源，但如果操作人员按照一般的操作流程先关闭计算机，那么设备有可能完全烧毁。
（2）射频电缆的连接必须拧到位，避免微波的泄露。这一故障会造成测量结果误差，从而对导弹的检测结果造成误判，如果是弃真错误会使合格的导弹误判成不合格，造成巨大的经济损失，如果是存伪错误会使不合格导弹误判成合格，影响作战任务的完成。
（3）气源气路对接必须使用专用工具拧紧，防止测试过程中由于气嘴没拧紧，造成气路脱落危及人身安全。如果气路脱落，操作人员处置不当，也会造成一定损失。因此进行虚拟故障设定来对操作人员进行专门的训练是十分必要的。
4.某型测试仿真训练系统虚拟故障设定方案设计
故障的设定是以图形工作站、现代先进的建模与仿真软件作为核心，采用虚拟现实、多媒体模拟、3-D仿真、数据库等技术进行开发设计，利用3-D位置跟踪器实现人员动作的精确测量，通过事件驱动的硬件信号采集电路，来完全仿真虚拟故障的排除过程。虚拟现实的结构如图1所示。
4.1故障设置仿真的硬件设计
某型测试仿真训练系统的故障设定硬件结构如图2所示。图形工作站运行故障设定仿真训练软件，通过多媒体技术控制系统模拟背景声音和设备声音（噪音），视景画面通过RGB信号分配器送到主控计算机的液晶显示器上，操作人员训练过程中所有的电缆连接、插头拧紧、气路重新对接、电源启动、键盘鼠标操作等动作通过专用信号采集电路及数据手套（VPL）进行采集，并以命令码方式发送到工作站，仿真软件对命令码进行记录，系统计算机对操作步骤进行分析，将操作人员对故障排除的结果传输到立体投影系统对结果进行显示。
图2故障设置的硬件组成图
在3-D空间中移动对象共有三个平移参数和三个旋转参数，如图2所示，如果在移动对象上捆绑一个笛卡尔坐标系统，那么它的平移将沿着X,Y,Z轴移动，沿这些轴做的运动分别被称为“偏航（yaw）”、“倾斜（pitch）”、“旋转（roll）”。这些参数的测量结果组成了一个六维的数据集。超声波跟踪器是利用不同声源的声音到达某一特定地点的时间差、相位差、声压差进行空间位置的跟踪，基于此实现操作人员空间位移的确定。
数据手套，又称DataGlove。该系统包括位置、方向传感器和沿每个手指背部安装的一组带保护套的光纤导线，它们检测手指和手的运动，光纤可以测量每个手指的弯曲和伸展。每条光纤从控制器的线路板引出，在控制器的内部，每根光纤导线的一端配备一个发光二极管，而其另一端连接一个光传感器。控制单元把从光传感器那里接收的能量转变成电信号。当弯曲手指时，发光二极管的光经过光纤导线从导线保护套的裂缝或切口逸出。关节越弯曲，光纤逸出越多，到达光传感器的光越少，光量的多少反映了手指的弯曲程度。该测试仿真训练系统涉及最多的就是手指弯曲拧紧接口。
4.2故障设置仿真的软件设计
某型测试仿真训练系统软件的故障设定组成如图3所示。训练仿真软件的开发分别采用Vega,C#为编程语言，利用其内部功能开发了声响控制模块、操作事件响应模块、评分模块、打印模块、浏览模块、参数设置模块，利用虚拟环境造型工具Multigen Creator、3DMAX建模软件、OpenGL三维图形处理库和Vega图形开发库等，以C#作为开发平台实现了环境视景产生模块、视景漫游模块等。
图3某型测试仿真训练系统故障设定模块
某型测试训练仿真系统故障参数的设定如图4所示。
5.结束语
通过对该仿真训练系统中故障设定功能的使用，可以提高操作人员排除测试设备故障及处置应急事件的能力，提高官兵的心理素质。由于故障设定采用了虚拟现实技术，避免了设备器材的损耗，在达到训练效果的前提下节约了经费开支，同时确保了安全，具有一定的军事意义与经济意义。但是由于该功能尚属初探性研究，该故障设定功能与现有测试仿真训练系统的兼容性还需进一步完善。
参考文献：
[1]刘鹏远等.某型武器系统虚拟操作训练系统[J].计算机工程，2003,10.
