虚拟现实技术在武器装备制造中的应用
将VR技术应用于装备设计中，是指在计算机系统中对装备的设计过程进行数字化仿真，从装备产品的造型设计与展示、驾驶室人机工程分析到装备的虚拟装配和制造、装备虚拟实验等各个阶段，VR技术将以全数字化的协同工作模式，为装备的设计提供集成式、并行化、多层次的数字化设计环境，以更小的资源消耗、更短的开发周期和更优的设计结果完成新型装备产品的开发工作。
目前的VR交互技术，其主要优势在于它高度的真实性和临场感，它能实现产品设计过程中各个环节的人机交互，使设计师更加快速、形象、具体地实现和修改设计方案，缩短产品开发的周期，降低市场风险，为企业带来更好的经济效益。当前，VR技术已经在机械、交通、航空等领域得到了广泛的应用。随着技术的日臻成熟和设计方法的不断完善，在装备设计、制造、装备定型、展示、单一装备和多种装备的综合性能仿真试验与作战仿真试验模拟领域，VR技术将会对传统的设计手段产生巨大的冲击，并成为不可或缺的装备科研与模拟应用展示平台。
1 VR在装备研发与设计中的应用
装备设计研发的目的归纳起来讲，就是根据用途和实际需要，设计研发出能有效地实现一种或多种功能的武器装备，满足未来战争需求。VR的装备设计流程主要是模拟人、几何模型、行为模型、模型数据的建立。在条件允许的情况下，采用多种方式对场景的物理模型和其他模型进行建模，以增加场景的逼真性和沉浸感。例如描述火焰、气体、雾等不规则物体的效果，可采用粒子系统进行模拟。
武器装备的研发与设计是一个复杂的过程，下图列举在武器设计研发过程中虚拟现实系统的部分应用，与传统研发设计相比虚拟设计更加的便捷、省时、省力、且可以节约因研发失败而造成的浪费，虚拟设计是建立在三维建模基础之上的；将所设计的三维模型直接导入虚拟现实系统来实现实时的验证，通过VR的高沉浸性将三维模型直观的进行全方位的展示和交互，包括刨面展示和设备碰撞测验，验证机械结构的合理性及各个零部件在整个武器系统中的布局、功能、性能测验，通过分析软件与后处理可视化软件展示整个武器系统及各部件的工作流程和方式、力分析、流体分析、热分析、穿透力、爆炸半径、辐射范围等综合性能的分析。
研发设计流程图
虚拟设计的特点
虚拟设计是用数字模型来代替物理原型来进行产品设计中的分析与评价，它以产品的计算机辅助设计（CAD）模型为基础，以领域知识和拟实技术等关键技术为支撑应用不同的分析方法检验并改进设计结果。
传统的产品设计开发，在前期阶段较少考虑后期因素，导致设计方案的反复改进，延长了开发周期。并行产品开发要求在产品设计阶段就考虑到可能影响产品质量、成本及开发时间的后续环节，以减少由于产品开发后期阶段出现重大问题的反馈，但是其缩短产品开发周期的作用仍然有限。虚拟设计利用存储在计算机内部的数字化模型—虚拟产品来代替实物模型进行仿真、分析，从而提高产品在时间、成本、质量等多目标中的决策水平，达到全局优化和一次开发成功的目的。
在虚拟设计中，设计过程在能够支持并行设计的产品数据管理的系统管理下，采用先进的软件系统帮助设计人员完成多学科产品的设计开发和创新过程。设计过程的虚拟表达程度同信息集成度呈现正比的关系。
因此，虚拟设计具有如下特点:
（1）虚拟设计的核心是体现了产品原型的全数字化。
（2）它是在多学科集成的基础上实现的。
（3）通过VR系统为设计师提供更为直观的交互。
2 VR在虚拟造型与评估中的应用
VR装备设计中的图形渲染是实时的，设计者可在虚拟场景中以任意视角和方式旋转、拖移物体以查看不同角度的造型特征和曲线空间位置，场景会实时显示最终产品效果，且装备产品的阴影关系和材质等属性不会偏移。此外，当赋予装备某结构以特定事件命令后，设计者可以随时启动这个事件。
