武筱菲 申榮衛(wèi)

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)）

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是通過(guò)使用計(jì)算機(jī)，運(yùn)用一定的技術(shù)手段建造一個(gè)仿真的三維虛擬環(huán)境[1]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)源于20世紀(jì)80年代的美國(guó)，在機(jī)械方面，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)機(jī)械零部件加工和裝配過(guò)程進(jìn)行仿真，可以降低生產(chǎn)成本和時(shí)間。近幾年我國(guó)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)取得不錯(cuò)成果，國(guó)內(nèi)高校和科研機(jī)構(gòu)積極投入虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域的研究。北京航空航天大學(xué)在虛擬現(xiàn)實(shí)與可視化實(shí)驗(yàn)室方面實(shí)現(xiàn)了分布式虛擬環(huán)境網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，建立網(wǎng)上虛擬現(xiàn)實(shí)研究論壇，提供實(shí)時(shí)三維動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù),還可以提供用于飛行員訓(xùn)練的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，以及開發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)平臺(tái)，最終實(shí)現(xiàn)與相關(guān)單位的遠(yuǎn)程連接[2]。文獻(xiàn)[3]在基于CAD系統(tǒng)中提出了基于“可拆即可裝”的原理，將拆卸順序和拆卸路徑進(jìn)行反演，即可得到產(chǎn)品的裝配順序和裝配路徑。文章以虛擬裝配技術(shù)為理論指導(dǎo)，發(fā)電機(jī)的拆裝演示基于“可拆即可裝”的原理，提出了一種基于unity3D的發(fā)電機(jī)虛擬拆裝實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的平臺(tái)，利用虛擬拆裝代替實(shí)物拆裝，研究虛擬故障檢修以及碰撞檢測(cè)技術(shù)，以解決發(fā)電機(jī)拆裝訓(xùn)練中設(shè)備、零件的損耗大、訓(xùn)練成本高及場(chǎng)地受限等問(wèn)題。

1 汽車發(fā)電機(jī)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)流程

基于unity 3D的發(fā)電機(jī)虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)設(shè)計(jì)流程：1）需要三維掃描儀獲取零件模型，結(jié)合3D max軟件對(duì)模型進(jìn)行重新編輯、法線貼圖及UVW處理；2）在unity 3D里編輯導(dǎo)入的模型，添加場(chǎng)景元素，設(shè)定元素關(guān)系，完成虛擬場(chǎng)景的構(gòu)建；3）在相應(yīng)GameObject（物體對(duì)象）上加載腳本，編寫代碼實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)展示、自動(dòng)拆裝及用萬(wàn)用表檢測(cè)發(fā)電機(jī)的虛擬故障檢修等功能；4）最終以生成的.exe可執(zhí)行文件或是網(wǎng)絡(luò)瀏覽文件的方式發(fā)布。發(fā)電機(jī)虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)設(shè)計(jì)流程，如圖1所示。

2 虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 3D max建模和模型貼圖

對(duì)于發(fā)電機(jī)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)具有不規(guī)則特性的零部件，在使用其他建模軟件時(shí)很難獲得逼真的效果，另外其他軟件與unity引擎結(jié)合時(shí)沒(méi)有很好的兼容性，因此采用3D max進(jìn)行真實(shí)感建模。為獲得更好的仿真效果，系統(tǒng)采用3D max對(duì)模型進(jìn)行貼圖渲染，配合使用Photoshop軟件對(duì)材質(zhì)貼圖進(jìn)行處理，提升3Dmax的渲染效果[4]。3D max重建好的模型在導(dǎo)入unity 3D中時(shí)，x軸會(huì)偏轉(zhuǎn)-90°，所以為了避免模型變動(dòng)，需要保存為.3ds的文件格式[5]。

2.2 unity 3D虛擬平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.2.1 虛擬場(chǎng)景設(shè)計(jì)