[2]李会杰,李亚峰等.基于虚拟现实技术的某型导弹仿真训练系统研究[J].系统仿真学报，2008，05.
[3]王茜,戴革林等.航空弹药测试[M].徐州空军学院.2008, 06.
[4]禹海全,郝永生,马剑等.一种基于虚拟现实技术的导弹模拟训练系统[M].系统仿真学报，2006，04.
[5]王炜,包卫东,张茂军等.虚拟仿真系统导论[M].徐州空军学院.2006，10.
关键词：虚拟现实；故障设定；测试设备
1.引言
由于新型地面测试设备功能复杂，在测试仿真训练系统中加入故障设定模块，目的是通过训练，使操作人员在设备发生故障或其他紧急情况时能够做出正确的反应，及时排除故障，保证弹药安全，最大限度的降低损失。在故障设定模块中，操作人员的运动方位可由3-D位置跟踪器跟踪，对故障的实际操作用传感手套进行数字化，视觉反馈发送给立体显示器，虚拟声音由3-D声音生成器计算，下面本文对设计方案的具体实现进行了概述。
2.虚拟现实技术的基本特征
虚拟现实（Virtual Reality)技术，简称VR，是利用三维图形生成技术、多传感交互技术以及高分辨显示技术，生成三维逼真的虚拟环境，使用者戴上特殊的头盔、数据手套等传感设备，或利用键盘、鼠标等输入设备，便可以进入虚拟空间，进行实时交互，感知和操作虚拟世界中的各种对象，从而获得身临其境的感受和体会。虚拟现实技术具有以下基本特征：
(1)沉浸性。虚拟现实技术是根据人的视觉、听觉等生理特点，由计算机产生逼真的三维立体图像。使用者与虚拟环境中的各种对象相互作用，就如同在现实世界中的一样。
(2)交互性。虚拟现实系统中的人机交互是一种近乎自然的交互，使用者不仅可以利用电脑键盘、鼠标进行交互，而且能够通过特殊头盔、数据手套等传感设备进行交互。计算机能根据使用者的头、手、眼、语言及身体的运动，来调整系统呈现的图像及声音。使用者通过自身的语言、身体运动或动作等自然技能，就能对虚拟环境中的对象进行考察或操作。当使用者移动头部时，虚拟环境中的图像也实时跟随变化，拿起物体可使物体随着手的移动而运动，而且还可以听到三维仿真声音。
(3)多感知性。由于虚拟现实系统中包括视、听、触、动觉的传感及反应装置，因此，使用者在虚拟环境中可获得视觉、听觉、触觉、动觉等多种感知，从而达到身临其境的感受。
3．在测试仿真训练系统中进行虚拟故障设定的必要性
3.1主观因素
由于检测设备数量有限，检测任务重，时间跨度大，因此设备不可避免的会发生故障。当设备发生故障时，有经验的操作人员可进行有效的处理，把设备及被测导弹的损伤降到最低，然后对设备进行排故维修。如果操作人员没有经验，处置不当，有可能对设备及导弹造成损坏，甚至诱发不可预想的后果。
3.2客观因素
（1)设备数量和训练场地有限，受训人员培训周期长、有效训练时间短，训练效率低。
（2)实际操作中出现的故障现象和检测维修操作种类有限，多数只能从教材中抽象理解。
（3)设备功能结构复杂，造价较高，实装检测维修训练成本高，且训练中畏惧设备损坏等心理负担较为普遍。而且一些故障往往是不可修复性的，会造成巨大的经济损失。
3.3结合测试设备几个例子分析
（1）测试厂房的供电不得超过规定的范围，即单相220V±20V，三相380V±38V。如果电压过高，会对设备造成毁灭性的伤害，这时设备的一些部位会发生冒烟现象，如果操作人员有经验，应及时关闭总电源，但如果操作人员按照一般的操作流程先关闭计算机，那么设备有可能完全烧毁。
（2）射频电缆的连接必须拧到位，避免微波的泄露。这一故障会造成测量结果误差，从而对导弹的检测结果造成误判，如果是弃真错误会使合格的导弹误判成不合格，造成巨大的经济损失，如果是存伪错误会使不合格导弹误判成合格，影响作战任务的完成。