传统的计算机辅助造型设计依赖于鼠标、键盘及复杂的3D造型软件，每次造型的修改都是以参数化变更为基础，程序的可视化程度及人机互动性较弱。而在虚拟设计系统中，设计人员不仅可以借助CAD软件的造型功能，甚至可以通过触觉式设计完成装备产品的三维模型构建，并产生相应的数字参数以备修改。
在装备设计效果评估方面，利用VR可视化的实时交互性，各个领域的工程师可有效的对装备的造型、结构、受力及装配制造等方面进行协同建模和设计评估，快速地对不同设计方案做出评价和分析。与样机原型相比，虚拟装备模型的生产速度较快，可以自由缩放、旋转以观察不同的视角和细节特征，使工程人员更详尽地掌握产品各类功能参数，为进行工程设计评估提供支持。此外，装备数字模型可以实时进行特征和操作参数修改。例如，我们可以通过触控的方式激发预设的参数命令，从而更改装备的色彩及材质，立体式呈现不同的设计方案，使沉浸其中的工程师更自由地进行设计方案交流。
3 VR在装备虚拟装配与制造中的应用
零部件的装配是三维设计系统的一个重要功能，但是目前的三维设计系统大多只能将零部件装配成为设备，而不能模拟零部件的装配过程，将装配技术与VR技术相结合就可以形成零部件的虚拟装配技术。虚拟装配技术以可视化方式展示设计产品的可装配性，同时还可以通过对零部件形状进行改进以降低装配的复杂性。虚拟的装配过程可以按照需要进行逐次或某一部分的装配进程。
装备的结构复杂，在装备的总体设计中，零部件的运动和装配干涉时有发生。在传统的设计方法中，从概念设计直至传统装配，这个流程是串行系统，因此，运动或装配干涉一般要到装备最终装配时方能发现。将VR软件引入虚拟装配系统后，工程人员不仅可以在并行工程系统中协同工作，且可以通过虚拟软件模拟装备装配，可以及时发现存在的零部件干涉，并能方便的更改图纸，以重新生成数字模型。在装备模拟装配环境中，通过数据手套的位置跟踪器触发事件命令，工程人员可以抓取场景中的任意零件，并能够自由拖放，当两个零件位置关系确定之后，系统则自动将零件装配起来。
虚拟设计系统还能模拟装备的制造过程，即装备虚拟制造。这是一种利用计算机仿真技术、数模信息处理技术对装备数字模型进行全面仿真的先进制造技术。通过装备的虚拟制造，可以在生产之前发现潜在的工艺问题。以便工程师及时修改，提高装备的一次制造成功率。从而降低研发成本，缩短装备开发周期，提升装备的综合性能。
虚拟制造的定义与特征
虚拟制造技术是由许多先进学科领域知识的综合集成与应用，它以数字化建模技术，计算机仿真技术，分析优化技术为基础，在产品设计阶段或产品制造之前，实时、并行地模拟出产品的未来制造全过程及其对产品设计的影响，预测产品的性能、成本，以缩短产品的开发周期，节约开发成本，提高生产效率。
虚拟制造中的“虚拟”是相对于实物产品的实际制造系统而言的，它强调的是制造系统运行过程的计算机化，虚拟制造是实际制造的抽象，生产出的是全数字化的产品，是在计算机及网络系统和相关软件系统中进行的制造，所处理的对象是有关产品和制造系统的信息和数据，处理结果是全数字化产品，而不是真实的物质产品，但是它是现实物质产品的一个数字化模型，即是一个虚拟产品，是现实产品在虚拟环境下的映射，在虚拟环境里具有现实产品所必须具有的特征和性能。
虚拟制造的分类
根据虚拟制造应用环境和对象的侧重点不同，虚拟制造分为三类：以设计为中心的虚拟制造，以生产为中心的虚拟制造和以控制为中心的虚拟制造。
（1）设计为中心的虚拟制造为设计者提供产品设计阶段所需的制造信息，从而使设计最优。设计部门和制造部门之间在计算机网络的支持下协同工作，以统一的制造信息模型为基础，对数字化产品模型进行仿真与分析、优化，从而在设计阶段就可以对所设计的零件甚至整机进行加工工艺分析、运动学和动力学分析、可装配性分析、可制造性分析，以获得对产品的设计评估与性能预测结果。
