劉正春，王 勇，解 璞，薛海鵬

(1.軍械工程學(xué)院，河北 石家莊 050003;2.南京陸軍指揮學(xué)院，江蘇 南京 210000)

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的蓬勃發(fā)展及其廣泛應(yīng)用，虛擬維修仿真已成為一項(xiàng)新技術(shù)，對促進(jìn)數(shù)字化工業(yè)、軍事、航空航天發(fā)展具有重要意義[1]。

某型高炮的電氣系統(tǒng)是整部高炮的神經(jīng)中樞，具有設(shè)備繁多、連接關(guān)系復(fù)雜等特點(diǎn)，一旦電氣系統(tǒng)出現(xiàn)故障，系統(tǒng)將無法正常運(yùn)作，甚至不能完成任務(wù)。傳統(tǒng)的實(shí)裝維修培訓(xùn)，因受電氣設(shè)備數(shù)量限制，具有代價(jià)高、訓(xùn)練內(nèi)容片面和培訓(xùn)效率低等缺點(diǎn)，已經(jīng)不能滿足大型高炮武器裝備的維修保障需求，而虛擬維修技術(shù)為該裝備的技術(shù)培訓(xùn)提供了新的手段和方法[2]。

針對某型高炮電氣系統(tǒng)設(shè)備繁多、連接關(guān)系復(fù)雜、維修資源多樣等特點(diǎn)，研究并開發(fā)了某型高炮電氣虛擬維修系統(tǒng)。受訓(xùn)人員在具備基本維修知識的情況下，通過與該系統(tǒng)進(jìn)行交互，完成對故障狀態(tài)識別、分析、診斷的訓(xùn)練；受訓(xùn)人員通過虛擬故障診斷訓(xùn)練，熟悉裝備的各種故障模式、故障成因，進(jìn)而掌握故障分析的一般步驟和初步推理能力，逐步提高其維修工作能力。

1 虛擬維修系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

某型高炮電氣虛擬維修系統(tǒng)用于某型高炮電氣設(shè)備的故障維修訓(xùn)練，受訓(xùn)人員需要對維修對象(電氣箱體設(shè)備、電路板、元器件)進(jìn)行拆卸裝配、更換器件以及電氣檢測等操作，因此，系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)關(guān)鍵功能：故障維修動作交互和故障維修過程仿真。為實(shí)現(xiàn)這兩大核心功能，設(shè)計(jì)了5個(gè)子功能模塊，如圖1所示。

1)Cult3D動態(tài)模型導(dǎo)入。采用3DMax軟件進(jìn)行高炮電氣設(shè)備的三維建模設(shè)計(jì)(*.max)，導(dǎo)入Cult3D Designer設(shè)計(jì)動態(tài)效果和相機(jī)視角(*.co)。

2)資源中心。即各種資源素材(如動態(tài)模型、材質(zhì)、聲音)的文件包。

3)故障推理信息的生成。以反向推理機(jī)制，產(chǎn)生故障源、讀取電氣系統(tǒng)屬性，從而建立故障現(xiàn)象、生成最優(yōu)維修路徑、建立維修方法數(shù)據(jù)庫，包括維修難度、故障特征、可容忍維修時(shí)長、維修工具和文字等。

4)電氣系統(tǒng)屬性。電氣系統(tǒng)屬性最終表現(xiàn)形式為高炮各電氣節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)變量，電氣節(jié)點(diǎn)包括電氣系統(tǒng)回路、設(shè)備回路、電路回路以及電子元器件(如電容、電阻、三極管、繼電器等)，數(shù)據(jù)變量包括回路通斷、電流、電壓、振蕩以及器件狀態(tài)(良好/損壞)等。電氣系統(tǒng)屬性的初始狀態(tài)為全炮良好無故障時(shí)的狀態(tài)，當(dāng)故障推理機(jī)制激活，根據(jù)不同的故障推理信息產(chǎn)生不同的數(shù)據(jù)狀態(tài)。

5)虛擬儀器仿真。對測試儀器(如萬用表、示波器等)進(jìn)行三維虛擬仿真，模擬真實(shí)儀器的換擋、讀數(shù)、提示音以及波形，能測試虛擬電路板上各測試點(diǎn)的電氣特性。受訓(xùn)人員可以很直觀地進(jìn)行檢測、定位故障點(diǎn)和故障類型, 達(dá)到實(shí)裝故障檢測的效果。

2 關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)現(xiàn)方案

2.1 電氣節(jié)點(diǎn)拓?fù)潢P(guān)系重構(gòu)

