聶洪平，周啟榮，李 兵

(中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇江陰214400)

0 引言

隨著海上連續(xù)作業(yè)的時(shí)間越來越長，船載衛(wèi)通站長期處于開機(jī)狀態(tài)，甲板設(shè)備面臨越來越大的考驗(yàn)，作為動力執(zhí)行裝置的驅(qū)動、電機(jī)等裝置更是超負(fù)荷工作，因此建立一套可靠的機(jī)下檢測平臺對檢測設(shè)備性能有很重要的作用。目前，崗位已經(jīng)具備船載交流伺服系統(tǒng)檢測平臺，但該平臺無法直觀地表現(xiàn)天線的運(yùn)動，無法對檢測數(shù)據(jù)作出準(zhǔn)確的判斷。因此，建立天線可視化模型并仿真出天線的運(yùn)動狀態(tài)，對發(fā)揮船載交流伺服系統(tǒng)檢測平臺的功能至關(guān)重要。

1 船載交流伺服系統(tǒng)檢測平臺

現(xiàn)有船載衛(wèi)通站交流伺服系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示，利用備用設(shè)備搭建機(jī)下交流伺服系統(tǒng)，在SERVOSTAR控制軟件界面輸入驅(qū)動信號，比如正弦驅(qū)動信號下電機(jī)轉(zhuǎn)速、加速度和扭矩的變化等，通過串口通信方式傳輸給驅(qū)動器和電機(jī)之間的環(huán)路來控制電機(jī)狀態(tài)，并能在SERVOSTAR軟件界面顯示設(shè)備在不同運(yùn)行狀態(tài)下的各種狀態(tài)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備進(jìn)行機(jī)下檢測的目的。

圖1 船載交流伺服系統(tǒng)構(gòu)成關(guān)系圖

伺服之星SERVOSTAR是以色列開發(fā)的一款數(shù)字伺服系統(tǒng)控制軟件。該軟件中包含多種型號電機(jī)的數(shù)據(jù)庫，在機(jī)床加工、設(shè)計(jì)生產(chǎn)以及電子器件裝配方面都有廣泛應(yīng)用。伺服之星軟件可以為研究驅(qū)動器技術(shù)提供極大便利，可以對數(shù)字電流環(huán)、速度環(huán)參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，對電機(jī)低速與高速控制和正弦PWM控制等控制算法進(jìn)行優(yōu)化。

圖2是利用SERVOSTAR軟件搭建的交流伺服系統(tǒng)檢測平臺設(shè)計(jì)圖。在此基礎(chǔ)上，建立天線的三維仿真模型，利用SERVOSTAR接收的設(shè)備參數(shù)信息(諸如電機(jī)轉(zhuǎn)速和電機(jī)角度位置等)驅(qū)動天線仿真終端，達(dá)到實(shí)時(shí)立體表現(xiàn)交流伺服系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的目的。天線動態(tài)模擬仿真及數(shù)據(jù)交互是本課題實(shí)現(xiàn)可視化需要完成的兩大工作。

圖2 交流伺服系統(tǒng)檢測平臺設(shè)計(jì)圖

2 關(guān)鍵技術(shù)

2．1 三維建模

三維建?？梢允褂脩糁庇^地了解所研究對象，實(shí)現(xiàn)在實(shí)際對象上難以完成的工作。為了將檢測平臺數(shù)據(jù)直觀反映在天線上，利用3DMAX建模軟件實(shí)現(xiàn)了天線外觀結(jié)構(gòu)模型的建立。對實(shí)現(xiàn)三維建模而言，3DMAX可靠性強(qiáng)且應(yīng)用范圍廣，適合于三維動畫渲染和制作。3DMAX建模軟件由Autodesk公司開發(fā)，立足于PC系統(tǒng)，功能強(qiáng)大，操作簡單且和其他相關(guān)軟件配合流暢、效果逼真。3DMAX軟件的建模過程比較復(fù)雜，而建模的方式也是多種多樣，包括幾何特征建模、行為特征建模以及交互特征建模。幾何特征建模側(cè)重于直接讀取CAD模型信息，并在CAD系統(tǒng)中完成裝配關(guān)系的建立。行為特征建模主要是面向任務(wù)建立虛擬物體行為模型，使其真實(shí)地反映物體各結(jié)構(gòu)的行為特性。

以行為特征建模方式為主，輔以其他方法一并實(shí)現(xiàn)。在整個(gè)建模過程中，層次細(xì)節(jié)技術(shù)和紋理映射技術(shù)結(jié)合使用，降低場景實(shí)時(shí)渲染的復(fù)雜度。紋理映射(Texture Mapping)技術(shù)能提高三維物體的逼真度，避免對場景的每個(gè)細(xì)節(jié)都用多邊形來表示，進(jìn)而可以大大減少環(huán)境模型的多邊形數(shù)目。紋理圖像被定義成二維的UV坐標(biāo)平面，這個(gè)平面被映射到一個(gè)幾何模型的x、y、z坐標(biāo)內(nèi)。當(dāng)三維模型旋轉(zhuǎn)時(shí)，映射后的紋理也被旋轉(zhuǎn)和改變大小并在屏幕上繪制出來。