（2）生产为中心的虚拟制造为工艺师提供虚拟的制造车间现场环境和设备，用于分析改进生产计划和生产工艺，从而实现产品制造过程的最优。在我院现有的资源（如设备、人力、原材料等）的条件下，对产品的可生产性进行分析与评价，对制造资源和环境进行优化组合，通过提供精确的生产成本信息对生产计划与调度进行合理化决策。
（3）控制为中心的虚拟制造提供从设计到制造一体化的虚拟环境，对全系统的控制模型及现实加工过程进行仿真，允许评价产品的设计、生产计划和控制策略。以全局优化和控制为目标，对不同地域的产品设计、产品开发、市场营销、加工制造等，通过网络加以连接和控制。
虚拟装配过程
零部件的装配是三维设计系统的一个重要功能，但是目前的三维设计系统大多只能将零部件装配成为设备，而不能模拟零部件的装配过程，将装配技术与VR技术相结合就可以形成零部件的虚拟装配技术。虚拟装配技术以可视化方式展示设计产品的可装配性，同时还可以通过对零部件形状进行改进以降低装配的复杂性。虚拟的装配过程可以按照需要进行逐次或某一部分的装配进程。
4 VR在装备虚拟试验中的应用
每批次的装备在交付使用前，都要进行行驶试验，在运行过程中发现存在的问题和缺陷，以便在装备后续生产中及时修订方案，避免事故的发生。所以，试验是武器型号研制过程中最为关键的一步，可以确定型号的各种性能是否达到设计的期望。
在科学技术的进步以及国际形势的影响下，越来越多的高新技术应用到武器型号中，一方面是武器型号的性能得到了提高，另一方面是武器型号的复杂度也在提高。在复杂的武器系统中，各部件之间的耦合、关联等会更加冲突，任何更改都可能需要对武器型号进行大量的试验。在每次的实验中都需要大量的人力、物力、时间等方面的组织和配合，导致武器研制周期延长、费用增长。为了减少试制次数、节省科研经费、缩短研制周期，很多西方国家，诸如，美国英国等发达国家，都已经投入了大量的人力与经费于虚拟现实试验方面的研究。
随着VR技术在装备设计领域的突破性应用，物理试验模型PMU已逐步被计算机仿真数据模型代替，并在数字模型的基础上，不仅对装备的造型、结构、零部件的建和关系等进行设计和评价，还可以结合分析软件在虚拟场景中对数字样品的部分结构或者整体进行性能测试和模拟实验。这样一来，设计缺陷将会在第一台装备生产之前暴露出来，而不必等到装备在行驶试验进程中出现问题时再进行设计修改。
以飞航导弹制导控制系统VR 技术仿真为例。借助于从飞行试验前的准备至飞行试验实施的全过程，逐步形成了对飞航导弹系统性能评估方法分级的概念。以逼真程度和复杂程度作为性能评估方法分级的依据，从工作台测试到实际作战可将飞航导弹系统性能评估方法分为如下7 级：
1. 工作台测试：试用于提供测试单个硬件的性能参数；
2. 设计分析：使用CAE仿真预测各分系统间的数据；
3. 计算机仿真又称全数字仿真，作为一种分析工具用于预测整个飞航导弹系统的性能；
4. 动态飞行试验：如将导引头挂在飞机上进行试验，用以评估导引头硬件在飞行时的性能，但不修正运动时的动态效应；
5. 半实物闭合回路仿真：是含实物的闭合回路仿真，如导引头在三轴转台上，在受控的环境中进行闭合回路半实物仿真，用主计算机来实现飞航导弹的飞行动力学仿真模型；
6. 制导飞行试验：这是在试验靶场进行的飞航导弹飞行试验，试验中以一种特定的环境替代实际威胁的情景；
7. 实弹发射：这是对飞航导弹系统有效性最高层次的测定。
通常，从工作台测试到实弹发射，共分为7 级，逐步增强其复杂性和真实性，但实际情况仍需根据具体问题具体分析。如同一级性能评估方法亦可实现不同层次的真实性；如制导飞行试验选用的目标，可以是信号源、航模、靶标乃至具有代表性的威胁。环境条件可以是无干扰乃至有严重的敌对干扰等。当其采用较逼真的实际威胁的目标模型时，计算机仿真、动态飞行试验及半实物闭合回路仿真等不同级的性能评估方法亦可实现相似层次的逼真程度无论是VR 技术试验还是飞行试验，都要根据需要验证的问题与方案，恰当地选取逼真程度是绝对必要的。高逼真度是通过增加系统的复杂性、增大成本及花费较长的研制时间来获取的。
