基于半實(shí)物仿真技術(shù)的綜合傳動裝置電液系統(tǒng)維修訓(xùn)練平臺設(shè)計(jì)

董家輝，李煥良，申金星，劉贊贊

（1.陸軍工程大學(xué)，江蘇 南京 210001；2.32228 部隊(duì)，江蘇 南京 210000）

引言

當(dāng)前，我國軍隊(duì)正處于由機(jī)械化向信息化不斷深化轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵階段。新研裝備具有明顯的功能綜合、技術(shù)先進(jìn)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格昂貴、交聯(lián)程度高等特點(diǎn)。這對相關(guān)人員的維修保障能力提出了更高的要求。裝備的維修保障能力是戰(zhàn)爭行動中保持和提高戰(zhàn)斗力的關(guān)鍵因素，維修訓(xùn)練作為其生成的重要途徑，作用地位極其重要。系列化新型綜合傳動裝置的應(yīng)用，顯著提高了裝備的機(jī)動性能和操控性能。綜合傳動裝置電液系統(tǒng)（后文簡稱電液系統(tǒng)）是綜合傳動裝置有效發(fā)揮性能的核心系統(tǒng)，起到轉(zhuǎn)向、換擋、換擋品質(zhì)控制等關(guān)鍵作用。新型綜合傳動裝置普遍采用了電液比例控制、手自一體換擋等技術(shù)。新技術(shù)的應(yīng)用在提高裝備戰(zhàn)技術(shù)性能的同時也增加了電液系統(tǒng)的集成度、復(fù)雜度，這對維修人員的維修保障能力提出了更高的要求。

維修訓(xùn)練是維修保障能力生成的重要途徑。傳統(tǒng)的維修訓(xùn)練主要是依托真實(shí)的裝備進(jìn)行，訓(xùn)練容錯低、成本高、時間長、組織難，其訓(xùn)練效果遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)前維修保障能力生成的需要。當(dāng)前的維修訓(xùn)練平臺主要是基于嵌入式技術(shù)、半實(shí)物仿真技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和開發(fā)，見表1。

表1 當(dāng)前維修訓(xùn)練平臺主流設(shè)計(jì)開發(fā)方式的比較

常天慶等總結(jié)認(rèn)為現(xiàn)有的嵌入式技術(shù)都是針對具體型號的裝備進(jìn)行研究，無法實(shí)現(xiàn)多型號裝備的通用性。這一劣勢直接限制了該技術(shù)在維修訓(xùn)練領(lǐng)域的發(fā)展運(yùn)用；半實(shí)物仿真技術(shù)成本較虛擬仿真較低廉，能夠以實(shí)裝部分為中心展開設(shè)計(jì)，可直接依托實(shí)物進(jìn)行維修操作，代入感強(qiáng)，對于同類系統(tǒng)有較強(qiáng)的兼容拓展性；郭子玥等[12]通過系統(tǒng)文獻(xiàn)回顧方法分析得到虛擬仿真技術(shù)在維修訓(xùn)練領(lǐng)域的運(yùn)用包含非沉浸式虛擬維修仿真和沉浸式虛擬維修仿真兩大類，非沉浸式仿真的優(yōu)點(diǎn)在于普及性較高、成本低廉，但存在操作性較差、使用效果差、制作過程煩瑣的不利因素；沉浸式仿真的優(yōu)點(diǎn)在于沉浸感可以提高使用效果，高度逼真感能夠提高可信性，但成本高昂，需要用戶具有一定使用經(jīng)驗(yàn)。Garc á 等指出，并不是所有沉浸式仿真都會比非沉浸式仿真獲得更好的效果。因此在一個維修訓(xùn)練平臺設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)該綜合考量其真實(shí)的功能需求和最佳費(fèi)效比來進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)方式選擇，而不是一味地追求最先進(jìn)的技術(shù)。顯然在該平臺設(shè)計(jì)上采用半實(shí)物仿真技術(shù)能夠獲得更高的費(fèi)效比。

1 功能需求分析

通過對電液系統(tǒng)維修訓(xùn)練相關(guān)資料的整理分析和對相關(guān)單位的訓(xùn)練情況調(diào)研，認(rèn)為維修訓(xùn)練平臺（后文簡稱平臺）應(yīng)具備以下功能模塊：

1）電液系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理培訓(xùn)。平臺應(yīng)能幫助受訓(xùn)學(xué)員了解新型綜合傳動裝置電液系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理；理解各檔位工況下，電氣及液壓油路的運(yùn)行機(jī)理；了解各油泵、控制閥總成、變速機(jī)構(gòu)總成、風(fēng)扇泵及管路輔件等零部件結(jié)構(gòu)原理與位置布局。