2．2 三維仿真

建立三維模型后，還需要完成模型對平臺檢測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)響應(yīng)。讓三維模型動起來并能實(shí)時(shí)響應(yīng)變量數(shù)據(jù)，需要用到三維仿真技術(shù)。利用三維仿真平臺Unity3D實(shí)現(xiàn)天線模型的仿真。Unity3D是由Unity Technologies公司開發(fā)的一個(gè)可以輕松創(chuàng)建諸如三維視頻游戲、建筑可視化、實(shí)時(shí)三維動畫等類型互動內(nèi)容的多平臺的綜合型游戲開發(fā)工具，是一個(gè)全面整合的專業(yè)游戲引擎。Unity支持所有主要的模型文件格式，并能和大部分相關(guān)應(yīng)用程序協(xié)同工作，它還對Direct和OpenGL擁有高度優(yōu)化的圖形渲染管道。該軟件擁有自己的API函數(shù)庫，通過建立后臺程序文件可以實(shí)現(xiàn)游戲開發(fā)方面的多種功能，比如動態(tài)交互、串口通信等。

2．3 基于系統(tǒng)數(shù)據(jù)驅(qū)動天線模型

天伺饋系統(tǒng)的驅(qū)動單元由永磁同步交流電動機(jī)和功率放大器(俗稱驅(qū)動器)組成。驅(qū)動器處理來自ACU(天線控制單元)的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成電流數(shù)據(jù)傳遞到電動機(jī)使得電動機(jī)驅(qū)動天線。而本系統(tǒng)驅(qū)動對象是天線仿真模型，因此，保持計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)與實(shí)物天線轉(zhuǎn)動狀況同源與同步是實(shí)現(xiàn)天線驅(qū)動的關(guān)鍵所在。天線的轉(zhuǎn)動是實(shí)際表現(xiàn)為天線的角度變化，模擬的對象應(yīng)為速度環(huán)或位置環(huán)輸出參數(shù)，即電機(jī)轉(zhuǎn)速或者天線角度。將這些數(shù)據(jù)從串口字節(jié)中提取出來，參考天線轉(zhuǎn)軸比后傳遞給仿真平臺程序中的相應(yīng)變量，便能實(shí)現(xiàn)同步同源驅(qū)動天線模型，如圖3所示。

圖3 天線動態(tài)圖

2．4 基于串口的數(shù)據(jù)交互

采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)使用的伺服之星SERVOSTAR為電動機(jī)廠商研發(fā)的專業(yè)軟件，開放性不是很好，直接利用軟件內(nèi)部數(shù)據(jù)比較困難，考慮采取串口通信或數(shù)據(jù)文件過渡的方式完成數(shù)據(jù)交互。經(jīng)反復(fù)調(diào)試論證，串口通信方式實(shí)現(xiàn)起來更為方便，因此采用串口通信的方式來完成數(shù)據(jù)的交互。驅(qū)動器上的檢測串口為9針RS－232串口，RS－232也是PC機(jī)與通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種串行接口。平臺可視化終端定義好串口屬性，通過程序預(yù)留接口接收從驅(qū)動器串口輸出的系統(tǒng)數(shù)據(jù)，根據(jù)傳輸源碼各字節(jié)含義將其轉(zhuǎn)化為天線模型所需的實(shí)際參數(shù)值。

3 檢測平臺可視化實(shí)現(xiàn)

3．1 模型的導(dǎo)入與導(dǎo)出

通過3DMax軟件建立天線三維模型后，將三維模型導(dǎo)出并保存為以．fdx為后綴名的文件，并把此模型文件和紋理圖片文件一并粘貼到的Unity3D新建projects的Assets文件夾目錄下，打開Unity3D軟件檢查文件在層次欄中的讀入情況，然后將模型文件整體拖入Project欄，至此三維模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D結(jié)束。當(dāng)所有調(diào)試工作完成，Unity3D導(dǎo)出．exe執(zhí)行文件和數(shù)據(jù)文件夾作為最終的客戶終端。

3．2 紋理貼圖和組織劃分

先期完成設(shè)備紋理圖片的制作。將拍攝的裝備照片按模型尺寸比例通過Photoshop軟件進(jìn)行處理。特殊實(shí)景材質(zhì)，通過數(shù)碼相機(jī)微距拍攝取得原始素材。在Photoshop中通過圖形大小調(diào)整、亮度、對比度和銳化等效果處理，保存為材質(zhì)圖形文件。根據(jù)模型中各個(gè)立面材質(zhì)需要的不同，導(dǎo)入相應(yīng)的材質(zhì)，調(diào)整其填涂坐標(biāo)。船載天線虛擬仿真效果及其隨動層次圖如圖4所示。

圖4 天線虛擬仿真效果及其隨動層次圖

三維模型生成后，給各面貼上對應(yīng)的紋理，對模型進(jìn)行消隱、光照等處理，以達(dá)到真實(shí)的三維效果。根據(jù)天線各個(gè)部件的機(jī)械隨動關(guān)系，明確天線結(jié)構(gòu)隨動層次圖和劃分天線轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，結(jié)合各分支結(jié)構(gòu)組織，建立天線結(jié)構(gòu)指向體系。

