郭志榮，王其林，高 峰

(海軍士官學(xué)校兵器系， 安徽 蚌埠 233012)

現(xiàn)有的虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)存在兩個(gè)方面的不足：一是系統(tǒng)的通用性較差、可擴(kuò)展性不強(qiáng)[1-3]。主要原因是不同裝備的維修數(shù)據(jù)信息大不相同[4-6]；二是現(xiàn)有的虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)大部分還沒有用戶化身，無法正確表達(dá)人與設(shè)備的交互關(guān)系，人在虛擬場景中僅僅以虛擬手或者鼠標(biāo)的形式存在。而采用一種基于虛擬人的交互表達(dá)方式，可以大大的增強(qiáng)系統(tǒng)的交互性，提高應(yīng)用效果。目前國內(nèi)基于虛擬人的交互式虛擬訓(xùn)練仿真較少，代表性的工作有：南京理工大學(xué)和軍械工程學(xué)院開發(fā)的基于DI-GUY軟件的某型導(dǎo)彈虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)[7]，國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)開發(fā)的基于Jack的虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)[8-9]。這些虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)的開發(fā)軟件昂貴，硬件復(fù)雜導(dǎo)致其推廣應(yīng)用成本大大增加，另外還存在虛擬人動作模擬不夠真實(shí)、不能構(gòu)造大規(guī)模的場景、系統(tǒng)的通用性不好等缺陷。

本文針對上述問題，提出一種基于虛擬人的交互式虛擬維修系統(tǒng)研究方法，主要解決3個(gè)方面的問題，一是采用數(shù)據(jù)庫技術(shù)，提出了“數(shù)據(jù)”與“邏輯”分離的設(shè)計(jì)思想，將裝備和維修過程信息存儲于數(shù)據(jù)庫中，當(dāng)重新生成另一裝備的虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)時(shí)，只需要在裝備建模后修改數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)即可實(shí)現(xiàn)另一裝備訓(xùn)練系統(tǒng)的開發(fā)，無須再大規(guī)模修改程序，實(shí)現(xiàn)了開發(fā)平臺的通用性；二是利用關(guān)鍵幀的方法解決虛擬人的運(yùn)動行為模擬，增強(qiáng)了系統(tǒng)的交互性；三是利用基于軸向(aligned axis bounding box，AABB)包圍盒與基于幾何約束相結(jié)合的虛擬物體間碰撞處理方法，有效地解決了機(jī)械類裝備虛擬維修中虛擬人與虛擬物體之間的穿越、虛擬人所攜帶零件與其他零件之間的穿越現(xiàn)象，增強(qiáng)了虛擬維修的逼真性。

1 數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)與管理

交互式虛擬裝備維修過程中存在著大量的數(shù)據(jù)信息，如模型屬性信息、維修規(guī)則信息、故障狀態(tài)信息、維修任務(wù)信息及虛擬人的動作信息等，其數(shù)據(jù)類型比較復(fù)雜，包括模型、圖片、動畫、文本等。這些信息放在程序中工作量大，而且不便于管理，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫則可以方便數(shù)據(jù)調(diào)用，提高仿真效率。本文根據(jù)數(shù)據(jù)的用途不同，將數(shù)據(jù)分為兩大類：維修數(shù)據(jù)信息庫和虛擬人的動作模型庫。

1.1 維修數(shù)據(jù)信息庫

交互式虛擬維修過程中，維修數(shù)據(jù)信息量很大，主要包括以下類型：維修對象信息、維修任務(wù)信息、維修規(guī)則信息、故障現(xiàn)象信息、用戶信息、維修日志信息等。根據(jù)這些信息分類，本文設(shè)計(jì)了以下數(shù)據(jù)庫表：任務(wù)信息表、任務(wù)零件表、零件表、維修規(guī)則表、工具表、故障樹表、故障現(xiàn)象顯示表、維修日志表、用戶信息表[8-11]。