过份的要求将会浪费有价值的资源。反之，不满足逼真度要求时，回答系统问题所得出的答案将是无意义的。上述7 级性能评估方法，不应将其视为无关的，而应将其视为有着内在有机联系的。如计算机数学仿真和半实物仿真都将成为飞行试验分析有价值的工具。另一方面，飞行试验数据将成为一种基准，用于判断仿真预测的真实性。
提供科学的依据
近10 多年来， VR 技术在飞航导弹系统研制中已有了飞速的发展，从单项应用发展到全系统应用，从某一阶段应用发展到全过程的应用。现代VR 系统的建立与完善已成为飞航导弹系统从研制到装备不可缺少的重要组成部分。一个飞航导弹系统的全寿命周期包含可行性论证阶段、方案设计阶段、工程研制阶段、批量生产阶段及装备使用阶段。在这些大阶段中，由前一阶段转入后一阶段时，存在着带根本性的关键时刻，此时需要作出技术性和管理性的决策，一种日趋感到重要并具有颇高价值的能用于决策的信息资源是飞航导弹系统的仿真。因为仿真系统可提供如下优越性:·进行成本有效性的分析，并寻找到有效降低研制成本的途径；·颇具说服力的系统认证；·可信赖的系统性能评估，包括不同方案、不同状态及不同技术参数时的性能比较；·按预定日程装备部队的可行性分析；
当出现新型威胁时，可迅速反映出对飞航导弹系统的影响。迄今飞航导弹系统仿真已从研制性仿真发展到全寿命周期仿真。当然，研制性仿真仍然是极为重要的组成部分。所谓全寿命周期是指从研究确定战术技术指标开始，直至装备部队使用的全过程。通常可分为如下7 个阶段；
1. 技术可行性论证阶段；
2. 设计阶段(包括概念设计、方案设计和工程设计) ；
3. 工程试制阶段；
4. 飞行试验阶段；
5. 鉴定和定型阶段；
6. 批量生产阶段；
7. 装备使用阶段。
前5 个阶段都属于研制性仿真。这7 个阶段中任一阶段都有相应的仿真内容，各阶段的仿真应用如下:
1) 可行性论证阶段
用于研究战术技术指标的合理性与可行性，主要进行技术基础的研究，包括风险评估、技术途径探讨、新概念的形成、新概念的可行性分析及新概念的选用等；
2) 设计阶段
用于比较并选定飞航导弹系统方案，并确定对分系统的主要参数要求，包括技术论证、新概念确认、系统总体设计、体系结构优化及合理选取资源等；
3) 工程试制阶段
用于理解系统、摸清系统性能及对飞航导弹系统性能作出初步评估，亦包括开发系统作战软件等；
4) 飞行试验阶段
用于验证设计的合理性并对系统性能做出评估，包括试飞前试飞性能的预测、试飞后结果分析、故障原因分析、数学模型修正及对飞航导弹系统的某些参数的修改等；
5) 鉴定和定型阶段
利用已确认的具有较高置信度的仿真系统，进行统计性试验，得到整个作战空域各种作战情况下对诸种目标的杀伤概率；
6) 批量生产阶段
用于投产前决策研究，包括对飞航导弹系统的确认等，从生产成本和工艺可行性着眼，在可生产性和技术指标之间做出最优选取，调整某些测试参量的公差范围，在确保系统质量的基础上设法降低成本；
7) 装备使用阶段
用于暴露飞航导弹系统的薄弱环节，评价系统改进方案，评估对新型威胁的响应能力及进行操作使用培训仿真等。
由于VR 系统拥有充分而可信的大量仿真信息，从而减少了研制工作的盲目性和不确定因素，使技术和管理决策正确、合理、及时并有依据，因此建造一个贯穿于飞航导弹系统研制、生产及装备的各阶段并能为各阶段决策服务的仿真系统是必需的，从上述介绍可见， VR 技术在飞航导弹系统研制、生产及装备中所起的重要作用。
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