韓立群,周建釗

(解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院,江蘇南京 210007)

基于EON Studio的某型裝備虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

韓立群,周建釗

(解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院,江蘇南京 210007)

針對(duì)傳統(tǒng)訓(xùn)練維修中人員、環(huán)境、條件和成本的限制,虛擬維修的安全、經(jīng)濟(jì)、可控、可重復(fù)、無(wú)風(fēng)險(xiǎn)等高效率、高效益一直備受關(guān)注。通過(guò)某型裝備為研究對(duì)象,設(shè)計(jì)了一種實(shí)用的虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)。通過(guò)Pro/e和3DS MAX建立素材模型,然后導(dǎo)入EON Studio中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的編排,包括拆裝訓(xùn)練、維修訓(xùn)練、訓(xùn)練考核、零件及維修工具識(shí)別等模塊的制作,實(shí)現(xiàn)了良好的人機(jī)交互和可操作性。同時(shí)為其他裝備的虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)提供了依據(jù)。關(guān)鍵詞:虛擬現(xiàn)實(shí);人機(jī)交互模;擬樹(shù)結(jié)構(gòu);維修訓(xùn)練;碰撞檢測(cè)

0 引 言

虛擬現(xiàn)實(shí)是20世紀(jì)末才興起的一門(mén)嶄新的綜合性信息技術(shù),由計(jì)算機(jī)硬件、軟件以及各種傳感器構(gòu)成三維虛擬環(huán)境。人們?cè)谶@種環(huán)境中,可與之進(jìn)行交互作用,相互影響。目前,虛擬現(xiàn)實(shí)已在建筑、教育培訓(xùn)、醫(yī)療、軍事模擬、科學(xué)和金融可視化等方面獲得了應(yīng)用,漸已成為21世紀(jì)廣泛應(yīng)用的一種新技術(shù)[1]。

在大型復(fù)雜武器裝備的使用以及維修過(guò)程中,存在涉及人員多、操作規(guī)范復(fù)雜等現(xiàn)象,對(duì)操作人員的熟練程度要求高,對(duì)維修人員的技術(shù)水平要求更高,由于受到環(huán)境、條件和成本的限制,其訓(xùn)練難以達(dá)到理想的效果。虛擬技術(shù)的出現(xiàn)有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)訓(xùn)練的不足。傳統(tǒng)的工程裝備保養(yǎng)、維修訓(xùn)練通常以錄像、掛圖、三維動(dòng)畫(huà)與實(shí)物相結(jié)合的方式進(jìn)行[2]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)生成一種仿真環(huán)境,讓受訓(xùn)人員“沉浸”其中,實(shí)現(xiàn)受訓(xùn)人員與虛擬環(huán)境直接進(jìn)行交互的技術(shù)[2]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)改變了過(guò)去人與計(jì)算機(jī)之間單調(diào)枯燥的交流方式。這種方法安全、經(jīng)濟(jì)、可控、可重復(fù)、無(wú)風(fēng)險(xiǎn),不受氣候條件和場(chǎng)地空間的限制,既能常規(guī)操作訓(xùn)練又能培訓(xùn)出多情況下的應(yīng)變能力。其訓(xùn)練的高效率、高效益等獨(dú)特優(yōu)勢(shì),一直受到各國(guó)各行各業(yè)方的高度重視[3]。

1 模型構(gòu)建

虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)要用到許多實(shí)體模型,而且裝備模型的構(gòu)建是整個(gè)虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的基礎(chǔ),它的質(zhì)量決定了系統(tǒng)的好壞,考慮到Pro/e模型建立效果好,功能強(qiáng)大,建模完整性好,即選擇用Pro/e建立大量模型,然后通過(guò)3ds Max接口轉(zhuǎn)換文件格式,直接導(dǎo)入EON Studio中,然后進(jìn)行模型動(dòng)畫(huà)制作,比如拆裝序列,維修序列,模擬考核等內(nèi)容。如圖1所示。

圖1 三維模型EON模型

在構(gòu)建虛擬場(chǎng)景時(shí),也可用三維建模軟件3DS MAX直接建模,然后使用 EON描述其運(yùn)動(dòng),3DS MAX建模方法有很多,主要有:多邊形建模、非均勻有理樣條曲線(xiàn)(NURBS)建模、旋轉(zhuǎn)建模、loft放樣建模、Boolean建模、組合建模[4]。