1.2 虛擬人的動作模型庫

真實(shí)人的維修動作千變?nèi)f化，必須對真實(shí)人的動作進(jìn)行合理簡化。本文的簡化原則是：體現(xiàn)關(guān)鍵動作、操作員易于理解、易于實(shí)現(xiàn)、符合人的交互運(yùn)動規(guī)律。本文以人體運(yùn)動為核心，針對維修任務(wù)分解后的3個(gè)維修過程(人體移動過程、姿態(tài)調(diào)整過程、維修作業(yè)過程)，將虛擬人維修動作分為3大類25個(gè)動作，即人體移動類動作要素、姿態(tài)調(diào)整類動作要素、維修作業(yè)類動作要素，設(shè)計(jì)了一套適合虛擬維修的動作模型，建立了層次化的虛擬人動作數(shù)據(jù)庫。

人體移動類動作要素：人體移動過程中要用到的動素，該類動素的功能是完成虛擬人從一個(gè)作業(yè)位置變換到另一個(gè)位置。人的移動可以分為位置變換、轉(zhuǎn)向兩種。其中位置變換即人移動重心從空間位置A到B的動作。轉(zhuǎn)向指人的重心基本保持不動，只是人體由面向物體A到B的過程。人體移動過程是這兩種移動方式交叉運(yùn)用的過程。

姿態(tài)調(diào)整類動作要素：當(dāng)虛擬人變換到作業(yè)位置時(shí)，要調(diào)整姿態(tài)以能夠?qū)δ繕?biāo)零件進(jìn)行操作，這期間的所有動素都屬于姿態(tài)調(diào)整類。

維修作業(yè)類動作要素：利用工具或徒手完成對零件拆、移動、修理、更換、安裝等操作過程中用到的動素。維修作業(yè)類動素最為復(fù)雜多樣，對其進(jìn)行分析總結(jié)后發(fā)現(xiàn)可以將其分為：徒手類作業(yè)、使用工具作業(yè)。

2 虛擬人的運(yùn)動行為仿真

本文的設(shè)計(jì)思想是將整個(gè)維修任務(wù)分解為人體移動過程、姿態(tài)調(diào)整過程、維修作業(yè)過程3個(gè)過程，并對每個(gè)過程要完成的動作進(jìn)行了詳細(xì)的分類。因此在虛擬人的運(yùn)動生成和控制分別針對3個(gè)過程采用關(guān)鍵幀技術(shù)[12-14]。

2.1 虛擬人行走運(yùn)動關(guān)鍵幀設(shè)計(jì)

人體的行走運(yùn)動是整個(gè)人體運(yùn)動最為復(fù)雜的過程，雙臂不斷前后擺動保持身體平衡，雙腳不斷交替確保身體前移。根據(jù)虛擬維修系統(tǒng)對人體移動過程中人體運(yùn)動的精細(xì)程度要求不高，為了簡化行走運(yùn)動，把虛擬人一個(gè)周期的行走運(yùn)動必須要達(dá)到的動作分為5個(gè)，故可在一個(gè)行走周期內(nèi)設(shè)計(jì)5個(gè)關(guān)鍵幀，如圖1所示。

圖1 行走關(guān)鍵幀設(shè)計(jì)