將模型從3DMax建模軟件中導(dǎo)入到Cult3D Designer軟件中進(jìn)行動態(tài)屬性設(shè)計(jì)，以建立具有交互性質(zhì)的動態(tài)模型，除了移動、旋轉(zhuǎn)等基本交互屬性外，還包括裝配約束、電氣測試節(jié)點(diǎn)(繼電器、電纜、LCR、三極管等元器件)的設(shè)置、虛擬儀器面板的交互動作設(shè)計(jì)、表筆的拾取與放置等復(fù)雜交互屬性。因此需要對模型的電氣節(jié)點(diǎn)進(jìn)行細(xì)化，重構(gòu)其拓?fù)潢P(guān)系，采用樹型結(jié)構(gòu)來表達(dá)，如圖2所示。

通常，高炮電氣系統(tǒng)由多個(gè)分系統(tǒng)(如隨動系統(tǒng))組成，各分系統(tǒng)包含多個(gè)單體設(shè)備，即一個(gè)裝配整體，而裝配體內(nèi)有多個(gè)子裝配體(如電路板)或裝配附件(如電纜)，子裝配體上又有多個(gè)幾何組節(jié)點(diǎn)(如元器件)，有的幾何組節(jié)點(diǎn)上又存在多個(gè)幾何節(jié)點(diǎn)(如測試點(diǎn))。

結(jié)構(gòu)樹以整個(gè)高炮電氣系統(tǒng)為根節(jié)點(diǎn)，在程序接口中以此作為結(jié)構(gòu)樹指針的初始值，建立與各級節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的類：使用 TMatrixTransform組節(jié)點(diǎn)作為裝配體，TSubTransform為子裝配體，TGeode為裝配體上的幾何模型節(jié)點(diǎn)，TGeometry為幾何圖形節(jié)點(diǎn)。

為保證元器件模型可以單獨(dú)拆裝、查看和測試，給每個(gè)TGeode對象設(shè)置一個(gè)轉(zhuǎn)換矩陣Transform。每個(gè)節(jié)點(diǎn)由其父節(jié)點(diǎn)決定其位置、旋轉(zhuǎn)和動畫，以便約束每個(gè)幾何體的拆裝操作。據(jù)此原理，通過遞歸調(diào)用遍歷各個(gè)電氣設(shè)備的裝配樹，以此獲得原裝配的層次結(jié)構(gòu)，并根據(jù)裝配步驟需要，重構(gòu)生成新的裝配樹。

2.2 維修仿真交互技術(shù)

系統(tǒng)在Delphi開發(fā)環(huán)境下使用ActiveX技術(shù)調(diào)用Cult3D動態(tài)模型[3]。虛擬維修環(huán)境下，操作人員對各電氣裝置的拆裝和測試的交互是虛擬維修的核心問題[4]，在本系統(tǒng)中主要集中體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。

2.2.1 維修過程動作過渡仿真

為了在虛擬維修過程中，使場景切換、動作操作更為流暢，操作人員的某些固定操作動作采用動畫預(yù)演的方法來實(shí)現(xiàn)。例如從高炮內(nèi)艙拆卸某電氣箱體，用戶選中該箱體，右鍵選擇“拆卸”，則調(diào)用預(yù)定的動畫幀序列來實(shí)現(xiàn)從電氣系統(tǒng)界面到箱體界面的切換。其實(shí)質(zhì)是將維修對象特定時(shí)刻的關(guān)鍵幀存儲在關(guān)鍵幀序列中，演示時(shí)將關(guān)鍵幀進(jìn)行回放。

其關(guān)鍵代碼如下：

if Disassemble_Allow ( GStatus(now), MyTransform.select() ) then //判斷當(dāng)前狀態(tài)是否滿足拆卸條件；

begin

case MyTransform.select().type of

MatrixTransform: //裝配體(系統(tǒng)/分系統(tǒng)/單體)

Cult3DP1.ExecuteAction( MyTransform.

select().NextSence ); //執(zhí)行場景切換；

SubTransform://子裝配體(電路板)

Cult3DP1.ExecuteAction( MyTransform.

select().Disassemble );//執(zhí)行拆卸操作；

Geode://幾何組節(jié)點(diǎn)(元器件)

Cult3DP1.ExecuteAction( MyTransform.

select().SingleEnter); //單個(gè)元器件顯示；

Geometry://測試點(diǎn)

showMessage(‘測試點(diǎn)無法拆卸！’);

exit;

end;

end

else

showMessage(‘請確定當(dāng)前狀態(tài)滿足拆卸條件！’);

其中，TCult3DP為Cult3D提供的第三方ActiveX控件，TCult3DP.ExecuteAction()為該控件執(zhí)行Cult3D Designer中某預(yù)定動畫幀序列；函數(shù)GStatus(now)返回當(dāng)前全炮電氣系統(tǒng)狀態(tài)，MyTransform.select()獲取用戶操作對象，以確定高炮當(dāng)前不處于供電狀態(tài)，即可拆卸狀態(tài)。