(1)多邊形建模 多邊形建適于創(chuàng)建形狀規(guī)則、無(wú)曲面的對(duì)象。它的思想是用小平面來(lái)模擬曲面,小平面可以是三角形、矩形或其他多邊形,實(shí)際多用三角形或矩形,多邊形建模主要優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、方便和快速。目前,游戲、建筑角色建模大多使用多邊形建模。

(2)NURBS建模NURBS建模方法是曲面造型中最常用的方法,適用于創(chuàng)建光滑的、復(fù)雜的、細(xì)節(jié)逼真的模型,NURBS曲面只有有限的幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),很難制作拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜的物體。

(3)旋轉(zhuǎn)模型 用于具有中心軸對(duì)稱(chēng)的物體,用line工具繪出對(duì)稱(chēng)截面,加入lathe修改器可得到三維實(shí)體。

(4)Loft放樣建模 用于在一段路徑上具有一致截面或少數(shù)截面的情況。首選繪出截面形狀和截面的走樣路徑的二維線(xiàn)形,進(jìn)行l(wèi)oft放樣可得到。

(5)Boolean建模 將兩個(gè)造型物體進(jìn)行Boolean合成。合成的常用方法有union,subtraction,intersection和cut四種。

(6)組合建模 使用旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)、縮放、對(duì)齊、陣列等各種常用工具,完成一個(gè)完整的有機(jī)部分。

采用3D建模后保存成.3ds格式,并插入到模擬樹(shù)狀結(jié)構(gòu)中,格式為.eon。利用 EON提供的3DS MAX插件EON Raptor將模型導(dǎo)入到EON中。EON Raptor能夠完整的識(shí)別和導(dǎo)出3DS MAX模型的位置關(guān)系和層次結(jié)構(gòu),方便后期設(shè)計(jì)模型動(dòng)作,而且對(duì)模型進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化處理,避免了不必要的調(diào)整。如圖2所示。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)功能要求,系統(tǒng)主要?jiǎng)澐譃榻Y(jié)構(gòu)組成、視角觀測(cè)、拆裝訓(xùn)練、保養(yǎng)訓(xùn)練、維修訓(xùn)練、訓(xùn)練考核、零件及維修工具以及系統(tǒng)幫助。每一個(gè)模塊均包含大量的子模塊和資源,如圖3所示。

圖2 導(dǎo)入3DS后的樹(shù)狀圖

圖3 主要模塊圖

2.1 節(jié)點(diǎn)邏輯結(jié)構(gòu)分析

EON主要是利用樹(shù)狀層次進(jìn)行動(dòng)作的編排,利用母節(jié)點(diǎn)控制子節(jié)點(diǎn)的所有屬性來(lái)改變子節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、放大、隱藏、上色。模擬樹(shù)視窗就像 Windows操作系統(tǒng)中的資源管理器一樣,是樹(shù)狀結(jié)構(gòu),可以展開(kāi)、折疊,節(jié)點(diǎn)可以被復(fù)制和粘貼。構(gòu)建一個(gè)模擬程式的重點(diǎn)在于如何在模擬樹(shù)結(jié)構(gòu)中排列節(jié)點(diǎn),而模擬樹(shù)是通過(guò)從節(jié)點(diǎn)元件視窗中復(fù)制功能節(jié)點(diǎn)來(lái)建立的[5],如圖4所示。

節(jié)點(diǎn)被放在節(jié)點(diǎn)庫(kù)中,主要用到四類(lèi)節(jié)點(diǎn):基本節(jié)點(diǎn)、代理節(jié)點(diǎn)、運(yùn)動(dòng)模型節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn),可以在節(jié)點(diǎn)視窗中加入新的視窗就可以了[6]。一個(gè)節(jié)點(diǎn)只有在被放于一個(gè)可以與其他節(jié)點(diǎn)相互作用的環(huán)境中后才能在一個(gè)模擬程式中發(fā)揮作用。通過(guò)在模擬樹(shù)層次中放置節(jié)點(diǎn)和在邏輯關(guān)系設(shè)定視窗中連接節(jié)點(diǎn),就可以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間的交互。當(dāng)節(jié)點(diǎn)連接好之后,他們就可以在模擬程式運(yùn)動(dòng)時(shí)交換信息。一個(gè)節(jié)點(diǎn)所獲得的信息可以引起許多行為,如目標(biāo)物體的移動(dòng)、聲音或視頻的播放等。

