張 琦，張?jiān)浦伲K凡囤，袁 博

（解放軍理工大學(xué) 工程兵工程學(xué)院，江蘇 南京 210007）

某型推土機(jī)以其機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、自動(dòng)化程度高、響應(yīng)迅速等特點(diǎn)，在完成多樣化軍事保障任務(wù)以及搶險(xiǎn)救援、事故勘察等非戰(zhàn)爭軍事行動(dòng)中發(fā)揮著重要作用.此類裝備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)施良好的技術(shù)保障是提高裝備工作可靠性的關(guān)鍵.目前，該裝備的維修訓(xùn)練普遍以物理樣機(jī)為訓(xùn)練對象，結(jié)合教師講解、二維多媒體演示等輔助手段進(jìn)行，此類訓(xùn)練方法實(shí)施范圍有限，人力、財(cái)力、裝備資源及時(shí)間消耗大.

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的日益成熟為上述問題提供了很好的解決辦法.通過對保障過程進(jìn)行仿真，人可以沉浸在虛擬環(huán)境中，加深了人們對裝備保障的準(zhǔn)確理解和直觀感受.這種訓(xùn)練方式具有安全、經(jīng)濟(jì)、可控、無風(fēng)險(xiǎn)、不受氣候條件和空間限制等優(yōu)勢.

1 保障虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)的組成

在充分分析用戶需求的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)開發(fā)了數(shù)字樣機(jī)、虛擬訓(xùn)練環(huán)境、保障過程仿真、保障知識庫、考核評價(jià)方法和系統(tǒng)管理等內(nèi)容，根據(jù)系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能構(gòu)建某型推土機(jī)保障虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)框架.

1.1 需求分析

虛擬保障依托虛擬場景和數(shù)字樣機(jī)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，雖然它與實(shí)際保障在過程和行為上具有一致性，但在操作方法和實(shí)現(xiàn)手段上都與實(shí)際維修過程存在著差別.為保證與真實(shí)裝備保障過程的一致性和交互過程的真實(shí)性和靈活性，虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)應(yīng)滿足如表1所示的幾方面要求.

表1 系統(tǒng)需求分析Tab.1 System demand analysis

1.2 系統(tǒng)功能與總體框架

1.2.1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

在開發(fā)系統(tǒng)平臺前，參考對系統(tǒng)的需求分析，準(zhǔn)確描述系統(tǒng)是十分必要的.而描述系統(tǒng)最直觀的方式是設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)，通過對功能的設(shè)計(jì)來構(gòu)建系統(tǒng)總體框架.考慮到某型工程裝備的復(fù)雜性、系統(tǒng)面向?qū)ο蟮亩鄻有浴⒂?xùn)練系統(tǒng)的通用性以及使用對象認(rèn)知和操作水平的差異，系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)應(yīng)主要體現(xiàn)以下幾個(gè)方面，如圖1所示.

1.2.2 平臺總體框架

在虛擬環(huán)境下，模型的建立和維修過程的實(shí)現(xiàn)技術(shù)難度大，因此虛擬訓(xùn)練所涵蓋的內(nèi)容超越真實(shí)保養(yǎng)的內(nèi)容范圍.依據(jù)系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)，平臺組織框架如圖2所示［1］，主要包括：① 虛擬樣機(jī)的建立.利用實(shí)體建模技術(shù)建立操作對象和虛擬環(huán)境模型庫，建立零件模型信息、維修工藝和故障診斷專家知識數(shù)據(jù)庫.② 信息獲取.對模型、位姿、科目等信息進(jìn)行獲取，為虛擬訓(xùn)練的實(shí)現(xiàn)做準(zhǔn)備.③ 模擬仿真過程的實(shí)施.依據(jù)維修內(nèi)容規(guī)劃，對虛擬人和維修過程進(jìn)行模擬仿真，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互.④ 反饋評價(jià).對位姿、碰撞、控制信息的改變做出響應(yīng)，使用反饋信息對訓(xùn)練質(zhì)量進(jìn)行考核評價(jià)，包括知識考核和過程考核［1］.

