虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在特裝底盤故障診斷中的應(yīng)用

【裝備理論與裝備技術(shù)】

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在特裝底盤故障診斷中的應(yīng)用

王放，張杰，王新軍

(第二炮兵工程大學(xué) 五系，西安710025)

摘要：針對傳統(tǒng)故障診斷訓(xùn)練方式受場地、時(shí)間、裝備限制，損耗大，成本高的問題，以WS2400A2特裝底盤為研究對象，提出將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到訓(xùn)練中，在3DS Max軟件建模的基礎(chǔ)上，用Virtools和Visual Studio 2005軟件平臺(tái)聯(lián)合開發(fā)的方式實(shí)現(xiàn)特裝底盤的故障機(jī)理研究及故障診斷；使用戶更加直觀，更加投入的研究故障的發(fā)生機(jī)理、發(fā)展過程以及有可能導(dǎo)致的后果；實(shí)際應(yīng)用表明：該方法不僅彌補(bǔ)了某些故障不方便在實(shí)況中模擬的缺陷，還可以減少設(shè)備損耗，使訓(xùn)練更加安全高效，值得推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：特裝底盤；故障診斷；虛擬現(xiàn)實(shí)；Virtools

收稿日期：2014-06-02

作者簡介：王放(1975—)，男，副教授，主要從事汽車?yán)碚摵吞摂M維修研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.01.004

中圖分類號(hào)：TP391.9

文章編號(hào)：1006-0707(2015)01-0013-04

本文引用格式：王放，張杰，王新軍.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在特裝底盤故障診斷中的應(yīng)用[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2015(1):13-16.

Citationformat:WANGFang,ZHANGJie,WANGXin-jun.ApplicationofVirtualRealityTechnologyinFailureDiagnosisofChassisforSpecialEquipment[J].JournalofSichuanOrdnance,2015(1):13-16.

ApplicationofVirtualRealityTechnologyinFailureDiagnosisof

ChassisforSpecialEquipment

WANGFang,ZHANGJie,WANGXin-jun

(The5thDepartment,theSecondArtilleryEngineeringUniversity,Xi’an710025,China)

Abstract:In order to solve the traditional training problems of being limited by place, time and equipment and the large loss and high costs of it, the application of virtual reality technology to the training was put forward by taking WS2400A2 special assembly chassis as the research object. To study the occurrence, the development process and the possible consequences of failure, the Virtools and Visual Studio 2005 software platform were applied together based on 3DS Max software modeling, which makes the users’ research into the failure mechanism, the development process and the possible consequences more intuitively and more devotedly. This application decreases the loss, makes the training more safe and efficiency and makes up the defects that some failures are not able to simulate in the real environment, so that this system is deserved to be popularized.

Keywords:chassisforspecialequipment;failurediagnosis;virtualreality;Virtools

WS2400A2特裝底盤是部隊(duì)的重要裝備之一，它集機(jī)、電、液于一體，是一個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的系統(tǒng)。面對部隊(duì)日漸復(fù)雜嚴(yán)格的訓(xùn)練環(huán)境，車輛故障發(fā)生的頻率很高，導(dǎo)致車輛故障排除成為影響部隊(duì)訓(xùn)練的重要因素。但是，特裝底盤的結(jié)構(gòu)與通裝底盤有所不同，所以培養(yǎng)部隊(duì)維修人員快速診斷特裝底盤故障并加以排除的能力成為當(dāng)務(wù)之急。針對此情況，本文采用3DSMax對特裝底盤進(jìn)行三維建模，用三維模型代替實(shí)裝，通過Virtools實(shí)現(xiàn)模型交互式操作、特裝底盤各分系統(tǒng)工作原理演示和各部件故障機(jī)理演示及常見故障診斷[1]。

1系統(tǒng)功能需求分析

在虛擬故障診斷系統(tǒng)開發(fā)之前，必須要對想要實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行分析，統(tǒng)籌全局，可以提高開發(fā)的效率，也保證系統(tǒng)的實(shí)用性[2]。針對特裝底盤故障快速診斷能力培養(yǎng)的要求，系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)以下功能：