2.2 場(chǎng)景生成

EON模擬樹(shù)結(jié)構(gòu)的根節(jié)點(diǎn)是Simulation,其中最重要也是最基本的節(jié)點(diǎn)為Scene節(jié)點(diǎn)和Camera節(jié)點(diǎn),Scene節(jié)點(diǎn)可以編輯物體的位置、方向、大小、背景和云霧效果。它是模擬樹(shù)的父節(jié)點(diǎn)。Camera節(jié)點(diǎn)控制著整個(gè)模擬程式的攝像機(jī)。攝像機(jī)的位置、角度決定了在模擬程式視窗中的觀看角度和方位。

圖4 模擬樹(shù)視窗圖

圖5 Camera屬性圖

EON Studio提供了實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)的組合,方便在虛擬環(huán)境下進(jìn)行人機(jī)交互和三維部件的運(yùn)動(dòng),例如,將Place節(jié)點(diǎn)和Rotate節(jié)點(diǎn)放在Frame節(jié)點(diǎn)下,此時(shí)的Frame節(jié)點(diǎn)可以控制子節(jié)點(diǎn)的位置、旋轉(zhuǎn)、大小, Frame節(jié)點(diǎn)是一個(gè)模塊節(jié)點(diǎn),能讓模擬樹(shù)保持一個(gè)很好的可視化結(jié)構(gòu),又如將ClickSensor節(jié)點(diǎn)和frame節(jié)點(diǎn)放在Task節(jié)點(diǎn)下,可以利用Task節(jié)點(diǎn)的先后實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)順序的先后,如圖6所示。

2.3 屬性控制

每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有自身的屬性,在裝備的維修訓(xùn)練中不同視角的轉(zhuǎn)換是通過(guò)場(chǎng)景框架 Active Viewport Camera下添加Place節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的,當(dāng)需要變換不同的視角來(lái)展示不同位置的形狀時(shí),我們可以通過(guò)改變Place的屬性來(lái)控制視角的切換,通過(guò)Place的位置變換改變Camera的位置變化,即可實(shí)現(xiàn)多角度觀測(cè)。如圖7所示,即1 s后z的位移為-0.5 m。

圖6 樹(shù)狀關(guān)系圖

圖7 Place屬性圖

2.4 碰撞檢測(cè)

碰撞檢測(cè)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的核心問(wèn)題。它是指虛擬場(chǎng)景中的幾何體表面在即將或已經(jīng)發(fā)生碰撞時(shí)自動(dòng)進(jìn)行報(bào)告的一種機(jī)制。EON Studio中的Collision節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬維修訓(xùn)練中的碰撞檢測(cè),實(shí)現(xiàn)方法是:通過(guò)將Collision節(jié)點(diǎn)添加到選定的維修工具框架節(jié)點(diǎn)內(nèi),關(guān)聯(lián)復(fù)制所有發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的框架節(jié)點(diǎn),然后將其粘貼到Collision節(jié)點(diǎn)下的CollisionObjects文件夾下[7]。

2.5 人機(jī)交互設(shè)計(jì)

人機(jī)交互通過(guò)各種外界設(shè)備讓受訓(xùn)者與虛擬仿真場(chǎng)景中的虛擬模型發(fā)生邏輯的交互關(guān)系,實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬模型的操作。人機(jī)交互的質(zhì)量關(guān)系系統(tǒng)的使用壽命,由于本系統(tǒng)用Delphi編譯為一個(gè)軟件,所以受訓(xùn)者可以通過(guò)鼠標(biāo)和鍵盤(pán)感受軟件的使用過(guò)程,在EON中可以設(shè)置Walk節(jié)點(diǎn)的屬性來(lái)改變鼠標(biāo)滾輪控制鏡頭滑動(dòng)的快慢,也可以通過(guò)Headlight節(jié)點(diǎn)控制燈光的光源模式和燈光的顏色,還可以通過(guò)KeyboardSensor節(jié)點(diǎn)和Walkabout節(jié)點(diǎn)通過(guò)鍵盤(pán)指定鍵操控物體和鏡頭的移動(dòng)。通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊也可以實(shí)現(xiàn)交互,如圖8所示。