第一個(gè)關(guān)鍵幀為左腳抬起準(zhǔn)備向前邁出，身體由右腳支撐，兩臂準(zhǔn)備前后擺動。這一關(guān)鍵幀是人體行走開始的時(shí)刻，左腳即將向前邁，腳尖離地，膝蓋向前抬起，右腿挺直支撐整個(gè)身體；第二關(guān)鍵幀設(shè)在虛擬人的左腳向前邁出，左腳跟磕地，右腳尖接觸地面，身體重心在兩腿之間，重心下移， 同時(shí)左腳尖有一定的彎曲；第三關(guān)鍵幀為右腿呈直立狀態(tài)，右腳全腳掌著地，左腳跟進(jìn)到體側(cè)，左膝蓋向前向上抬起，重心上移，為右腳的向前邁進(jìn)做準(zhǔn)備；第四關(guān)鍵幀是第二關(guān)鍵幀的相反動作，右腳跟磕地，左腳尖接觸地面，身體重心在兩腿之間，重心下移；第五關(guān)鍵幀和第一關(guān)鍵幀完全相同，虛擬人身體的各個(gè)部位在空間的位置和狀態(tài)和第一關(guān)鍵幀完全相同，因?yàn)檫@一關(guān)鍵幀既是整個(gè)人體行走循環(huán)運(yùn)動的結(jié)束點(diǎn)又是開始點(diǎn)。只有讓開始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)完全相同才能保證整個(gè)循環(huán)動畫的連續(xù)性。

各個(gè)關(guān)鍵幀之間要通過插值生成連續(xù)的動畫，3DS Max通過Bezier樣條曲線插值構(gòu)造運(yùn)動軌跡。根據(jù)以上行走關(guān)鍵幀的設(shè)計(jì)思路，可以設(shè)計(jì)出其他人體移動類動素的各個(gè)關(guān)鍵幀。

2.2 姿態(tài)調(diào)整過程關(guān)鍵幀設(shè)計(jì)

姿態(tài)調(diào)整過程式虛擬人移動到作業(yè)位置時(shí)調(diào)整自身姿態(tài)以便完成操作作業(yè)的過程，該過程其實(shí)是虛擬人從正常的直立狀態(tài)變換到各種姿態(tài)，各個(gè)動作關(guān)鍵幀的設(shè)計(jì)方法也大同小異，但是工作量比較大。以虛擬人彎腰站且前腳踩在臺子上的姿態(tài)調(diào)整為例，介紹姿態(tài)調(diào)整過程動作的關(guān)鍵幀設(shè)計(jì)，如圖2所示。

圖2 調(diào)整姿態(tài)關(guān)鍵幀設(shè)計(jì)

第一關(guān)鍵幀是一個(gè)初始狀態(tài)，就是當(dāng)虛擬人到達(dá)某個(gè)作業(yè)位置時(shí)所保持的狀態(tài)，本文中所有姿態(tài)調(diào)整過程動素的初始狀態(tài)都用這一個(gè)狀態(tài)——正直站，兩腿挺直，上體保持正直，頭正勁直，兩臂保持拿初始工具螺絲刀的狀態(tài)；第二關(guān)鍵幀是初始幀與結(jié)束幀的過渡幀，重心下移，膝蓋彎曲，腰關(guān)節(jié)彎曲，重心前移，身體前傾；第三關(guān)鍵幀是除了重心沒有前移到位外，其他姿勢都已經(jīng)調(diào)整完畢，左腳抬起成踩在某物體上的狀態(tài)，腰部頭部向下彎曲；第四關(guān)鍵幀虛擬人中心前移到位，使虛擬人的手能夠到維修對象。

在整個(gè)過程中虛擬人的手臂動作可以保持和第一幀完全一樣，也可以做適當(dāng)調(diào)整，因?yàn)槭直蹌幼鞣旁诰S修作業(yè)的過程中進(jìn)行調(diào)整，針對不同的維修對象做出不同的維修姿態(tài)，運(yùn)用混合動畫將兩個(gè)動作進(jìn)行混合，從而生產(chǎn)各種不同的動作。

2.3 維修作業(yè)過程關(guān)鍵幀設(shè)計(jì)

維修作業(yè)過程中的動作是虛擬人將零件拆下、裝上、擰緊等拆裝動作或修理動作，這些動作是在姿態(tài)調(diào)整完畢后進(jìn)行的，在不同的姿態(tài)條件下針對不同的維修對象調(diào)整手腕關(guān)節(jié)、手指關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)完成各種維修作業(yè)。以虛擬人用大錘敲擊啟動器，后用右手將啟動器拿下的維修動作為例，介紹維修作業(yè)中用工具進(jìn)行作業(yè)的關(guān)鍵幀設(shè)計(jì)，如圖3所示。