3．3 模擬動態(tài)天線，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互

在Unity3D中大部分功能通過編程實(shí)現(xiàn)，功能函數(shù)一般定義在Unity3D自身的API函數(shù)庫中。將模型定義為Transform類，由Transform類函數(shù)Rotate函數(shù)實(shí)現(xiàn)天線三軸旋轉(zhuǎn)，三軸單獨(dú)建立程序文件，拖入代表三軸的模型屬性欄里。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互由SerialPort類定義串口名稱、波特率、起始位、停止位、奇偶校驗(yàn)等參數(shù)，Read函數(shù)讀取串口數(shù)據(jù)寫進(jìn)Byte［］位數(shù)組，然后將天線需要的轉(zhuǎn)速參數(shù)賦值給Rotate函數(shù)中的轉(zhuǎn)速變量，將調(diào)試好的程序文件拖入控制對象的屬性欄中，便達(dá)到通過程序控制GameObject的目的。以下程序?yàn)閁nity3D讀取串口數(shù)據(jù)程序。

對以上串口程序進(jìn)行調(diào)試，首先在PC電腦上搭建輸入輸出2個(gè)串口，調(diào)試完畢后模擬驅(qū)動器反饋回的串口源碼數(shù)據(jù)，用串口調(diào)試助手發(fā)送給其中一個(gè)串口，天線仿真終端通過另一個(gè)端口接收此數(shù)據(jù)，讀取數(shù)據(jù)中代表電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)位置及電機(jī)轉(zhuǎn)矩的字節(jié)，通過程序調(diào)試確保電機(jī)轉(zhuǎn)速和天線角速度的比例值符合天線實(shí)際比例值。

調(diào)試界面如圖5所示。

串口通信調(diào)試成功后，利用備用驅(qū)動器和電機(jī)及直流電源和380 V電源搭建檢測平臺。在SERVOSTAR命令窗口輸入轉(zhuǎn)速值，電機(jī)隨之轉(zhuǎn)動;同時(shí)，SERVOSTAR的參數(shù)顯示界面上顯示電機(jī)的最大和最小轉(zhuǎn)速，天線模型的一軸也隨之以一定速度轉(zhuǎn)動。增加輸入命令轉(zhuǎn)速，觀察電機(jī)轉(zhuǎn)速和SERVOSTAR的反饋參數(shù)，電機(jī)轉(zhuǎn)動和反饋參數(shù)均正常，天線模型轉(zhuǎn)動明顯加快，平臺測試結(jié)果一切正常。

圖5 串口程序調(diào)試界面

4 結(jié)束語

主要對船載交流伺服系統(tǒng)檢測平臺進(jìn)行可視化設(shè)計(jì)，并且研究出具體實(shí)現(xiàn)的方法，對發(fā)揮檢測平臺的功能具有很強(qiáng)的實(shí)踐意義和現(xiàn)實(shí)價(jià)值。實(shí)現(xiàn)檢測平臺可視化，不僅使檢測人員更加便于觀察參數(shù)狀態(tài)，而且模擬出天線的實(shí)時(shí)狀態(tài)，使得檢測平臺具有實(shí)時(shí)性的同時(shí)更貼近現(xiàn)實(shí)。未來將繼續(xù)在平臺可視化方面進(jìn)行拓展，爭取在更大程度在天線模型上體現(xiàn)電機(jī)性能。

［1］ 舒金輝，蔡葵，周群彪．三維紋理映射技術(shù)研究［J］．四川大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，47(1):77 －80．

［2］ ROSSINGNAC J，BORREL P．Multi-resolution 3D Appromation for Rendering Complex Sense［M］．Berlin:Spinger-Ver-Lag，2003:453 －456．

［3］ 呂川，徐宏強(qiáng)，馬麟，等．“混合控制”驅(qū)動虛擬人實(shí)現(xiàn)維修仿真［J］．北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，3(15):544－547．

［4］ 景韶宇，沈治英，茍秉承，等．人機(jī)設(shè)計(jì)中的虛擬人仿真技術(shù)研究［J］．計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2005(6):196 －198．

［5］ 楊云斌，何良莉，王峰軍．基于數(shù)字樣機(jī)的虛擬維修技術(shù)［J］．計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2010，30(12):171 －173．

［6］ 謝叻．基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的力覺交互設(shè)備的研究與構(gòu)建［D］．上海:上海交通大學(xué)，2008:30－36．

［7］ 馮良波．虛擬現(xiàn)實(shí)中三維場景構(gòu)建的優(yōu)化研究［D］．長沙:中南大學(xué)，2010:45 －49．

［8］ java118．3DMAX 百度百科［EB/OL］．［2012－10－16］．http://baike．baidu．com/view/179088．htm．

［9］ 董沛然，賀信．艦船裝備多級鏈路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］．無線電工程，2011，41(8):6 －8，24．

［10］ ROSSINGNAC J，BORREL P．Multi-resolution 3D Appromation for Rendering Complex Sense［M］．Berlin:Spinger-Ver-Lag，2003:453－456．