◆胡偉 朱敏

基于PostEngineer的慣性平臺(tái)維修培訓(xùn)仿真系統(tǒng)研究

◆胡偉 朱敏

（中國人民解放軍第5720工廠 安徽 241007）

航空裝備維修對產(chǎn)品維修技術(shù)開發(fā)和維修操作技能要求高，人員能力培養(yǎng)成本高、周期長、難度大。本文基于PostEngineer開發(fā)某慣性平臺(tái)維修培訓(xùn)仿真系統(tǒng)，經(jīng)實(shí)際應(yīng)用與統(tǒng)計(jì)分析，該平臺(tái)覆蓋產(chǎn)品組件的原理學(xué)習(xí)和實(shí)操訓(xùn)練，與傳統(tǒng)教學(xué)手段相比，學(xué)員對產(chǎn)品維修知識(shí)點(diǎn)掌握全面，培訓(xùn)周期短，為用戶提供了直觀、逼真的維修訓(xùn)練環(huán)境。

PostEngineer；培訓(xùn)系統(tǒng)；虛擬仿真；慣性平臺(tái)

裝備維修是部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力保障的重要組成部分，隨著裝備設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的發(fā)展，大量新技術(shù)、新工藝應(yīng)用于裝備設(shè)計(jì)和制造，裝備維修也隨之遇到新的難度和挑戰(zhàn)，美軍裝備維護(hù)手冊提出：“維修工程師可以進(jìn)入到虛擬環(huán)境中，對虛擬產(chǎn)品進(jìn)行維修，部件的可達(dá)性、部件分配空間的合理性以及完成特定維修任務(wù)所需時(shí)間等信息均可借助虛擬技術(shù)進(jìn)行評估”，為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtural Reality，以下簡稱VR）在裝備維修領(lǐng)域的應(yīng)用指明了方向[1-2]。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是飛機(jī)重要的傳感器設(shè)備，能提供飛行狀態(tài)下的加速度、速度、位置、姿態(tài)、航向等數(shù)據(jù)信息。該系統(tǒng)內(nèi)部組件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、器件精密度高、裝配銜接要求精細(xì)，使得培養(yǎng)該型慣導(dǎo)修理人員成本、周期及難度大大增加。

PostEngineer開發(fā)軟件（以下簡稱“PE”）是三維交互式可視化系統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)平臺(tái)，內(nèi)嵌可擴(kuò)展的對象庫[3-4]。可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期的可視化數(shù)據(jù)展現(xiàn)、交互培訓(xùn)、虛擬監(jiān)控、售后使用及維修指導(dǎo)等。

通過PE虛擬仿真技術(shù)完成某型慣性導(dǎo)航平臺(tái)組件培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)，分模塊實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品原理教學(xué)、維修實(shí)操訓(xùn)練的三維虛擬建模和交互，可以為受訓(xùn)人員提供直觀、逼真的訓(xùn)練環(huán)境，有效提高慣導(dǎo)修理人員培養(yǎng)效率，降低培養(yǎng)成本[5]。

1 PE虛擬仿真平臺(tái)

1.1 虛擬仿真平臺(tái)特點(diǎn)

PE虛擬仿真平臺(tái)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，可提供代碼級信息安全和技術(shù)保障。其基于結(jié)構(gòu)化腳本語言的二次開發(fā)模式，方便實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制邏輯；基于OpenGL圖形庫開發(fā)，支持多種CAD文件接口；可實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)處理，完成多維信息的集成和顯示；實(shí)時(shí)交互，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)考核評估；軟硬件結(jié)合，實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)備和硬件的雙向驅(qū)動(dòng)[6]。

1.2 虛擬仿真平臺(tái)架構(gòu)

PE開發(fā)過程主要分為兩部分：動(dòng)畫制作和交互設(shè)計(jì)。動(dòng)畫制作指通過PE動(dòng)畫編輯器創(chuàng)建三維模型的運(yùn)動(dòng)及特殊效果動(dòng)畫，交互設(shè)計(jì)是指用戶與虛擬系統(tǒng)之間的交互方式。PE以面向?qū)ο蟮男问介_發(fā)，用戶通過定義各種對象以及對象間的關(guān)系構(gòu)造復(fù)雜虛擬交互系統(tǒng)。

2 基于PE軟件的系統(tǒng)功能和方案

2.1 系統(tǒng)功能分析

系統(tǒng)主要包括教學(xué)演示以及訓(xùn)練兩個(gè)基本功能，根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)劃分為外滾環(huán)、俯仰環(huán)、內(nèi)滾環(huán)以及方位環(huán)等四個(gè)部分，分別從拆分和安裝兩個(gè)角度進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