圖3 維修作業(yè)動作關(guān)鍵幀設(shè)計(jì)

3 基于軸向包圍盒和幾何約束的碰撞處理

虛擬維修中對碰撞檢測的精度要求較高，特別是在虛擬拆裝時(shí)零件與零件之間的碰撞檢測精度要求更高，為了同時(shí)滿足碰撞精度和速度的要求，本文采用一種基于包圍盒和移動限制相結(jié)合的碰撞解決方案。首先采用軸向包圍盒(AABB)進(jìn)行粗略的碰撞檢測，主要用于解決虛擬人在場景中移動位置時(shí)和場景中的裝備等其他物體發(fā)生穿越；采用多方向移動限制的方法解決零件與零件之間的穿越，而虛擬人身體各個(gè)部位之間的穿越，則在設(shè)計(jì)制作動畫時(shí)將其解決，制作動畫時(shí)不能使虛擬身體各個(gè)部位發(fā)生穿越[15-18]。

3.1 軸向包圍盒(AABB)碰撞算法

軸向包圍盒是一個(gè)長方體包圍盒，其各軸的方向與坐標(biāo)軸的方向一致，即一個(gè)給定對象的AABB被定義為包含該對象且邊平行于坐標(biāo)軸的最小六面體。具體算法如圖4。

圖4 AABB包圍盒碰撞算法示意圖

圖4中A、B分別為兩個(gè)可能發(fā)生碰撞的包圍盒。Ax1、Ax2、Ay1、Ay2、Az1、Az2為包圍盒A分別在X、Y、Z3個(gè)坐標(biāo)軸上的投影區(qū)間；Bx1、Bx2、By1、By2、Bz1、Bz2為包圍盒B分別在X、Y、Z3個(gè)坐標(biāo)軸上的投影區(qū)間。

圖4中Ay1>By1>Ay2>By2即兩包圍盒在Y軸上發(fā)生穿越，Bz2>Az2>Bz1>Az1即兩包圍盒在Z軸上發(fā)生穿越，Bx2>Bx1>Ax2>Ax1即兩包圍盒在X軸上沒有發(fā)生穿越。從圖上顯然可得，兩包圍盒在空間上并沒有發(fā)生穿越，因此可得結(jié)論：

【結(jié)論1】AABB包圍盒A和B發(fā)生穿越現(xiàn)象的充分必要條件是A和B在3個(gè)坐標(biāo)軸上的投影區(qū)間分別同時(shí)發(fā)生重疊。

【結(jié)論2】AABB包圍盒A和B剛好發(fā)生碰撞的充分必要條件是A和B在3個(gè)坐標(biāo)軸上的投影區(qū)間分別同時(shí)發(fā)生頭尾相連。

由結(jié)論1和結(jié)論2可知基于AABB包圍盒的碰撞檢測算法將三維求交問題轉(zhuǎn)化為一維求交問題，大大簡化了碰撞檢測過程，運(yùn)算速度較快。顯然，給定對象的AABB的計(jì)算比較簡便，只需分別計(jì)算對象中各個(gè)元素頂點(diǎn)的X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)和Z坐標(biāo)的最大值和最小值即可。AABB包圍盒間的相交測試也比較簡單，兩個(gè)AABB包圍盒相交當(dāng)且僅當(dāng)它們在3個(gè)坐標(biāo)軸上的投影區(qū)間均重疊。定義AABB包圍盒的6個(gè)最大最小值分別確定了它在3個(gè)坐標(biāo)軸上的投影區(qū)間，因此AABB 包圍盒間的相交測試最多只需要6次比較運(yùn)算。當(dāng)對象發(fā)生旋轉(zhuǎn)后，需要對AABB包圍盒進(jìn)行更新。根據(jù)定義AABB包圍盒的6個(gè)最大最小值組合，可以得到AABB包圍盒8個(gè)頂點(diǎn)，對這8個(gè)頂點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)，并根據(jù)旋轉(zhuǎn)后的頂點(diǎn)計(jì)算新的AABB包圍盒。

