雷達(dá)裝備機(jī)電液理虛實(shí)綜合教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

權(quán)建洲 李曉峰 焦盼德 李純?nèi)?/p>

摘 要? 為滿足雷達(dá)裝備機(jī)電液系統(tǒng)保障教學(xué)需求，基于理虛實(shí)一體化教學(xué)理念，充分發(fā)揮虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與實(shí)裝實(shí)訓(xùn)的優(yōu)勢(shì)，對(duì)原有的雷達(dá)天線自動(dòng)調(diào)平舉升實(shí)訓(xùn)臺(tái)電氣控制系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，升級(jí)后該教學(xué)平臺(tái)綜合原理講解演示、虛擬拆裝訓(xùn)練、實(shí)操訓(xùn)練、故障診斷于一體。實(shí)踐表明，該平臺(tái)可以有效激發(fā)學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣，為提升教學(xué)質(zhì)量提供有力支撐。

關(guān)鍵詞? 雷達(dá)裝備機(jī)電液；綜合教學(xué)平臺(tái)；實(shí)訓(xùn)

中圖分類號(hào)：E252? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2023）10-0032-06

Design and Implementation of Comprehensive Experimental Platform for Radar Equipment Hydromechatronics//QUAN Jianzhou， LI Xiao-feng， JIAO Pande， LI Chunren

Abstract? In order to meet the teaching needs of ra-dar equipment hydromectronics， based on the inte-grated teaching concept of theory， virtual reality and reality， the original electrical control system and software system of radar antenna automatic le-veling and lifting training platform are upgraded， giving full play to the respective advantages of?virtual reality technology and experimental training，?and integrating principle explanation and demons-tration， virtual disassembly， practical training and fault diagnosis. Practice shows that the platform can effectively stimulate students interest in learning and provide strong support for improving teaching quality.

Key words? radar equipment hydromectronics; compre-hensive experimental platform; training

Authors address? Radar Sergeant School， Air Force Early Warning Academy， Wuhan， China， 430019

0? 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中地面雷達(dá)有著舉足輕重的作用，自20世紀(jì)90年代以來，機(jī)電液技術(shù)因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在雷達(dá)天線自動(dòng)調(diào)平、舉升與翻轉(zhuǎn)中得到越來越廣泛的應(yīng)用[1-5]。為滿足雷達(dá)裝備機(jī)電液系統(tǒng)保障教學(xué)需要，開發(fā)雷達(dá)天線機(jī)電液自動(dòng)調(diào)平架撤實(shí)訓(xùn)臺(tái)，該實(shí)訓(xùn)臺(tái)自建成后，在培養(yǎng)雷達(dá)裝備機(jī)電液系統(tǒng)保障專業(yè)人才中發(fā)揮了重要作用。但在長(zhǎng)期教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)該實(shí)訓(xùn)臺(tái)存在一些不足：

1）功能相對(duì)較為單一，僅有天線調(diào)平、舉升翻轉(zhuǎn)等操作訓(xùn)練功能，沒有專門設(shè)置故障排查訓(xùn)練等功能；

2）控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上與實(shí)裝有差距，如支撐腿著地檢測(cè)方式與實(shí)際裝備不符；

3）信息化技術(shù)手段運(yùn)用不足，如缺少對(duì)機(jī)電液系統(tǒng)的演示講解、排故訓(xùn)練功能不充分、缺少考核模塊等問題。

近年來，以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為代表的信息技術(shù)因其交互性好、沉浸感強(qiáng)，可以有效提升學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣、激發(fā)探索創(chuàng)新等優(yōu)勢(shì)，在教學(xué)訓(xùn)練中得到了廣泛的應(yīng)用[6-10]。因此，有必要基于理虛實(shí)一體化教學(xué)理念，對(duì)原有的雷達(dá)天線自動(dòng)調(diào)平舉升實(shí)訓(xùn)臺(tái)電氣控制系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)進(jìn)行信息化改造，融合現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、仿真技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，對(duì)實(shí)訓(xùn)臺(tái)軟硬件進(jìn)行全面升級(jí)，將相關(guān)的機(jī)電液理論知識(shí)、虛擬操作、實(shí)操實(shí)訓(xùn)、維修訓(xùn)練、考核評(píng)價(jià)等模塊集成在雷達(dá)裝備機(jī)電液理虛實(shí)綜合教學(xué)平臺(tái)下，各模塊相互獨(dú)立、互為補(bǔ)充，平臺(tái)將課程教學(xué)的理論和實(shí)踐相結(jié)合，將虛擬仿真與實(shí)際操作相結(jié)合，學(xué)習(xí)者可通過自主式、沉浸式、互動(dòng)式的學(xué)習(xí)，達(dá)到所學(xué)即所用，所用即其所學(xué)，使其在雷達(dá)裝備機(jī)電液系統(tǒng)保障人才培養(yǎng)中發(fā)揮更大效益。

