徐 燕，呂 莉

(1.成都農(nóng)業(yè)科技職業(yè)學院，成都 611130；2.四川工業(yè)科技學院，四川 德陽 618500)

0 引言

內(nèi)燃機是一種熱效率高、機動性好、使用方便的熱力發(fā)動機，主要用于乘用汽車和商用汽車上，是保證汽車穩(wěn)定、安全運行的重要條件。在汽車內(nèi)燃機維修過程中，由于其結(jié)構較為復雜，在故障排除過程中僅僅依靠相關機械零件圖紙材料無法實現(xiàn)內(nèi)燃機真實場景的模擬與展示[1-3]，導致維修人員對內(nèi)燃機結(jié)構認知和模型難以了解。在車用內(nèi)燃機維修過程中，常出現(xiàn)如下主要問題。一是專業(yè)理論欠缺，認知不足。由于汽車種類較多，其裝配的內(nèi)燃機型號種類也存在一定的差異。即使汽車維修人員進行維修培訓，后期在維修過程中也會存在因?qū)I(yè)理論欠缺、實踐不足等導致的維修問題。二是維修手段滯后，效率不高。汽車維修人員在進行內(nèi)燃機維修前需要對各個結(jié)構有清晰的了解與認知，但是內(nèi)燃機結(jié)構復雜，前期維修培訓與維修手冊操作流程等較為刻板，導致維修手段滯后，效率不高[4]。三是檢修技術差異大，維修質(zhì)量難控。車用內(nèi)燃機較為昂貴，由于不同維修人員的經(jīng)驗和習慣存在較大的差異性，在操作實踐過程中可能會因相關操作失誤導致零件受損等問題，因此，在車用內(nèi)燃機維修過程中會存在操作標準不一致，維修質(zhì)量難把控等問題。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 增強現(xiàn)實技術概念與意義

增強現(xiàn)實技術(AR)是在虛擬現(xiàn)實技術(VR)的基礎上，融合數(shù)字技術、物理技術、計算機技術、電子信息技術和仿真技術，將虛擬現(xiàn)實與真實環(huán)境進行連接[5-7]，將現(xiàn)實環(huán)境中的內(nèi)容進行突出顯示，因此被稱為“增強現(xiàn)實”。AR技術可以為用戶提供一種更加直觀、立體的視覺效果，甚至可以提供聽覺技術。隨著近年來計算機技術的快速發(fā)展及國家對高新技術產(chǎn)業(yè)的大力支持，增強現(xiàn)實技術(AR)也在各個行業(yè)中得到了廣泛應用與發(fā)展。AR技術的應用優(yōu)勢如下。

1)AR技術屬于一種高新技術，可以提高維修技術人員的知識學習興趣。在車用內(nèi)燃機維修過程中，可以實現(xiàn)對內(nèi)燃機的拆卸演示、認知識別、裝配演示等，可以為維修人員提供一種新的學習方式，改善了傳統(tǒng)枯燥的教學操作模式。

2)能夠提高教學環(huán)境，提升學習效率。在目前汽車維修專業(yè)的教學環(huán)境中，主要采用“教材+板書+PPT”進行書面講解，課程枯燥無味，學生學習效率較低。將AR技術融入教學過程中，可以更加形象、立體地向?qū)W生展示豐富的教學內(nèi)容，可以提高汽修專業(yè)學生的學習興趣與學習效率。

3)降低維修成本與投入資金。傳統(tǒng)汽車維修，企業(yè)維修人員在維修中或是職業(yè)院校學生在實訓時由于相關操作失誤，會導致零件受損、維修質(zhì)量難控、維護成本高等問題，將AR技術融入可有效解決上述問題，降低維修成本與投入資金。

綜上所述，AR技術在汽車維修中具有操作簡單、認知性能強等應用優(yōu)勢，可以用于汽車維修企業(yè)對內(nèi)燃機輔助維修及員工的職業(yè)培訓、相關高校教學。

1.2 發(fā)展現(xiàn)狀

AR技術可以將各類圖像信息等資源整合，然后融入到現(xiàn)實環(huán)境中，并基于可視化技術呈現(xiàn)到用戶面前，增強用戶的真實體驗感。AR技術起源于20世紀中期，由美國飛歌公司研發(fā)，創(chuàng)造出首個增強現(xiàn)實的系統(tǒng)，到20世紀末期逐漸實現(xiàn)商業(yè)化應用。后期，Magic Book將教學內(nèi)容以動畫和3D場景展示出來，可以通過特制的眼鏡看到虛擬場景。

日本奈良科學院在2005年將AR技術用于塞班系統(tǒng)智能手機服務，墨爾本大學將AR技術應用到醫(yī)學掃描中，可以直接掃描出人體骨骼與肌肉構造。相關研究預測，預計在2025年，AR技術將在Google、Apple、Facebook等三巨頭的推動下，使用用戶將達到35億[8]。