1) 正常工作過程學(xué)習(xí)。要排除故障，首先必須掌握正常工作與故障時(shí)的不同之處，系統(tǒng)應(yīng)提供一個(gè)工作過程仿真學(xué)習(xí)的平臺(tái)。可以以三維仿真模式學(xué)習(xí)特裝底盤各部分的安裝位置、裝配連接關(guān)系、空間結(jié)構(gòu)布局和工作原理。

2) 故障機(jī)理學(xué)習(xí)。要實(shí)現(xiàn)故障的快速診斷，必須深入了解掌握故障發(fā)生的機(jī)理、發(fā)展過程以及可能導(dǎo)致的后果，系統(tǒng)必須提供一個(gè)交互式的虛擬操作環(huán)境，讓用戶通過選擇植入故障，觀察植入故障后系統(tǒng)整體的變化進(jìn)行學(xué)習(xí)。

3) 故障診斷。特裝底盤常見故障現(xiàn)象的診斷過程，診斷過程中考慮到一個(gè)故障現(xiàn)象對應(yīng)多個(gè)可能原因，各個(gè)可能的原因之間在診斷過程中的邏輯關(guān)系。

4) 技術(shù)數(shù)據(jù)查詢。系統(tǒng)應(yīng)具備特裝底盤維護(hù)保養(yǎng)要求，檢查調(diào)整規(guī)范以及預(yù)防故障發(fā)生的注意事項(xiàng)。用以指導(dǎo)故障診斷。例如制動(dòng)蹄鼓間隙的要求值、制動(dòng)踏板的自由行程值。

5) 開放的數(shù)據(jù)庫構(gòu)架。特裝底盤設(shè)備非常復(fù)雜，其設(shè)備故障庫需要不斷的更新，因此構(gòu)建一個(gè)開放的數(shù)據(jù)庫以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)容的不斷更新,確保系統(tǒng)內(nèi)容的準(zhǔn)確性和完整性非常必要。

2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思想

根據(jù)以上對系統(tǒng)需求的分析，確定系統(tǒng)的開發(fā)流程如圖1所示，一共分為7層：建模環(huán)境層、系統(tǒng)支撐層、模型層、模型轉(zhuǎn)換層、交互層、模塊層及用戶界面層[3]。

1) 建模環(huán)境層。主要任務(wù)是依據(jù)特裝底盤的實(shí)物、二維圖紙、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)以及零部件設(shè)計(jì)參數(shù)，使用3DSMax進(jìn)行建模，并輸出為交互平臺(tái)能夠?qū)氲闹虚g格式(.nmo)文件。

2) 系統(tǒng)支撐層。主要任務(wù)是計(jì)算機(jī)各個(gè)硬件能夠支撐建模需求，具體來說就是可以保證3DSMax軟件流暢運(yùn)行。

3) 模型層。模型層包括部件的基本信息、三維幾何模型、交互模型、狀態(tài)模型四部分。其中部件的基本信息包括部件的名稱、序號(hào)、隸屬關(guān)系等信息；三維幾何模型指特裝底盤的幾何外形；交互模型指需要完成故障診斷交互式操作的模型；狀態(tài)模型描述特裝底盤所處的工作狀態(tài)。

4) 模型轉(zhuǎn)換層。在模型轉(zhuǎn)換層實(shí)現(xiàn)模型導(dǎo)入交互設(shè)計(jì)軟件，并進(jìn)行模型處理，處理包括模型優(yōu)化、模型減面等。