借用PE虛擬仿真開發(fā)平臺(tái)的物理引擎，進(jìn)行慣性平臺(tái)裝配部件之間的實(shí)時(shí)碰撞檢測，可實(shí)現(xiàn)數(shù)字模型的虛擬裝配評估，減少實(shí)際產(chǎn)品評估帶來的制造修理成本和周期。

2.2 系統(tǒng)功能架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)培訓(xùn)系統(tǒng)功能的需求，整個(gè)培訓(xùn)系統(tǒng)分為講解和訓(xùn)練兩個(gè)主模塊，在主模塊下分別設(shè)置拆卸和安裝子模塊，在子模塊下設(shè)置環(huán)架、方位分解及安裝，如圖1所示。

基于PE的項(xiàng)目開發(fā)過程主要是三維模型的建立、平面圖的設(shè)計(jì)、專業(yè)資料的整理和軟件的設(shè)計(jì)等，如圖2所示。

3 培訓(xùn)平臺(tái)設(shè)計(jì)過程

某產(chǎn)品培訓(xùn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)按照產(chǎn)品螺釘建模、裝配調(diào)整成型、產(chǎn)品上色、基礎(chǔ)動(dòng)畫制作、講解動(dòng)畫及聲音、訓(xùn)練及交互設(shè)計(jì)等過程進(jìn)行，其過程如圖3所示。

圖1 系統(tǒng)功能架構(gòu)框圖

圖2 項(xiàng)目開發(fā)流程框圖

圖3 培訓(xùn)平臺(tái)設(shè)計(jì)過程

3.1 產(chǎn)品、螺釘建模

培訓(xùn)平臺(tái)設(shè)計(jì)的第一步為產(chǎn)品及螺釘?shù)慕?，由于本系統(tǒng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度高，選用CATIA軟件進(jìn)行模型建立。CATIA模型注重模型的幾何準(zhǔn)確性和精確度，能提高VR場景中的訓(xùn)練要求，產(chǎn)品建模完畢后如圖4所示。

3.2 裝配調(diào)整成型

產(chǎn)品和螺釘建模完畢后，要進(jìn)行裝配調(diào)整成型，包括方位環(huán)裝配調(diào)整、內(nèi)傾斜框與方位環(huán)裝配、外滾環(huán)及內(nèi)部裝配，由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，部分?jǐn)?shù)據(jù)難以測量準(zhǔn)確，所以要根據(jù)其模型誤差進(jìn)行反復(fù)調(diào)整。待調(diào)整合理后最后加上螺釘逐個(gè)裝配，最后就完成產(chǎn)品的整體裝配調(diào)整。裝配成型后的產(chǎn)品如圖5所示。

圖4 產(chǎn)品建模

圖5 產(chǎn)品裝配成型

3.3 產(chǎn)品上色

由于CATIA模型不對產(chǎn)品材質(zhì)紋理進(jìn)行設(shè)置，為使創(chuàng)建的三維模型逼真，將模型導(dǎo)入到3DS MAX軟件后，通過表面貼圖的方式對模型進(jìn)行渲染著色。

渲染完成后將模型通過交互接口導(dǎo)入到PE虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)軟件中進(jìn)行場景仿真制作，對模型材質(zhì)、紋理、透明度等進(jìn)行修改。產(chǎn)品上色后如圖6所示。

圖6 產(chǎn)品上色

3.4 基礎(chǔ)動(dòng)畫制作

模型導(dǎo)入PE虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)軟件后，首先對模型節(jié)點(diǎn)分組固化。分解、安裝等動(dòng)畫實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)就是產(chǎn)品節(jié)點(diǎn)的完整建立。

完成產(chǎn)品色彩節(jié)點(diǎn)調(diào)整后，進(jìn)行動(dòng)畫制作，進(jìn)行PE模型的初步處理，初始化動(dòng)畫背景按鈕制作以及初始化動(dòng)畫制作，完成基礎(chǔ)動(dòng)畫的制作。

3.5 講解動(dòng)畫及聲音

根據(jù)系統(tǒng)功能需求建立各模塊，在各模塊下首先分組制作基礎(chǔ)分解動(dòng)畫，安裝動(dòng)畫可利用分解動(dòng)畫的反向動(dòng)畫完成。在基礎(chǔ)分解動(dòng)畫制作完成后，利用基礎(chǔ)動(dòng)畫添加相機(jī)變化、文字語音解說等制作復(fù)合動(dòng)畫。講解動(dòng)畫即是利用復(fù)合動(dòng)畫進(jìn)行銜接完成。