2）操作運(yùn)用訓(xùn)練。平臺應(yīng)能幫助受訓(xùn)學(xué)員熟悉綜合傳動裝置的轉(zhuǎn)向、換擋等操作及其內(nèi)部響應(yīng)動作。

3）故障維修訓(xùn)練。平臺應(yīng)能設(shè)置并模擬電液系統(tǒng)典型故障狀態(tài)，如操縱油壓不足、不換擋、換擋沖擊等。通過故障現(xiàn)象直觀展現(xiàn)、駕駛員顯示終端的相關(guān)信息顯示和傳感器信號反饋曲線分析，指導(dǎo)受訓(xùn)學(xué)員進(jìn)行故障分析排除訓(xùn)練；平臺應(yīng)為受訓(xùn)學(xué)員提供可實(shí)際動手維修的液壓系統(tǒng)平臺，讓學(xué)員能和平時維修一樣通過使用專用工具，對電液系統(tǒng)典型故障元件進(jìn)行維修，如更換密封圈、清洗閥芯、更換過濾器等，通過親身實(shí)做，確實(shí)提高實(shí)際動手能力，從而縮短訓(xùn)練轉(zhuǎn)化為實(shí)際維修能力的周期，以提高訓(xùn)練效率。

4）維護(hù)保養(yǎng)訓(xùn)練。平臺應(yīng)提供具體的綜合傳動裝置電液系統(tǒng)維護(hù)保養(yǎng)方法，可以通過交互的方式學(xué)習(xí)電液系統(tǒng)各零部件的維護(hù)保養(yǎng)方法。

5）考核評估。平臺應(yīng)能夠通過理論測試、操作檢驗(yàn)、維修過程、效果評估，以及維護(hù)保養(yǎng)考試等對培訓(xùn)學(xué)員進(jìn)行全方位的訓(xùn)練效果考核，以評估學(xué)員的訓(xùn)練成果。

2 平臺總體設(shè)計(jì)

2.1 平臺組成

基于功能需求分析，設(shè)計(jì)的半實(shí)物維修訓(xùn)練平臺主要由虛擬訓(xùn)練軟件、接口模塊和電液實(shí)訓(xùn)臺三個部分組成，它們通過RS232 串口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，其總體功能及組成設(shè)計(jì)如圖1 所示。主體功能包括結(jié)構(gòu)原理教學(xué)、故障維修訓(xùn)練、操作運(yùn)用訓(xùn)練、維護(hù)保養(yǎng)訓(xùn)練和考核評估；依托電液實(shí)訓(xùn)臺的分系統(tǒng)功能包括系統(tǒng)組裝調(diào)試、故障注入、故障分析定位、操縱運(yùn)用輸入；依托虛擬訓(xùn)練軟件的分系統(tǒng)功能，包括三維模型及動力流動演示、故障演示、機(jī)構(gòu)動作演示、系統(tǒng)及換擋控制等。平臺主體功能需依托兩個分系統(tǒng)的功能相互配合實(shí)現(xiàn)。

圖1 總體功能及組成設(shè)計(jì)

2.2 平臺架構(gòu)

將平臺要素按模塊管理可分為四層，分別是數(shù)據(jù)層、驅(qū)動層、表現(xiàn)層、交互層，如圖2 所示。

圖2 平臺總體架構(gòu)

數(shù)據(jù)層是開發(fā)系統(tǒng)的基礎(chǔ)資源，包括模型數(shù)據(jù)、貼圖數(shù)據(jù)、元件名稱數(shù)據(jù)、工作回路數(shù)據(jù)和輔助文本數(shù)據(jù)等。所有數(shù)據(jù)按照功能分類供驅(qū)動層使用。

驅(qū)動層是系統(tǒng)開發(fā)的核心，是連接數(shù)據(jù)庫與表現(xiàn)層的橋梁，主要指Unity3D 軟件平臺，數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)經(jīng)Unity3D 軟件平臺調(diào)用，通過腳本編寫和內(nèi)部組件完成結(jié)構(gòu)原理模塊、工作原理模塊、操作運(yùn)用訓(xùn)練模塊及維護(hù)保養(yǎng)模塊的開發(fā)，并將結(jié)果呈現(xiàn)至表現(xiàn)層中，具有關(guān)鍵的橋接作用。驅(qū)動層對數(shù)據(jù)層的調(diào)用同樣也會反饋到數(shù)據(jù)層，如操作模型動作的信息數(shù)據(jù)又存儲至數(shù)據(jù)層中。