（3）气源气路对接必须使用专用工具拧紧，防止测试过程中由于气嘴没拧紧，造成气路脱落危及人身安全。如果气路脱落，操作人员处置不当，也会造成一定损失。因此进行虚拟故障设定来对操作人员进行专门的训练是十分必要的。
4.某型测试仿真训练系统虚拟故障设定方案设计
故障的设定是以图形工作站、现代先进的建模与仿真软件作为核心，采用虚拟现实、多媒体模拟、3-D仿真、数据库等技术进行开发设计，利用3-D位置跟踪器实现人员动作的精确测量，通过事件驱动的硬件信号采集电路，来完全仿真虚拟故障的排除过程。虚拟现实的结构如图1所示。
4.1故障设置仿真的硬件设计
某型测试仿真训练系统的故障设定硬件结构如图2所示。图形工作站运行故障设定仿真训练软件，通过多媒体技术控制系统模拟背景声音和设备声音（噪音），视景画面通过RGB信号分配器送到主控计算机的液晶显示器上，操作人员训练过程中所有的电缆连接、插头拧紧、气路重新对接、电源启动、键盘鼠标操作等动作通过专用信号采集电路及数据手套（VPL）进行采集，并以命令码方式发送到工作站，仿真软件对命令码进行记录，系统计算机对操作步骤进行分析，将操作人员对故障排除的结果传输到立体投影系统对结果进行显示。
图2故障设置的硬件组成图
在3-D空间中移动对象共有三个平移参数和三个旋转参数，如图2所示，如果在移动对象上捆绑一个笛卡尔坐标系统，那么它的平移将沿着X,Y,Z轴移动，沿这些轴做的运动分别被称为“偏航（yaw）”、“倾斜（pitch）”、“旋转（roll）”。这些参数的测量结果组成了一个六维的数据集。超声波跟踪器是利用不同声源的声音到达某一特定地点的时间差、相位差、声压差进行空间位置的跟踪，基于此实现操作人员空间位移的确定。
数据手套，又称DataGlove。该系统包括位置、方向传感器和沿每个手指背部安装的一组带保护套的光纤导线，它们检测手指和手的运动，光纤可以测量每个手指的弯曲和伸展。每条光纤从控制器的线路板引出，在控制器的内部，每根光纤导线的一端配备一个发光二极管，而其另一端连接一个光传感器。控制单元把从光传感器那里接收的能量转变成电信号。当弯曲手指时，发光二极管的光经过光纤导线从导线保护套的裂缝或切口逸出。关节越弯曲，光纤逸出越多，到达光传感器的光越少，光量的多少反映了手指的弯曲程度。该测试仿真训练系统涉及最多的就是手指弯曲拧紧接口。
4.2故障设置仿真的软件设计
某型测试仿真训练系统软件的故障设定组成如图3所示。训练仿真软件的开发分别采用Vega,C#为编程语言，利用其内部功能开发了声响控制模块、操作事件响应模块、评分模块、打印模块、浏览模块、参数设置模块，利用虚拟环境造型工具Multigen Creator、3DMAX建模软件、OpenGL三维图形处理库和Vega图形开发库等，以C#作为开发平台实现了环境视景产生模块、视景漫游模块等。
图3某型测试仿真训练系统故障设定模块
某型测试训练仿真系统故障参数的设定如图4所示。
5.结束语
通过对该仿真训练系统中故障设定功能的使用，可以提高操作人员排除测试设备故障及处置应急事件的能力，提高官兵的心理素质。由于故障设定采用了虚拟现实技术，避免了设备器材的损耗，在达到训练效果的前提下节约了经费开支，同时确保了安全，具有一定的军事意义与经济意义。但是由于该功能尚属初探性研究，该故障设定功能与现有测试仿真训练系统的兼容性还需进一步完善。
参考文献：
[1]刘鹏远等.某型武器系统虚拟操作训练系统[J].计算机工程，2003,10.
[2]李会杰,李亚峰等.基于虚拟现实技术的某型导弹仿真训练系统研究[J].系统仿真学报，2008，05.
[3]王茜,戴革林等.航空弹药测试[M].徐州空军学院.2008, 06.
[4]禹海全,郝永生,马剑等.一种基于虚拟现实技术的导弹模拟训练系统[M].系统仿真学报，2006，04.
[5]王炜,包卫东,张茂军等.虚拟仿真系统导论[M].徐州空军学院.2006，10.