我國AR技術的研究起步較晚，使用數(shù)量與應用范圍與國外還存在一定的差距。但是，近年來，隨著國家的支持與高度重視，我國在各個地區(qū)逐漸開展以AR技術和虛擬現(xiàn)實技術試驗基地的建設與發(fā)展。如香港城市大學基于AR技術將古物，如壁畫等展示給觀眾，解決了由于壁畫脆弱而導致人員無法直接參觀的問題。華中師范大學將AR技術應用到生物教學中，更加直觀地展示復雜的人體結(jié)構。目前，AR技術在工業(yè)生產(chǎn)中也得到了廣泛應用，解決了工業(yè)產(chǎn)品中由于裝配工序較多導致操作失誤等問題，基于AR技術，維修人員可以實時根據(jù)AR畫面指引進行標準化維修與操作，提高工作效率。

2 基本結(jié)構與關鍵技術研究

2.1 整體思想

本研究主要是解決車用內(nèi)燃機維修中出現(xiàn)的難題。首先是可以進行輔助教學、企業(yè)培訓，提高學生、員工的理論知識，其次可以在維修人員進行內(nèi)燃機維修過程中和學生學習實訓中，實現(xiàn)輔助維修的作用。

2.2 系統(tǒng)要求

車用內(nèi)燃機AR檢修系統(tǒng)主要分為3個技術模塊，既理論認知模塊、拆裝教學模塊和檢修演示模塊，如圖1所示。

圖1 AR系統(tǒng)整體組成結(jié)構示意圖

2.2.1 理論認知模塊

用戶可以對車用內(nèi)燃機相關結(jié)構進行全面分析與介紹。

2.2.2 拆裝教學模塊

對車用內(nèi)燃機關鍵部件，如曲柄連桿機構、潤滑系統(tǒng)、燃油供給系統(tǒng)等進行系統(tǒng)介紹，同時可以生動展示各個模塊的拆解與安裝過程，效果生動形象。

2.2.3 檢修展示模塊

在實現(xiàn)上述功能的基礎上，可以對車用內(nèi)燃機常見故障與故障排除方法進行詳細展示，并根據(jù)實際問題提出合理的解決方案，達到汽車維修過程中的輔助維修目的。

2.3 系統(tǒng)開發(fā)工具

2.3.1 系統(tǒng)建模軟件

車用內(nèi)燃機建模軟件主要包括UG、Solid Works、3D Max等技術。可以對車用內(nèi)燃機進行1∶1建模。

2.3.2 系統(tǒng)開發(fā)工具選擇

完成AR檢修系統(tǒng)中場景編輯、腳本編輯和文件轉(zhuǎn)化等，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換、場景協(xié)調(diào)整合及三維數(shù)據(jù)管理等功能。

2.4 顯示設備

AR系統(tǒng)中重點為虛擬場景的生成區(qū)，通過計算機建模在生成區(qū)進行場景展示，然后進行場景渲染，進而實現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實的結(jié)合。

3 車用內(nèi)燃機AR系統(tǒng)研究

本研究主要以安卓手機系統(tǒng)為移動終端，實現(xiàn)對車用內(nèi)燃機的檢修與結(jié)構認知，可以對車用內(nèi)燃機拆解過程、維修原理和裝配技術等進行可視化展示，實現(xiàn)內(nèi)燃機檢修，如圖2所示。主要實現(xiàn)以下三個功能：一是通過掃描展示內(nèi)燃機簡圖，實現(xiàn)對整體結(jié)構的認知。二是通過手機對內(nèi)燃機某一部分進行掃描時，可以展示立體效果，分解拆裝步驟；對工量具進行掃描時，可以展示其功能及使用方法。三是通過人機交互窗口實現(xiàn)對車用內(nèi)燃機整體結(jié)構的認知與輔助檢修模塊的使用。

圖2 系統(tǒng)整體結(jié)構組成

在車用內(nèi)燃機AR檢修系統(tǒng)使用過程中，首先可以實現(xiàn)對車用內(nèi)燃機的結(jié)構學習，還可以在車用內(nèi)燃機維修中進行工量具使用、零件拆裝步驟參考與自主操作。用手機掃描相關目標圖片后，手機屏幕就可以展示目標模型，并通過人機交互實現(xiàn)實時交流，用戶可以通過手機屏幕上各個功能模塊的掃描，點擊以縮放、旋轉(zhuǎn)方式實現(xiàn)結(jié)構認知，動圖、視頻原理展示，拆裝和檢修步驟提醒，故障實例展示等功能。

4 結(jié)語

本研究以車用內(nèi)燃機維修為研究對象，使用三維建模軟件和Unity3D為主要開放平臺建立內(nèi)燃機AR檢修系統(tǒng)。通過對車用內(nèi)燃機AR檢修系統(tǒng)關鍵技術和結(jié)構進行系統(tǒng)論述。研究結(jié)果可以實現(xiàn)輔助維修、企業(yè)培訓及教學，對于推動汽車維修行業(yè)的發(fā)展具有重要意義，對于提升車用內(nèi)燃機維修效率提供技術參考。未來還應該進一步完善汽車發(fā)動機建模細節(jié)，擴大汽車發(fā)動機故障檢修內(nèi)容。