1.3 系統(tǒng)組成

依據(jù)交互形式劃分，虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)可分為桌面式、沉浸式、增強(qiáng)式、分布式等類型.考慮教育機(jī)構(gòu)投入成本等因素，桌面式虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)為較好的選擇.其投入成本不高，在訓(xùn)練教學(xué)領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用范圍廣、推廣價(jià)值高.高速輪式裝備保障虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)為桌面式虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)，在平臺設(shè)計(jì)上，力求簡潔實(shí)用，控制臺體積小.軟件部分使用VR環(huán)境開發(fā)平臺、建模平臺和方案實(shí)施平臺來實(shí)現(xiàn)交互信息的輸入和輸出.硬件平臺采用手柄、軌跡球、鼠標(biāo)等來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，并且控制臺上備有相應(yīng)的輸入、輸出設(shè)備通信接口，便于虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)的功能擴(kuò)展，保證虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠.系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)，人機(jī)交互界面更加人性化，科目設(shè)置具有通用性，便于拓展用于其他裝備的保障虛擬訓(xùn)練.系統(tǒng)平臺的組成如圖3所示.

圖1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the system function

圖2 平臺組織框架Fig.2 Organization framework of the platform

圖3 系統(tǒng)平臺組成Fig.3 Composition of the system platform

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 訓(xùn)練科目模塊化體系構(gòu)建

在訓(xùn)練科目規(guī)劃上，采用模塊化設(shè)計(jì)思想，在主程序框架下，設(shè)置各個(gè)訓(xùn)練主模塊及子模塊，通過主程序?qū)φ麄€(gè)訓(xùn)練過程進(jìn)行管理和控制.不同層次的用戶可以有針對性地選擇訓(xùn)練內(nèi)容.系統(tǒng)將訓(xùn)練教學(xué)模塊劃分為4個(gè)模塊：基礎(chǔ)訓(xùn)練、保養(yǎng)訓(xùn)練、拆裝訓(xùn)練和維修訓(xùn)練.訓(xùn)練過程中，用戶可以通過基礎(chǔ)訓(xùn)練了解裝備的構(gòu)造、性能、原理等知識，為之后的維修保養(yǎng)訓(xùn)練打下理論基礎(chǔ).各訓(xùn)練模塊相互銜接，且互不干擾，既可連續(xù)進(jìn)行，也可獨(dú)立完成，訓(xùn)練科目模塊化體系的構(gòu)建如圖4所示.

2.2 虛擬樣機(jī)建立

在虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)的開發(fā)過程中，模型的精確建立發(fā)揮著至關(guān)重要的作用.高仿真度的三維模型可以真實(shí)再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)場景、零件外觀甚至內(nèi)部結(jié)構(gòu)，給用戶以良好的沉浸感，獲得如同甚至超過真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的學(xué)習(xí)感受和體驗(yàn).

2.2.1 幾何建模及優(yōu)化

幾何模型在虛擬維修訓(xùn)練環(huán)境中的有效表達(dá)是構(gòu)建整個(gè)虛擬維修訓(xùn)練環(huán)境的重要因素.為了使裝備模型和場景模型更加貼近真實(shí)，需要對CAD模型進(jìn)行二次開發(fā).常用的方法是在多邊形建模的基礎(chǔ)上對模型進(jìn)行NURBS（Non-Uniform Rational B-Splines）曲面修改，通過控制點(diǎn)和權(quán)因子來靈活地改變形狀，從而精確地表示二次規(guī)則曲面.

圖4 訓(xùn)練科目模塊化體系構(gòu)建Fig.4 Construction of the training course modular system

針對不同的訓(xùn)練目的，對模型也有不同的要求.虛擬訓(xùn)練環(huán)境中的對象多數(shù)需要進(jìn)行實(shí)體建模，但是如果所有模型都采用實(shí)體建模方法表現(xiàn)，則系統(tǒng)的運(yùn)行負(fù)擔(dān)是非常大的，必須采用模型優(yōu)化技術(shù)對復(fù)雜場景進(jìn)行處理.使用基于單元分割、可見消隱、紋理映射、實(shí)例化和LOD（Levels of Detail）等的技術(shù)對模型結(jié)構(gòu)、紋理、實(shí)體、場景等進(jìn)行優(yōu)化［2］，可以提高系統(tǒng)運(yùn)行速度和表現(xiàn)效果.虛擬訓(xùn)練的環(huán)境設(shè)計(jì)流程如圖5所示.