圖8 ClickSensor節(jié)點(diǎn)屬性圖

3 軟件制作

虛擬維修系統(tǒng)仿真部分采用EON Studio軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā),最后利用Delphi 7對(duì)開(kāi)發(fā)程序進(jìn)行整合。通過(guò)在Delphi中安裝EonX插件,可以調(diào)用、控制EON仿真程序,增加了人機(jī)交互的深度,拓寬了人機(jī)交互的范圍。在Delphi中通過(guò)編程可以完美的將EON結(jié)合到軟件的編譯中,如圖9所示。

圖9 Delphi界面圖

4 結(jié) 語(yǔ)

虛擬現(xiàn)實(shí)為裝備維修訓(xùn)練提供了強(qiáng)有力的技術(shù)手段。針對(duì)裝備維修訓(xùn)練的現(xiàn)狀和傳統(tǒng)虛擬維修設(shè)計(jì)上的缺陷,對(duì)EON和Delphi軟件平臺(tái)進(jìn)行了封裝,開(kāi)發(fā)了一個(gè)三維的、可交互的虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng),為裝備維修提供了現(xiàn)代化的、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的訓(xùn)練手段,解決了實(shí)物訓(xùn)練耗費(fèi)大、限制條件多,安全性低的問(wèn)題,具有廣泛的應(yīng)用前景。隨著我國(guó)制造業(yè)信息化水平的不斷提高,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)解決機(jī)械投產(chǎn)后的使用、維修保障、功能演示等復(fù)雜問(wèn)題十分有用,為新裝備提供了現(xiàn)代化的、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的維修保障訓(xùn)練手段,具有顯著地社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 黃金陵.汽車(chē)車(chē)身設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

[2] 趙文娟.YD02賽車(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其輕量化研究[D].秦皇島:燕山大學(xué),2009.

[3] 馬如宇,馮英偉.EON Studio在網(wǎng)絡(luò)三維互動(dòng)課件開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用[J].中小學(xué)信息技術(shù)教育,2006(9):71-72.

[4] EON Reality Inc.EON Reference Guide[Z].USA:EON Reality Inc,2008.

[5] 王 嵐.EON虛擬現(xiàn)實(shí)軟件應(yīng)用教程[M].天津:南開(kāi)大學(xué)出版社,2004.

[6] 王 煒.虛擬仿真系統(tǒng)導(dǎo)論[M].北京:國(guó)防科技出版社,2007.

[7] 趙金才,王憲成,孫 坦,等.基于EON Studio5.0的裝甲車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬維修關(guān)鍵技術(shù)研究[J].裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報(bào),2008 (2):46-47.

Virtual Maintenance Training System Design for a Certain Type of Equipment Based on the EON Studio

HAN Li-qun,ZHOU Jian-zhao
(College of Field Engineering,PLA University of Science&Technology,Nanjing Jiangsu 210007,China)

In view of the constraints of poor environment,bad conditions,much cost and less workers in traditional maintenance training,the virtual maintenance training could perfectly solve the problems.It is safer,more economic,more controllable,more repeatable,no risk and has attracted much attention from the world.A practical virtual maintenance training system has been designed by regarding a certain type of equipment as the research object.The material models of the training system are set up through Pro/e and 3DS MAX and then arranging them by imported into the EON Studio,including disassembling training,maintenance training,assessment training,parts and repair tools identification training.The good human-computer interaction and operability are achieved,and it provides basis for the other virtual maintenance training systems.

virtual reality;human-computer interaction;simulation tree structure;maintenance training;collision detection

TP391.9

A

1007-4414(2015)05-0227-03

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.05.084

2015-08-31

韓立群(1990-),男,山東日照人,研究生,研究方向:虛擬維修技術(shù)。