3.6 訓(xùn)練及交互設(shè)計(jì)

完成拆卸訓(xùn)練動(dòng)畫、裝配訓(xùn)練動(dòng)畫等，添加按鈕界面，對整體進(jìn)行梳理修改，完成培訓(xùn)平臺(tái)的開發(fā)。

訓(xùn)練模塊需要對模型進(jìn)行交互設(shè)置以完成人機(jī)互動(dòng)功能，主要采用控制點(diǎn)以及觸發(fā)器?？刂泣c(diǎn)是通過對單個(gè)部件的操作引發(fā)動(dòng)畫執(zhí)行，主要使用在分解模塊中；觸發(fā)器是通過鼠標(biāo)依次點(diǎn)擊兩個(gè)部件來觸發(fā)動(dòng)畫的運(yùn)行，主要運(yùn)用在安裝模塊中。

對于整體界面的完善制作，主要包括添加界面、背景、按鈕等。在此過程中，需注意各按鈕內(nèi)要添加模塊初始化動(dòng)畫。

4 虛擬培訓(xùn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

4.1 教學(xué)模塊

用戶進(jìn)入教學(xué)模塊，可選擇拆分講解動(dòng)畫、裝配講解動(dòng)畫。拆卸模塊又按分解順序劃分為模塊拆卸、臺(tái)體拆卸、外三環(huán)拆卸，裝配模塊為拆分逆過程，學(xué)員可自主分階段進(jìn)行學(xué)習(xí)。圖7為拆分講解動(dòng)畫效果圖。

圖7 拆分講解界面

4.2 訓(xùn)練模塊

訓(xùn)練模式布局同教學(xué)模塊，拆卸安裝互為逆過程。用戶進(jìn)入訓(xùn)練模式，可使用顯示系統(tǒng)生成的虛擬動(dòng)作，來完成與數(shù)字虛擬樣件的裝配和分解交互，系統(tǒng)依據(jù)用戶操作步驟進(jìn)行判斷，并給予提示（如圖3所示）?；谠撃K，對學(xué)員進(jìn)行裝配、分解等方面的虛擬培訓(xùn)，減少物理調(diào)教試驗(yàn)。圖8為訓(xùn)練臺(tái)分解效果圖，圖9為訓(xùn)練臺(tái)體裝配效果圖。

圖8 臺(tái)體分解界面

圖9 臺(tái)體裝配界面

5 結(jié)語

基于PostEngineer技術(shù)開發(fā)的某型慣性平臺(tái)組件維修培訓(xùn)仿真平臺(tái)，具有基于產(chǎn)品的豐富表現(xiàn)元素、直觀的表現(xiàn)方式、人性化的訓(xùn)練模式和便捷的可修改擴(kuò)充體驗(yàn)等特點(diǎn)，能有效縮短培訓(xùn)周期、減少設(shè)備損耗、規(guī)避事故隱患，交互功能體現(xiàn)用戶個(gè)性需求。將虛擬維修應(yīng)用平臺(tái)引入理論教學(xué)中，可以有效推進(jìn)航修培訓(xùn)方法和手段的進(jìn)步，使培訓(xùn)內(nèi)容形象、真實(shí)。本文所開發(fā)的慣性平臺(tái)維修培訓(xùn)系統(tǒng)，可為下一步航空修理產(chǎn)業(yè)提供經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)技術(shù)支持。

[1]MIL-HDBK-470，Designing and Developing Maintainable Products and Systems，Department of Defense Handbook [S].August 1997.

[2]楊宇航，蘇曼迪，喬輝.復(fù)雜裝備維修訓(xùn)練通用仿真系統(tǒng)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2008，20（11）：2885-2892.

[3]郭叔偉，孫巖，丁祥. 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的飛行教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用研究[J].裝備制造技術(shù)，2016（9）：202-204.

[4]周來，鄭丹力，顧宏斌，等. 虛擬現(xiàn)實(shí)飛行模擬訓(xùn)練中的視覺交互技術(shù)研究[J].航空學(xué)報(bào)，2013，34（10）：2391-2401.

[5]PostEngineer開發(fā)手冊.武漢創(chuàng)景可視.

[6]李昂，宗磊.基于PostEngineer虛擬仿真平臺(tái)的艦艇導(dǎo)航裝備虛擬保障研究[J].艦船電子工程，2016，（9）：66-69.