2.2.2 訓(xùn)練過程建模

為了保證虛擬訓(xùn)練過程更加真實(shí)，需要準(zhǔn)確描述訓(xùn)練過程.目前應(yīng)用比較多的虛擬維修過程規(guī)劃方法主要有使用UML（Unified Modeling Language）技術(shù)［3］和改進(jìn)的 Petri網(wǎng)技術(shù)［4］兩種.使用UML對象類圖、狀態(tài)視圖、順序視圖等建立訓(xùn)練過程模型，比較明確地表示了整個(gè)系統(tǒng)所包含的訓(xùn)練科目和各科目所具有的功能，以及這些訓(xùn)練過程的實(shí)現(xiàn)途徑.為了突出虛擬訓(xùn)練過程及其訓(xùn)練模式的多樣化，在借鑒上述方法的基礎(chǔ)上，針對某型工程裝備保障訓(xùn)練的特點(diǎn)，提出了面向任務(wù)的虛擬訓(xùn)練任務(wù)層次規(guī)劃方法.

圖6 維修任務(wù)層次規(guī)劃Fig.6 Hierarchical structure planning of maintenance tasks

根據(jù)維修任務(wù)性質(zhì)，可以把維修事件劃分為下級層次維修子事件（如圖6）.例如，對于單個(gè)維修事件進(jìn)行的分類僅是整體上的一個(gè)描述，具體的維修訓(xùn)練還要求更細(xì)致具體的過程規(guī)劃.對于系統(tǒng)內(nèi)的單個(gè)維修任務(wù)，按其出現(xiàn)的故障現(xiàn)象進(jìn)行分塊處理，每一模塊內(nèi)又根據(jù)不同的故障原因，列出維修作業(yè)選項(xiàng)，在選擇維修作業(yè)后進(jìn)而可以完成一系列維修任務(wù).

2.3 訓(xùn)練過程仿真

維修保養(yǎng)訓(xùn)練是虛擬訓(xùn)練的重要組成部分，需要提供必要的交互手段來實(shí)現(xiàn)虛擬人行為、工具動(dòng)作、裝備模型運(yùn)動(dòng)等過程，仿真過程需要滿足真實(shí)性要求，以保證虛擬訓(xùn)練的真實(shí)感和沉浸感.

2.3.1 碰撞檢測

在工具和零件拾取、虛擬拆卸與裝配、虛擬人動(dòng)作、視角轉(zhuǎn)移過程中，為防止占據(jù)不同空間位置的對象之間發(fā)生穿越現(xiàn)象，必須在虛擬訓(xùn)練環(huán)境中體現(xiàn)真實(shí)操作中的碰撞現(xiàn)象，包括碰撞檢測及碰撞響應(yīng).虛擬訓(xùn)練過程中，運(yùn)動(dòng)對象多，工具拾取、零件拆裝、虛擬人動(dòng)作、視角轉(zhuǎn)移等過程發(fā)生的碰撞往往同時(shí)發(fā)生.針對不同的應(yīng)用目的，對碰撞檢測的精確程度也有不同的要求，如在視角轉(zhuǎn)移或工具拾取過程中，只需粗略檢測，防止穿越現(xiàn)象發(fā)生；在零件拆卸與裝配過程中，依據(jù)工藝要求，對碰撞檢測的精確性要求較高，需要顯示碰撞對象、碰撞位置、碰撞時(shí)間等信息，進(jìn)而觸發(fā)相應(yīng)的碰撞相應(yīng)事件，給出諸如文本、聲音、圖像、色彩變換、振動(dòng)等反饋信息，使用這些信息指導(dǎo)完成訓(xùn)練任務(wù).

碰撞檢測算法在處理包含大量物體的復(fù)雜場景時(shí)，首先將多數(shù)明顯不相交的物體對進(jìn)行快速排除，然后采用體包圍盒的方法，再對可能相交的物體對進(jìn)行進(jìn)一步檢測［5］，碰撞檢測流程如圖7所示.