對于用戶選擇不同的節(jié)點(diǎn)類型，即MyTransform.select().type，其拆卸對象和動作都是不同的：對于如果返回類型為MatrixTransform(系統(tǒng)/分系統(tǒng)/單體)，則調(diào)用場景切換動作；若為SubTransform(電路板)，則按約束調(diào)用拆卸路徑；若為Geode(元器件)，則進(jìn)入單個(gè)元器件的操作界面；若為Geometry(測試點(diǎn))，則給出提示，返回。

2.2.2 維修測試數(shù)據(jù)的交互

當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)故障后，全炮所有的電氣節(jié)點(diǎn)將根據(jù)故障機(jī)理映射出各自的電氣屬性，受訓(xùn)人員可以通過觀察電氣設(shè)備的狀態(tài)(如，箱體面板指示燈、發(fā)動機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)等)來診斷故障，但為了精確診斷，則需要通過三維虛擬儀器對各測試點(diǎn)的電氣參數(shù)測量結(jié)果來進(jìn)行判斷，因此，程序必須準(zhǔn)確獲取用戶對三維模型的操作信息。

首先，在Cult3D中對模型的Geometry節(jié)點(diǎn)設(shè)置熱點(diǎn)[5](HotSpot)，并進(jìn)行ID命名，以便程序通過獲取ID號判斷用戶對測試點(diǎn)的操作信息。

其關(guān)鍵代碼如下：

if Measure_Allow(GStatus(now), MyTransform.select()) then //判斷當(dāng)前設(shè)備狀態(tài)是否允許測量

begin

TestPen[num].id:=Cult3DP21.GetActionStatus( Measure.Object ); //表筆獲取測試點(diǎn)ID

if num=2 then begin

num:=1;

Cult3DP1.TriggerAction( Measure.Display );//兩支表筆都已獲取數(shù)據(jù)，儀器顯示讀數(shù)；

end

else begin

num:=num+1; //準(zhǔn)備下一支表筆；

Cult3DP1.TriggerAction( Measure.Hold );//表筆定位，等待下一支表筆獲取數(shù)據(jù)；

end;

end

else begin

showMessage(‘請確定滿足測量條件！’)

Cult3DP1.TriggerAction( Measure.Exit );

//不允許測試，Reset表筆，退出測試狀態(tài)；

end;

3 應(yīng)用實(shí)例

以故障現(xiàn)象(故障自診斷盒顯示“03307”)為例進(jìn)行故障診斷訓(xùn)練。受訓(xùn)人員首先按正常的操作順序啟動某型高炮，過程中系統(tǒng)提示故障現(xiàn)象，如圖3所示。此時(shí)，系統(tǒng)已經(jīng)完成故障注入以及各數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的電氣屬性的賦值。

受訓(xùn)人員在線狀態(tài)下進(jìn)行查看(不允許操作)，然后切換到離線狀態(tài)，即可對各電氣設(shè)備進(jìn)行拆卸和測量，從而判斷定位故障源。

3.1 維修拆裝過程

用戶對電氣設(shè)備的拆卸，調(diào)用系統(tǒng)的“故障維修過程仿真”功能。圖4顯示了用戶在離線狀態(tài)下，對某箱體的拆卸操作，拆卸下來的配件(包括外殼、電路板、可拆卸繼電器等)放置在右側(cè)的工具欄中，用戶也可以切換到配件模式下，對配件進(jìn)行查看和測量。

3.2 虛擬測量過程

用戶對電氣設(shè)備的測量，調(diào)用系統(tǒng)的“故障維修動作交互”功能。用戶可以在離線狀態(tài)下，測量電氣節(jié)點(diǎn)的通斷，也可以在外加激勵源的狀態(tài)下，測量電氣節(jié)點(diǎn)的電流、電壓和波形等。圖5所示為用戶使用虛擬萬用表對某箱體接線柱進(jìn)行測量。針對某型高炮的電氣特征，對虛擬萬用表設(shè)計(jì)了3種模擬擋位：通斷、交流和直流。

用戶通過對各設(shè)備的檢查，最后定位故障源并進(jìn)行維修，此時(shí)用戶可對電氣系統(tǒng)內(nèi)所有可更換件進(jìn)行更換和修復(fù)，如果判斷錯誤，系統(tǒng)會給與提示，如果判斷正確，系統(tǒng)將對用戶的操作進(jìn)行評估。

4 結(jié)束語

通過重構(gòu)三維幾何模型、Cult3D動態(tài)設(shè)計(jì)，以及Delphi ActiveX交互等技術(shù)，建立了某型高炮電氣虛擬維修系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)，受訓(xùn)人員能夠沉浸在虛擬環(huán)境中進(jìn)行維修操作，能夠替代實(shí)裝進(jìn)行維修訓(xùn)練，系統(tǒng)功能完備，能達(dá)到元器件級別，可為其它裝備的虛擬維修設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

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