將模型添加到虛擬場(chǎng)景中，并對(duì)發(fā)電機(jī)整個(gè)模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、縮放、移動(dòng)及拖拽等相關(guān)屬性的設(shè)置，進(jìn)行編輯組合。具體步驟：1）運(yùn)行unity 3D，建立一個(gè)New Project（新的工程項(xiàng)目），在Layers（層級(jí)）選擇合適的窗口模式進(jìn)行設(shè)計(jì)；2）創(chuàng)建虛擬環(huán)境的必要元素?zé)艄釪irectional Light（平行光），編輯其屬性，設(shè)置相應(yīng)效果。添加Main camera（主攝像機(jī)），調(diào)整運(yùn)行視圖的遠(yuǎn)近及角度。SettingRenter（設(shè)置中心）設(shè)置天空盒，添加場(chǎng)景所需要的材質(zhì)貼圖；3）將通過(guò)3D max導(dǎo)出的.3ds格式的發(fā)電機(jī)前后端蓋、定子及轉(zhuǎn)子等各零部件放入到unity 3D的資源文件夾Assets中，用鼠標(biāo)拖動(dòng)到場(chǎng)景中進(jìn)行正確的位置擺放；4）重新指定模型中丟失的材質(zhì)和貼圖；5）對(duì)場(chǎng)景中的所有模型添加Physics（物理）菜單下的Mesh Collider（網(wǎng)格碰撞）組件，避免在模型拆裝時(shí)出現(xiàn)從內(nèi)部穿插的錯(cuò)誤效果；6）調(diào)節(jié)光線，達(dá)到所需要的亮度和色彩效果，使場(chǎng)景更加真實(shí)逼真。

2.2.2 虛擬交互腳本設(shè)計(jì)

unity 3D中支持3種程序語(yǔ)言編寫腳本，分別是Java Script，C#及Boo，其中C#語(yǔ)言更加符合unity 3D的編程思想，功能也最為強(qiáng)大，所以本平臺(tái)中采用C#語(yǔ)言進(jìn)行腳本編寫。每個(gè)編寫好的腳本與其他組件用法相同，必須綁定在GameObject（物體對(duì)象）中才能執(zhí)行它的生命周期[6]。

為了能夠?qū)Πl(fā)電機(jī)內(nèi)部構(gòu)造進(jìn)行360°展示，編寫了generator view.cs腳本實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)右鍵旋轉(zhuǎn)和滾輪縮放的功能。同時(shí)將GUI（圖形用戶界面）腳本賦予主攝像機(jī)，調(diào)整攝像機(jī)角度，使運(yùn)行時(shí)模型處于界面的中央，在GUI腳本中編寫代碼，賦予該場(chǎng)景的名稱為結(jié)構(gòu)展示。

在發(fā)電機(jī)拆裝演示場(chǎng)景中，采用Animation（動(dòng)畫）制作發(fā)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的拆解過(guò)程，本平臺(tái)建模為發(fā)電機(jī)的主要零部件，所有引線、墊圈、螺母及螺栓均不在場(chǎng)景內(nèi)。拆解順序?yàn)椋呵岸松w、轉(zhuǎn)子、定子、后端蓋、二極管及散熱板。安裝順序則為拆解動(dòng)畫的倒序。

2.2.3 虛擬故障檢修設(shè)計(jì)

2.2.3.1 轉(zhuǎn)子檢查

1）檢查激磁繞組的短路或斷路。平臺(tái)采用萬(wàn)用表測(cè)量線圈的電阻，兩表針?lè)謩e接觸在兩滑環(huán)上，如圖2所示。

正常阻值為2.6～6 Ω（不同型號(hào)發(fā)電機(jī)略有差別）。如果阻值小于正常值則為短路，若阻值為無(wú)限大，則為線頭脫焊或者斷路。

2）激磁繞組和滑環(huán)搭鐵檢驗(yàn)。將萬(wàn)用表電阻擋置于R*10 k擋，兩表針?lè)謩e接觸軸和滑環(huán)，如圖3所示。表針若指在無(wú)限大則表示良好；若有一定阻值說(shuō)明存在搭鐵故障，應(yīng)當(dāng)檢修。