表現(xiàn)層主要通過顯示屏將驅(qū)動層調(diào)用數(shù)據(jù)運(yùn)行的結(jié)果通過文字、圖表、音頻和動畫等響應(yīng)形式呈現(xiàn)給用戶，是供用戶接收信息的主要部分。

交互層是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互重要的組成部分，所有用戶的操作信息通過交互層采集后經(jīng)驅(qū)動層處理，發(fā)送至表現(xiàn)層呈現(xiàn)給用戶。

3 平臺方案設(shè)計(jì)

在平臺總體功能、組成和架構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，結(jié)合半實(shí)物仿真技術(shù)，采用虛擬仿真和模塊化方法，對平臺進(jìn)行了平臺方案設(shè)計(jì)，如圖3 所示。平臺包含三部分，一是由電液系統(tǒng)核心部組件構(gòu)成的電液實(shí)訓(xùn)臺，二是由測控卡及驅(qū)動設(shè)備構(gòu)成的數(shù)據(jù)接口模塊，三是以計(jì)算機(jī)及顯示設(shè)備為載體的虛擬訓(xùn)練軟件。半實(shí)物電液實(shí)訓(xùn)臺與虛擬訓(xùn)練軟件通過接口模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互；實(shí)訓(xùn)臺的運(yùn)行參數(shù)壓力、流量等用于驅(qū)動虛擬訓(xùn)練軟件中三維模型的運(yùn)動；虛擬訓(xùn)練軟件控制模塊用于實(shí)訓(xùn)臺的啟停及換擋控制。

圖3 平臺方案設(shè)計(jì)

3.1 電液實(shí)訓(xùn)臺設(shè)計(jì)

綜合傳動裝置電液系統(tǒng)半實(shí)裝實(shí)訓(xùn)臺是為受訓(xùn)人員提供實(shí)際動手維修和操作的平臺。由于新型綜合傳動裝置型號多，且整機(jī)價格昂貴，為此類裝置建立整機(jī)實(shí)裝的訓(xùn)練平臺不僅不現(xiàn)實(shí)，而且從培訓(xùn)的角度看，也不必要。從培養(yǎng)液壓系統(tǒng)維修能力角度考慮，實(shí)訓(xùn)臺的設(shè)計(jì)應(yīng)保留各新型綜合傳動裝置電液系統(tǒng)核心部組件——控制閥總成；對離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行半實(shí)物及加載設(shè)計(jì)；對液壓動力源部分進(jìn)行通用化設(shè)計(jì)，以滿足各型綜合傳動裝置的需求；同時開發(fā)機(jī)械、液壓適配裝置，實(shí)現(xiàn)各型綜合傳動裝置電液系統(tǒng)的快速搭建。以某型電液系統(tǒng)為例，其實(shí)訓(xùn)臺系統(tǒng)原理如圖4 所示。液壓油源部分裝有壓力、流量傳感器和溫度傳感器，以監(jiān)測液壓系統(tǒng)的工作情況。

圖4 實(shí)訓(xùn)臺液壓系統(tǒng)原理

主系統(tǒng)油路在流量傳感器后分為3 條支路，一路去換擋閥總成，用于操縱換擋；另一路去減壓閥，用于半實(shí)物變矩器冷卻補(bǔ)償油液的入口工作壓力；第三路去系統(tǒng)溢流閥，通過該溢流閥設(shè)定液壓系統(tǒng)的工作壓力。執(zhí)行機(jī)構(gòu)為C1、C2、C3、CH、CL、CR 換擋離合器以及閉鎖離合器半實(shí)物裝置。換擋閥總成采用實(shí)裝部件，該總成包括操縱定壓閥、手動應(yīng)急換擋閥、倒擋換擋閥11、換擋閥12～15、閉鎖閥以及各換擋閥的先導(dǎo)電磁閥F1～F6。

實(shí)訓(xùn)臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5 所示，包括實(shí)訓(xùn)臺臺架、液壓油源、離合器半實(shí)物裝置、換擋閥總成（實(shí)裝部件圖5 中未顯示）和檢測控制箱等。液壓油源為系統(tǒng)提供液壓動力，其壓力油口接換擋閥總成的進(jìn)油口，換擋閥總成的回油口接泵站的油箱；換擋閥總成的7 個工作油口分別連接離合器半實(shí)物裝置的工作油口，每個工作油口接有一個壓力傳感器，用于監(jiān)測各離合器的工作狀態(tài)。