2.3.2 運(yùn)動(dòng)控制方法

為防止運(yùn)動(dòng)過程的不確定性，需要用解析法和數(shù)值法求解虛擬訓(xùn)練過程中涉及的運(yùn)動(dòng)學(xué)問題，解析法精度高，且能達(dá)到實(shí)時(shí)效果，但隨著自由度增加，運(yùn)動(dòng)對象建模也變得更加復(fù)雜，數(shù)值法通過不斷迭代，逐步縮小目標(biāo)誤差，最終求得關(guān)節(jié)位置的近似解.

為簡便設(shè)計(jì)開發(fā)過程，將訓(xùn)練任務(wù)進(jìn)行分解，并將維修動(dòng)作進(jìn)行分類，建立基本動(dòng)作庫，形成一系列可重用的基本動(dòng)作，作為虛擬人動(dòng)作的基礎(chǔ)，根據(jù)訓(xùn)練目標(biāo)對虛擬人動(dòng)作進(jìn)行規(guī)劃，形成完整的動(dòng)作序列完成訓(xùn)練任務(wù).

圖7 碰撞檢測流程圖Fig.7 Flow chart or the collision detection

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

將某型推土機(jī)保障虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)為桌面式虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)，在平臺設(shè)計(jì)上，力求簡潔實(shí)用，控制臺體積小.軟件平臺使用CAD等建模軟件建立裝備模型及環(huán)境模型信息庫，使用SQL Server提供數(shù)據(jù)庫開發(fā)環(huán)境，Visual C＋＋6.0及EON Studio開發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練平臺，最大限度地挖掘桌面式虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)功能，為用戶提供便捷的操作方法.訓(xùn)練科目規(guī)劃主要包含結(jié)構(gòu)演示規(guī)劃、工作原理演示規(guī)劃、虛擬拆裝序列規(guī)劃、拆卸路徑規(guī)劃、保養(yǎng)過程仿真、維修過程仿真等，做到功能全面，使訓(xùn)練質(zhì)量得到保證.系統(tǒng)控制臺及操作界面如圖8所示.

圖8 系統(tǒng)界面與虛擬環(huán)境Fig.8 System interface and the virtual environment

4 結(jié)語

某型推土機(jī)保障虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)能有效解決裝備訓(xùn)練中面臨的時(shí)效滯后、技術(shù)保障能力不足、資源消耗大等問題，為教學(xué)單位、科研單位、維修保障單位提供了一個(gè)經(jīng)濟(jì)高效的訓(xùn)練手段.系統(tǒng)功能全面，兼顧知識的深度和廣度，用戶在操作時(shí)，能夠逐漸掌握裝備結(jié)構(gòu)性能、使用方法、工作原理和維修保養(yǎng)手段，對于改善訓(xùn)練效果、提高人才培養(yǎng)、探索新的教學(xué)模式具有很大的促進(jìn)作用，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和軍事價(jià)值.

［1］焦玉民，蘇凡囤，張琦，等.基于EON的挖掘機(jī)虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)［J］.中國制造業(yè)信息化，2009，38（13）：38－42.

JIAO Yumin，SU Fantun，ZHANG Qi，et al.Virtual maintenance of excavator based on EON［J］.Manufacture Information Engineering of China，2009，38（13）：38－42.

［2］劉佳，劉毅.虛擬維修技術(shù)發(fā)展綜述［J］.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2009，21（11）：1519－1533.

LIU Jia，LIU Yi.A survey of virtual maintenance technology［J］.Journal of Computer-Aided Design ＆ Computer Graphics，2009，21（11）：1519－1533.

［3］張?zhí)燧x，劉穎，朱元昌.UML在軍用裝備虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)開發(fā)中的應(yīng)用［J］.軍械工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，16（1）：56－59.

ZHANG Tianhui，LIU Ying，ZHU Yuanchang.Application of UML in the design of virtual maintain-train system［J］.Journal of Ordnance Engineering College，2004，16（1）：56－59.

［4］蔣雙雙.一種基于Petri網(wǎng)的虛擬維修過程建模方法［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2007，19（11）：2488－2491.

JIANG Shuangshuang.Method of process-modeling in virtual maintenance based on petrinet［J］.Journal of System Simulation，2007，19（11）：2488－2491.

［5］JIMENEZ P，THOMAS F，TORRAS C.Collision detection：a survey［J］.Computers and Graphics，2001，25（2）：269－285.