5) 交互層。交互層完成模型的交互設(shè)計(jì)，虛擬故障診斷交互是整個(gè)系統(tǒng)的核心，系統(tǒng)采用Virtools作為三維交互引擎。3DSMax輸出的模型可以導(dǎo)入到Virtools中。虛擬故障診斷交互包含兩部分：一是故障機(jī)理演示，二是故障診斷流程交互式操作。故障機(jī)理演示部分實(shí)際上是通過用戶對不同的底盤部件植入故障，觀察故障的發(fā)生、發(fā)展過程以及導(dǎo)致的結(jié)果，其本質(zhì)是單個(gè)部件狀態(tài)變化對其他部件以及整個(gè)系統(tǒng)工作狀態(tài)的影響。故障診斷流程交互式操作主要是為了指導(dǎo)用戶按照最優(yōu)化的路徑進(jìn)行故障診斷。

6) 模塊層。模塊層是指系統(tǒng)包含的功能模塊，根據(jù)需求分析，包括工作過程仿真、故障機(jī)理學(xué)習(xí)、故障診斷、技術(shù)數(shù)據(jù)查詢四部分。

7) 用戶界面層。用戶界面層主要工作是將已制作完成的各個(gè)模塊層功能進(jìn)行組織處理，并直觀地反映出來。用戶界面層為用戶提供直觀的圖形交互接口，方便用戶訪問系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊。

圖1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思想

3系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)施

Virtools是一套具備豐富的互動(dòng)行為模塊的實(shí)時(shí)3D環(huán)境虛擬實(shí)景編輯軟件?？梢詫F(xiàn)有的檔案格式整合在一起，如3D模型、2D圖形或者音頻文件等。可以制作出不同用途的3D產(chǎn)品，如交互式電視、仿真與產(chǎn)品展示、多媒體等。在Virtools環(huán)境下對3DSMax輸出的模型進(jìn)行期望的行為編程，就能達(dá)到想要的交互或是展示。Virtools為開發(fā)者提供了大量的行為功能模塊，即BehaviorBlocks(簡稱BB)，每個(gè)BB中都封裝了行為功能函數(shù)，開發(fā)者只需要通過閱讀幫助文檔中的模塊功能介紹，掌握各個(gè)模塊的使用方法，即可按照自己的需要進(jìn)行開發(fā)。開發(fā)者也可以通過VSL自己編制BB，并保存到Virtools的模塊庫中，這些自己編制的BB模塊就像軟件自帶的模塊一樣可以在腳本編程時(shí)調(diào)用。VSL是類似于C語言的編程語言，功能強(qiáng)大且易學(xué)[4]。

3.1建立系統(tǒng)所需模型

建模技術(shù)是將現(xiàn)實(shí)中的物體及其屬性轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)并呈現(xiàn)的途徑[5]。三維建模技術(shù)是該系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)[6]。建模在整個(gè)系統(tǒng)建立中占的比重也相當(dāng)大。整個(gè)建模過程包括：數(shù)據(jù)收集整理，繪制CAD圖，建立模型和模型美化[7]。

1) 數(shù)據(jù)收集整理。為了使模型尺寸精確，使模型看上去更加接近實(shí)際情況，必須要測量模型的實(shí)際尺寸，然后根據(jù)測得的實(shí)際尺寸按照一定的比例進(jìn)行縮小。系統(tǒng)中使用的是3DSMax中的網(wǎng)格來標(biāo)識(shí)建模尺寸。

2) 建立模型和模型美化。根據(jù)部件的尺寸數(shù)據(jù)，及部件的外形構(gòu)造繪制CAD圖。建立三維模型的過程在3DSMax中完成，模型建立的過程遵循由大到小、由粗略到細(xì)致的原則，最后進(jìn)行模型的美化，以達(dá)到實(shí)際想要的視覺效果。

以發(fā)動(dòng)機(jī)為例，其三維實(shí)體模型如圖2所示。

圖2　發(fā)動(dòng)機(jī)三維實(shí)體模型

3.2虛擬交互操作的實(shí)現(xiàn)