圖5 實(shí)訓(xùn)臺設(shè)計(jì)方案

3.2 接口測控模塊設(shè)計(jì)

接口測控模塊用于完成實(shí)現(xiàn)硬件系統(tǒng)參數(shù)采集、軟件動畫驅(qū)動、換擋閥總成驅(qū)動以及轉(zhuǎn)向換擋信號的驅(qū)動等。測控模塊將實(shí)訓(xùn)臺的工作狀態(tài)（如壓力、溫度等參數(shù)）反饋至上位機(jī)虛擬訓(xùn)練軟件，用于綜合傳動裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動以及液壓系統(tǒng)工作演示和維修效果評估。此外，上位機(jī)軟件完成三維軟件的動畫驅(qū)動顯示及通過接口模塊完成控制信號的輸出，實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)臺換擋電磁閥控制等，系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集關(guān)系如圖6 所示。

圖6 數(shù)據(jù)采集關(guān)系圖

3.2.1 壓力、溫度等參數(shù)采集方案設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集模塊主要用于采集實(shí)訓(xùn)臺液壓系統(tǒng)的壓力、溫度等參數(shù)。數(shù)據(jù)采集模塊采集到的信號為半實(shí)物信號，需要通過ADC 電路將半實(shí)物信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，對于即將傳入ADC 的半實(shí)物信號，還需要對其濾波、濾噪處理，所以本系統(tǒng)分別設(shè)計(jì)了傳感器檢測電路與信號調(diào)理電路。

3.2.2 動畫驅(qū)動模塊

三維動畫采用3ds Max 幀動畫方式制作。轉(zhuǎn)向動畫由Unity3D 引擎刻錄動畫，配合方向盤控制轉(zhuǎn)向時履帶動畫量。動畫的播放因素受車輛底盤啟動、擋位、油門、方向盤及故障設(shè)定的變化量影響，為方便可視化效果，將油門變化量影響因子調(diào)整為2 倍量。

3.2.3 換擋閥總成驅(qū)動模塊

本平臺涉及的兩型綜合傳動裝置分別為某D 型綜合傳動裝置、某A 型綜合傳動裝置。其中某D 型綜合傳動裝置共設(shè)置了1 個空擋，6 個前進(jìn)擋，1 個倒退檔。某A 型綜合傳動裝置的前進(jìn)擋位少2 個擋，共4個前進(jìn)擋（含N 擋）和1 個后退擋。根據(jù)液壓實(shí)訓(xùn)臺的控制需求，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)了對換擋電磁閥閥芯開度大小的精確控制。具體設(shè)計(jì)方案如下：

每一側(cè)主副手柄共輸出8 個半實(shí)物量信號，因此本系統(tǒng)采用的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片為MAX186，該芯片為12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，結(jié)合一個8 通道多路復(fù)用器，高頻帶寬采樣，可保持較高轉(zhuǎn)換速度和超低功耗。半實(shí)物輸入可通過軟件CONFIG 針對單級、雙極和單端、差分操作，串行觸發(fā)輸出可直接連接到TMS320 系列數(shù)字信號處理器。MAX186 采用CMOS 集成電路制造工藝，相比其他產(chǎn)品精度更高。MAX186 擁有20 個引腳，引腳用于輸入片選信號，DIN 引腳用于輸入4 位二進(jìn)制數(shù)字（000 R/L～111R/L，R/L 確定左右移位選擇），對CH0～CH7 等8 路半實(shí)物輸入通道進(jìn)行選擇，DOUT 引腳輸出轉(zhuǎn)換之后的數(shù)字信號，SCLK 半實(shí)物時鐘信號輸入。

利用模數(shù)轉(zhuǎn)換電路可以將接收到的每一側(cè)的主副手柄輸出的半實(shí)物電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，同時將數(shù)字信號輸出到單片機(jī)芯片進(jìn)行處理分析，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路原理如圖7 所示。

圖7 換擋電磁閥控制電路原理

3.3 虛擬訓(xùn)練軟件設(shè)計(jì)

平臺工作流程設(shè)計(jì)如圖8 所示，其中虛線框組成的I 部分流程，主要由虛擬訓(xùn)練軟件完成，而II 部分流程則由電液實(shí)訓(xùn)臺完成。使用時，受訓(xùn)人員首先登陸虛擬訓(xùn)練軟件，通過選擇綜合傳動裝置類型進(jìn)入相應(yīng)的教學(xué)訓(xùn)練模塊選擇，而后通過點(diǎn)選結(jié)構(gòu)原理教學(xué)、故障維修訓(xùn)練、操縱使用訓(xùn)練等功能選項(xiàng)，可完成相應(yīng)功能的教學(xué)目標(biāo)。