2.2.3.2 定子檢查

如圖4所示，將萬(wàn)用表2只表筆分別觸在定子繞組三相的其中兩相端，檢查定子繞組是否斷路，若沒(méi)有阻值說(shuō)明存在斷路故障。

如圖5所示，將萬(wàn)用表1只表筆觸在定子繞組鐵芯，另外1只表筆觸在三相繞組中的其中一項(xiàng)，檢查定子繞組是否搭鐵。若有一定阻值，說(shuō)明定子繞組接觸良好。

2.3 碰撞檢測(cè)

虛擬世界中的物體之間之所以需要進(jìn)行碰撞檢測(cè)，是因?yàn)樵诂F(xiàn)實(shí)世界中同一個(gè)空間區(qū)域內(nèi)不能同時(shí)存在2個(gè)或者多個(gè)不可穿透的物體[7]。在unity 3D中，能夠檢測(cè)碰撞發(fā)生的方式有2種，一種是利用碰撞器，另一種則是利用觸發(fā)器。碰撞器是一群組件，它包含很多種類，比如：Box Collider（盒碰撞器）、CapsuleCollider（膠囊碰撞器）、Mesh Collider（網(wǎng)格碰撞器）及Sphere Collider（球形碰撞器）等，應(yīng)用場(chǎng)合不同，但必須加載到GameObject身上。工業(yè)類模型復(fù)雜，在使用3D max軟件進(jìn)行重新建模導(dǎo)入unity引擎后，添加Mesh Collider組件，根據(jù)模型的形狀選擇多邊形網(wǎng)格（Polygonal Mesh），以發(fā)電機(jī)定子繞組模型為例，如圖6所示，添加碰撞器，當(dāng)用戶在虛擬場(chǎng)景中進(jìn)行交互時(shí)，需要添加相應(yīng)的碰撞器才能實(shí)現(xiàn)拖拽交互功能。

3 虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)效果展示

在實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的虛擬場(chǎng)景結(jié)構(gòu)展示中，通過(guò)鼠標(biāo)的左鍵實(shí)現(xiàn)模型的拖拽移動(dòng)，右鍵實(shí)現(xiàn)模型的旋轉(zhuǎn)，通過(guò)滾輪滾動(dòng)實(shí)現(xiàn)模型的縮放。當(dāng)點(diǎn)擊“自動(dòng)拆裝”按鈕時(shí)可用播放發(fā)電機(jī)的拆解動(dòng)畫，隨后會(huì)自動(dòng)安裝，增進(jìn)用戶對(duì)發(fā)電機(jī)內(nèi)部構(gòu)造的學(xué)習(xí)和工作原理的理解。動(dòng)畫展示效果，如圖7所示。

4 結(jié)論

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在汽車發(fā)電機(jī)的虛擬拆裝和故障檢修等功能領(lǐng)域還是空白。在設(shè)計(jì)虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)時(shí)，發(fā)電機(jī)內(nèi)部構(gòu)造中的每一個(gè)零部件都需要三維掃描和軟件建模，并且綁定腳本程序，設(shè)置動(dòng)畫效果，完成整體的旋轉(zhuǎn)和縮放功能。但是由于這是在虛擬環(huán)境下的實(shí)訓(xùn)，碰撞檢測(cè)問(wèn)題需要設(shè)置，避免出現(xiàn)部件拆裝時(shí)的交叉。發(fā)電機(jī)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)模擬了真實(shí)裝配和檢修過(guò)程，解決了院校場(chǎng)地和設(shè)備緊缺問(wèn)題，同時(shí)對(duì)于理實(shí)一體化的建設(shè)有重要的現(xiàn)實(shí)意義。