3.2 基于幾何約束的碰撞處理

包圍盒的碰撞檢測是初始的粗略的碰撞檢測，并不能滿足虛擬維修要求。在虛擬拆裝過程中，零件與零件之間的穿越不可避免。通過分析拆裝過程，可將拆裝的零件分為3類：第一類，不需要對其進(jìn)行移動約束的零件，該零件與其他零件之間的接觸面很少；第二類，移動方向單一的零件，該類零件從裝備上拆下的過程中，零件移動方向是單一的；第三類，需要旋轉(zhuǎn)操作的零件，該類零件往往需要先將零件旋轉(zhuǎn)至某個(gè)狀態(tài)然后才能將其取出或者拆下。對于不同的類型器處理方法不同：

對第一類零件的處理方法是調(diào)用虛擬人姿態(tài)調(diào)整類動素和維修作業(yè)類動素直接將該類零件從裝備上拿下，避免發(fā)生穿越的可能性。

對第二類零件的處理方法是調(diào)用虛擬人姿態(tài)調(diào)整類動素和維修作業(yè)類動素，限制零件和虛擬人的移動方向，讓虛擬人沿著某個(gè)方向?qū)⒘慵鹣隆?/p>

對第三類零件的處理方法是：調(diào)用虛擬人姿態(tài)調(diào)整類動素和維修作業(yè)類動素中的旋轉(zhuǎn)類動作，將零件繞其旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)一定角度，然后按照第二類的處理方法處理

在第二、三類零件的處理方法中，都要對其進(jìn)行移動約束，具體的算法思想是：得到零件在三維空間的移動方向，將該移動方向標(biāo)準(zhǔn)化后投影到TGE世界坐標(biāo)系的3個(gè)坐標(biāo)軸上，從而得到3個(gè)在X、Y、Z軸上的矢量，用這3個(gè)矢量作為權(quán)值限制零件和虛擬人的移動方向；移動距離通過獲取零件的移動參考零件在移動方向上的長度，用該長度作為移動限制的距離。

4 應(yīng)用實(shí)例

以某型艦炮為例，實(shí)現(xiàn)了一套交互式虛擬維修系統(tǒng)。整套系統(tǒng)分為6大功能模塊，由虛擬維修環(huán)境、維修任務(wù)管理、交互控制、維修仿真、數(shù)據(jù)管理和視景生成模塊組成，各個(gè)模塊完成相對獨(dú)立的功能，在系統(tǒng)消息循環(huán)控制下模塊間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信， 在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)的效果如圖5、圖6所示。

圖5 防護(hù)罩和護(hù)板的虛擬拆裝過程

圖6 密封環(huán)的更換過程

5 結(jié)論

本文針對虛擬維修系統(tǒng)的特點(diǎn)，采用數(shù)據(jù)庫技術(shù)，對系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行合理化管理，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的可維護(hù)性和可擴(kuò)展性；利用關(guān)鍵幀技術(shù)解決了虛擬人的運(yùn)動行為生成和控制，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的交互性；利用軸向包圍盒算法與幾何約束相結(jié)合算法有效解決了系統(tǒng)中的穿越現(xiàn)象。初步構(gòu)建了基于虛擬人的交互式虛擬維修系統(tǒng)。進(jìn)一步的工作是要不斷豐富虛擬人動作庫，使虛擬人能夠完成各種動作，更加形象逼真地完成維修過程，同時(shí)使系統(tǒng)具有更好的通用性。由于大型的裝備的維修需要多人進(jìn)行協(xié)同配合，基于網(wǎng)絡(luò)的多人協(xié)同虛擬維修也是今后工作的方向。

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