圖8 平臺工作流程設(shè)計(jì)

在故障維修和操縱使用時軟件可自動記錄學(xué)員的操作步驟，通過學(xué)員操作步驟數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)步驟數(shù)據(jù)對比進(jìn)行驗(yàn)證，而后由教員對學(xué)員成績進(jìn)行評估，流程結(jié)束。

4 平臺功能實(shí)現(xiàn)及設(shè)計(jì)優(yōu)勢

設(shè)計(jì)完成的半實(shí)物維修訓(xùn)練平臺使用受時間、氣候、場地的限制小，能夠使用虛擬軟件聯(lián)合部分實(shí)裝部件完美實(shí)現(xiàn)各種工況下的運(yùn)行效果，其總體效果如圖9 所示。平臺的實(shí)現(xiàn)的功能界面如圖10 所示，其設(shè)計(jì)優(yōu)勢如下：

圖9 綜合傳動裝置電液系統(tǒng)半實(shí)物維修訓(xùn)練平臺

圖10 平臺軟件功能界面

1）訓(xùn)練軟件內(nèi)容規(guī)范、功能強(qiáng)大、學(xué)習(xí)靈活度高。擁有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的教學(xué)內(nèi)容，能夠針對不同的教學(xué)訓(xùn)練需要，靈活、全面地設(shè)置課程功能模塊和內(nèi)容，涵蓋從教學(xué)訓(xùn)練到效果評估的完整教學(xué)鏈路。針對不懂的部分，可以擺脫授課安排和實(shí)裝訓(xùn)練的限制進(jìn)行反復(fù)練習(xí)，自主控制學(xué)訓(xùn)時間。

2）訓(xùn)練軟件界面直觀易懂，支持自由視角和個性操作。使用3ds MAX 制作、整合系統(tǒng)模型導(dǎo)入Unity3D 引擎進(jìn)行軟件開發(fā)，利用渲染技術(shù)、三維動畫、場景搭建、場景漫游等技術(shù)配以簡明的UI 界面，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)構(gòu)造的直觀認(rèn)知，自由視角查看，動作過程虛擬復(fù)現(xiàn)的功能。

3）平臺設(shè)計(jì)虛實(shí)結(jié)合、仿真聯(lián)動，擁有豐富接口，可拓展性強(qiáng)。通過高效協(xié)調(diào)的接口實(shí)時通信實(shí)現(xiàn)了虛擬訓(xùn)練軟件和半實(shí)裝電液實(shí)訓(xùn)臺的數(shù)據(jù)同步。能夠完成實(shí)訓(xùn)臺與仿真模型的工作過程同步，能夠在軟件端以儀表界面、結(jié)構(gòu)圖、原理圖、仿真曲線4 種方式展現(xiàn)實(shí)訓(xùn)臺的故障現(xiàn)象，并能夠通過與實(shí)裝維修高度相似的方式在實(shí)訓(xùn)臺上完成故障維修訓(xùn)練和考核，真實(shí)性極強(qiáng)，能夠有效縮短培訓(xùn)到崗位實(shí)操的成果轉(zhuǎn)化時間。由于設(shè)計(jì)時預(yù)留接口豐富，加之開發(fā)靈活度高，該平臺在該類系統(tǒng)的維修訓(xùn)練開發(fā)中具有較強(qiáng)的可拓展性，目前平臺可兼容2 型電液系統(tǒng)的維修訓(xùn)練。

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)開發(fā)的平臺采用半實(shí)物仿真技術(shù)，從綜合傳動裝置機(jī)電液系統(tǒng)教學(xué)和訓(xùn)練的實(shí)際需求出發(fā)，在功能需求分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了總體方案設(shè)計(jì)，采用三維建模、圖像處理、人機(jī)交互與通信等技術(shù)，完成了該訓(xùn)練平臺軟硬件及測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)。平臺的調(diào)試和運(yùn)行，顯示了其性能的穩(wěn)定性、界面的友好性、交互的實(shí)時性和維修訓(xùn)練使用的可行性。將該平臺應(yīng)用在教學(xué)訓(xùn)練中，能有效地提高教學(xué)效果、訓(xùn)練安全系數(shù)和降低實(shí)操維修訓(xùn)練的成本，為該類系統(tǒng)的教學(xué)和維修訓(xùn)練提供了一種更為高效的手段，為提高裝備維修保障能力提供了一條有利途徑。