虛擬故障機(jī)理演示以及虛擬故障診斷是整個(gè)系統(tǒng)的核心，用戶也是通過虛擬交互式操作來達(dá)到學(xué)習(xí)熟練掌握故障診斷流程的目的。在三維交互引擎Virtools環(huán)境下完成虛擬交互操作，首先是模型的導(dǎo)入，然后利用BB模塊進(jìn)行模型的行為編程，最后在Virtools中的發(fā)布模塊完成模型的發(fā)布。模型發(fā)布文件格式為(.vmo)。

在建立該系統(tǒng)所需的交互模型時(shí)常用的BB模塊及其功能見表1。在Virtools的作品中，場景包括三維場景和二維場景。三維場景用來放置三維環(huán)境和三維對象，二維場景主要用來放置控制按鈕，顯示信息等[8]。

在故障機(jī)理演示模塊，用戶要完成的是對故障的植入，同過系統(tǒng)菜單選擇相應(yīng)的故障，進(jìn)入虛擬環(huán)境后，通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊故障部件開始故障機(jī)理的演示。整個(gè)過程重要的是完成通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊對部件的選擇，然后發(fā)送信號(hào)到相應(yīng)的動(dòng)作部件進(jìn)行動(dòng)作。其流程如圖3所示。

圖3　故障機(jī)理模塊交互式操作流程

在故障診斷流程交互式操作模塊，需要在三維場景中展示出不同的故障現(xiàn)象。根據(jù)已有故障庫中常見的故障現(xiàn)象進(jìn)行總結(jié)，得到需要完成的展示效果包括：冒白煙、冒黑煙、爆裂、斷開、燈亮、燈滅等。圖4是Virtools中白煙效果的腳本，其他不一一列舉。同時(shí)，需要在二維場景中添加文字作為故障診斷的指導(dǎo)。

需要指出的是在工作過程仿真等模塊有些動(dòng)作需要演示，但不需要完成交互的，在3DSMax中完成該動(dòng)作的設(shè)計(jì)相對簡單。當(dāng)Virtools需要這些動(dòng)作時(shí)，只需使用“PlayGlobalAnimation”腳本即可。比如制動(dòng)系統(tǒng)工作過程仿真，油路、氣路的流動(dòng)都是在3DSMax中完成的。其整體腳本如圖5所示。

表1　交互設(shè)計(jì)常用的 BB模塊及其功能

圖4　白煙效果腳本

圖5　制動(dòng)系統(tǒng)工作過程仿真腳本

3.3建模及交互關(guān)鍵問題

1) 模型的面數(shù)問題。必須在保證模型與實(shí)際中相像的前提下，盡量減少面的使用，以使模型的線面數(shù)不至于過大[9]。這樣可以使模型文件不至于過大，在Virtools載入模型時(shí)，保證模型的真實(shí)度及載入速度[10]。在3DSMax中首先使用Optimize優(yōu)化減面，對于模型面數(shù)太多而上述優(yōu)化無法減面的情況使用Multires減面[11]。

2) 模型的比例的問題。協(xié)調(diào)所有模型的比例，縮小比例必須一致，才能保證模型整體具有真實(shí)感。

3) 模型的命名問題。3DSMax所輸出的模型命名時(shí)用全英文，不能出現(xiàn)漢字，這樣可以保證載入模型時(shí)不發(fā)生錯(cuò)誤。在下文提到的Virtools輸出的交互文件存儲(chǔ)名稱也必須是英文。

4) 碰撞檢測。系統(tǒng)使用的三維實(shí)體運(yùn)動(dòng)模型，任何時(shí)刻、任何物體所占據(jù)的有限空間之間，不能發(fā)生彼此重疊現(xiàn)象，這就需要采用碰撞檢測技術(shù)。快速準(zhǔn)確的碰撞檢測是提高系統(tǒng)真實(shí)感和沉浸感的重要因素。在Virtools中碰撞檢測主要是通過球形包圍盒法實(shí)現(xiàn)的。球形包圍盒法碰撞檢測的流程如圖6所示。

