基于PostEngineer的慣性平臺維修培訓仿真系統(tǒng)研究

◆胡偉 朱敏

基于PostEngineer的慣性平臺維修培訓仿真系統(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)某慣性平臺維修培訓仿真系統(tǒng)，經(jīng)實際應用與統(tǒng)計分析，該平臺覆蓋產(chǎn)品組件的原理學習和實操訓練，與傳統(tǒng)教學手段相比，學員對產(chǎn)品維修知識點掌握全面，培訓周期短，為用戶提供了直觀、逼真的維修訓練環(huán)境。

PostEngineer；培訓系統(tǒng)；虛擬仿真；慣性平臺

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

慣性導航系統(tǒng)是飛機重要的傳感器設備，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)復雜、器件精密度高、裝配銜接要求精細，使得培養(yǎng)該型慣導修理人員成本、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)實開發(fā)平臺，內(nèi)嵌可擴展的對象庫[3-4]。可實現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期的可視化數(shù)據(jù)展現(xiàn)、交互培訓、虛擬監(jiān)控、售后使用及維修指導等。

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

1 PE虛擬仿真平臺

1.1 虛擬仿真平臺特點

PE虛擬仿真平臺具有完全自主知識產(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，方便實現(xiàn)復雜的控制邏輯；基于OpenGL圖形庫開發(fā)，支持多種CAD文件接口；可實現(xiàn)大數(shù)據(jù)處理，完成多維信息的集成和顯示；實時交互，實現(xiàn)自動考核評估；軟硬件結(jié)合，實現(xiàn)虛擬設備和硬件的雙向驅(qū)動[6]。

1.2 虛擬仿真平臺架構(gòu)

PE開發(fā)過程主要分為兩部分：動畫制作和交互設計。動畫制作指通過PE動畫編輯器創(chuàng)建三維模型的運動及特殊效果動畫，交互設計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系構(gòu)造復雜虛擬交互系統(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)主要包括教學演示以及訓練兩個基本功能，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)等四個部分，分別從拆分和安裝兩個角度進行設計與實現(xiàn)。

借用PE虛擬仿真開發(fā)平臺的物理引擎，進行慣性平臺裝配部件之間的實時碰撞檢測，可實現(xiàn)數(shù)字模型的虛擬裝配評估，減少實際產(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)設計

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

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

3 培訓平臺設計過程

某產(chǎn)品培訓平臺的設計按照產(chǎn)品螺釘建模、裝配調(diào)整成型、產(chǎn)品上色、基礎動畫制作、講解動畫及聲音、訓練及交互設計等過程進行，其過程如圖3所示。

圖1 系統(tǒng)功能架構(gòu)框圖

圖2 項目開發(fā)流程框圖

圖3 培訓平臺設計過程

3.1 產(chǎn)品、螺釘建模

培訓平臺設計的第一步為產(chǎn)品及螺釘?shù)慕?，由于本系統(tǒng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復雜，精度高，選用CATIA軟件進行模型建立。CATIA模型注重模型的幾何準確性和精確度，能提高VR場景中的訓練要求，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)復雜，部分數(shù)據(jù)難以測量準確，所以要根據(jù)其模型誤差進行反復調(diào)整。待調(diào)整合理后最后加上螺釘逐個裝配，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)紋理進行設置，為使創(chuàng)建的三維模型逼真，將模型導入到3DS MAX軟件后，通過表面貼圖的方式對模型進行渲染著色。

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

圖6 產(chǎn)品上色

3.4 基礎動畫制作

模型導入PE虛擬現(xiàn)實設計軟件后，首先對模型節(jié)點分組固化。分解、安裝等動畫實現(xiàn)的基礎就是產(chǎn)品節(jié)點的完整建立。

完成產(chǎn)品色彩節(jié)點調(diào)整后，進行動畫制作，進行PE模型的初步處理，初始化動畫背景按鈕制作以及初始化動畫制作，完成基礎動畫的制作。

3.5 講解動畫及聲音

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分解動畫，安裝動畫可利用分解動畫的反向動畫完成。在基礎分解動畫制作完成后，利用基礎動畫添加相機變化、文字語音解說等制作復合動畫。講解動畫即是利用復合動畫進行銜接完成。

3.6 訓練及交互設計

完成拆卸訓練動畫、裝配訓練動畫等，添加按鈕界面，對整體進行梳理修改，完成培訓平臺的開發(fā)。

訓練模塊需要對模型進行交互設置以完成人機互動功能，主要采用控制點以及觸發(fā)器?？刂泣c是通過對單個部件的操作引發(fā)動畫執(zhí)行，主要使用在分解模塊中；觸發(fā)器是通過鼠標依次點擊兩個部件來觸發(fā)動畫的運行，主要運用在安裝模塊中。

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畫。

4 虛擬培訓平臺實現(xiàn)

4.1 教學模塊

用戶進入教學模塊，可選擇拆分講解動畫、裝配講解動畫。拆卸模塊又按分解順序劃分為模塊拆卸、臺體拆卸、外三環(huán)拆卸，裝配模塊為拆分逆過程，學員可自主分階段進行學習。圖7為拆分講解動畫效果圖。

圖7 拆分講解界面

4.2 訓練模塊

訓練模式布局同教學模塊，拆卸安裝互為逆過程。用戶進入訓練模式，可使用顯示系統(tǒng)生成的虛擬動作，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)用戶操作步驟進行判斷，并給予提示（如圖3所示）?；谠撃K，對學員進行裝配、分解等方面的虛擬培訓，減少物理調(diào)教試驗。圖8為訓練臺分解效果圖，圖9為訓練臺體裝配效果圖。

圖8 臺體分解界面

圖9 臺體裝配界面

5 結(jié)語

基于PostEngineer技術(shù)開發(fā)的某型慣性平臺組件維修培訓仿真平臺，具有基于產(chǎn)品的豐富表現(xiàn)元素、直觀的表現(xiàn)方式、人性化的訓練模式和便捷的可修改擴充體驗等特點，能有效縮短培訓周期、減少設備損耗、規(guī)避事故隱患，交互功能體現(xiàn)用戶個性需求。將虛擬維修應用平臺引入理論教學中，可以有效推進航修培訓方法和手段的進步，使培訓內(nèi)容形象、真實。本文所開發(fā)的慣性平臺維修培訓系統(tǒng)，可為下一步航空修理產(chǎn)業(yè)提供經(jīng)驗和相關技術(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.復雜裝備維修訓練通用仿真系統(tǒng)[J].系統(tǒng)仿真學報，2008，20（11）：2885-2892.

[3]郭叔偉，孫巖，丁祥. 基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的飛行教學系統(tǒng)設計和應用研究[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)實飛行模擬訓練中的視覺交互技術(shù)研究[J].航空學報，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虛擬仿真平臺的艦艇導航裝備虛擬保障研究[J].艦船電子工程，2016，（9）：66-69.