圖6　球形包圍盒碰撞檢測流程

5) 視點(diǎn)運(yùn)動(dòng)控制。視點(diǎn)運(yùn)動(dòng)控制是指用戶在使用系統(tǒng)進(jìn)行交互時(shí)，在交互環(huán)境中改變視點(diǎn)的位置、方向、運(yùn)動(dòng)速度等的功能。視點(diǎn)運(yùn)動(dòng)控制主要依靠鍵盤、鼠標(biāo)、窗體來實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)采用鍵盤控制三維空間6個(gè)自由度的移動(dòng)，用鼠標(biāo)滾輪控制視點(diǎn)旋轉(zhuǎn)和俯仰角度變化，借助窗體實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的設(shè)置。在Virtools中實(shí)現(xiàn)視點(diǎn)運(yùn)動(dòng)控制的腳本如圖7所示。

圖7　視點(diǎn)運(yùn)動(dòng)控制腳本

4系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)涉及到的文件類型較多，單個(gè)vmo文件只能完成一個(gè)功能，為方便用戶在界面層完成整個(gè)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能操作，需要在VisualStudio2005中的VB.Net平臺(tái)上利用各個(gè)軟件提供的接口進(jìn)行系統(tǒng)的集成。在集成的過程中需要考慮交互文件需要在VB.Net調(diào)用VirtoolsWebPlayer控件才能顯示vmo文件。圖8是系統(tǒng)集成后工作過程仿真模塊中的制動(dòng)系統(tǒng)工作過程仿真。

5結(jié)論

系統(tǒng)針對部隊(duì)訓(xùn)練需要，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，解決了傳統(tǒng)故障診斷教學(xué)對裝備大量需求的問題，滿足了訓(xùn)練任務(wù)，節(jié)約了經(jīng)費(fèi)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在特裝底盤故障診斷中的使用，為特裝領(lǐng)域的故障診斷注入了活力，突破了以往教學(xué)在空間、設(shè)備方面的限制。對特裝故障診斷訓(xùn)練發(fā)展具有重要意義。

圖8　制動(dòng)系統(tǒng)工作過程仿真

參考文獻(xiàn)：

[1]鮑健.汽車故障診斷技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].工業(yè)技術(shù),2012,56(5):110-111.

[2]謝陽,張燕,李改紅.基于virtools的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)建模與優(yōu)化[J].微處理機(jī),2013,2(1):92-95.

[3]劉金林,曾凡明.基于CATIA/VIRTOOLS的艦船主動(dòng)力裝置虛擬維修訓(xùn)練技術(shù)研究[J].艦船科學(xué)技術(shù),2008,30(6):140-142.

[4]傅招國,王天威,倪小鵬，等.基于Virtools的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及在特種設(shè)備教學(xué)中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)工程與科學(xué),2012,34(6):97-100.

[5]降世婧.基于virtools的發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬裝配仿真軟件的研究與開發(fā)[D].長春:吉林大學(xué),2013.

[6]胡榮寶.基于virtools的橋式起重機(jī)仿真訓(xùn)練系統(tǒng)研究[D].杭州:浙江工業(yè)大學(xué),2012.

[7]WangQH,LiJR.Interactivevisualizationofcomplexdynamicvirtualenvironmentsforindustrialassemblies[J].ComputersinIndustry,2006,57(4):366-377.

[8]LiJR,KhooP,TorB.Desktopvirtualrealityformaintenancetraining:anobjectorientedprototypesystem(V-REALISM)[J].ComputerinIndustry,2003,52(2):109-125.

[9]MinZeng.Applicationofvirtoolsinvirtualcampusroaming[J].AppliedMechanicsandMaterials,2013,384(4):2732-2735.

[10]方利偉.基于virtools的三維虛擬實(shí)驗(yàn)室研究與實(shí)現(xiàn)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2010,27(5):83-86.

[11]HuiLi,FangLiu.Researchinvirtualhomeroamingsystembasedonvirtools[J].AppliedMechanicsandMaterials,2013,347(5):2905-2909.

(責(zé)任編輯周江川)