1? 實(shí)訓(xùn)臺(tái)簡(jiǎn)介

現(xiàn)有的雷達(dá)裝備機(jī)電液實(shí)訓(xùn)臺(tái)如圖1所示。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)由模擬天線座車的支撐平臺(tái)、水平傳感器、控制箱、支撐腿及鎖緊裝置、天線舉升框架、舉升支腿等部分組成。其中，支撐平臺(tái)模擬天線座車，在其下方設(shè)置四條固定長(zhǎng)度的機(jī)械支撐腿，用于實(shí)訓(xùn)臺(tái)在處于非工作狀態(tài)時(shí)承載整個(gè)實(shí)訓(xùn)臺(tái)重量。四個(gè)液壓油缸分別安裝在固定框架的四個(gè)側(cè)面作為調(diào)平支撐腿，在調(diào)平時(shí)，通過分別控制四個(gè)液壓缸的伸出量，進(jìn)行調(diào)平實(shí)驗(yàn)。舉升框架用于模擬實(shí)現(xiàn)雷達(dá)天線的舉升，該框架采用平行四邊形結(jié)構(gòu)，分別與固定框架和舉升油缸鉸接。通過兩個(gè)舉升油缸驅(qū)動(dòng)天線舉升平行四邊形框架，從而實(shí)現(xiàn)天線的舉升和撤收。雙向水平傳感器安裝在支撐平臺(tái)的中心，用于獲取支撐平臺(tái)平面坐標(biāo)X軸和Y軸方向的水平誤差信號(hào)。

2? 綜合教學(xué)平臺(tái)升級(jí)要求

雷達(dá)裝備機(jī)電液理虛實(shí)綜合教學(xué)平臺(tái)按照功能分為三大模塊：理論知識(shí)模塊、操作訓(xùn)練模塊、考核模塊。其中，理論知識(shí)模塊對(duì)實(shí)訓(xùn)臺(tái)中涉及的機(jī)電液理論知識(shí)，包括機(jī)械系統(tǒng)（調(diào)平機(jī)構(gòu)、調(diào)平腿機(jī)構(gòu)及翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)）、液壓系統(tǒng)（液壓元件、液壓回路及液壓系統(tǒng)）及電器系統(tǒng)（傳感器及PLC）等相關(guān)知識(shí)，通過視頻、動(dòng)畫、微課等形式進(jìn)行講解與演示。操作訓(xùn)練模塊由虛擬拆裝訓(xùn)練、實(shí)操訓(xùn)練及維修訓(xùn)練組成。虛擬拆裝訓(xùn)練包括機(jī)械機(jī)構(gòu)的虛擬拆裝、液壓原件虛擬拆裝等；實(shí)操訓(xùn)練包括對(duì)實(shí)訓(xùn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)自動(dòng)調(diào)平、舉升、回收，系統(tǒng)故障自動(dòng)檢測(cè)、顯示、上報(bào)，通過VR技術(shù)同步演示系統(tǒng)操作及三維動(dòng)畫影像；維修訓(xùn)練包括對(duì)實(shí)訓(xùn)臺(tái)機(jī)電液故障進(jìn)行診斷與排除的綜合訓(xùn)練?？己四K主要是針對(duì)機(jī)電液理論知識(shí)和機(jī)電液系統(tǒng)的故障排除考核。具體功能如圖2所示。

3? 綜合教學(xué)平臺(tái)升級(jí)方案設(shè)計(jì)

3.1? 總體方案設(shè)計(jì)

為滿足功能指標(biāo)要求，同時(shí)，考慮教學(xué)要求，雷達(dá)裝備機(jī)電液理虛實(shí)綜合教學(xué)平臺(tái)系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖3所示，主要由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（IPC）、可編程邏輯控制器（PLC）、虛擬仿真硬件設(shè)備（VR頭盔、操作手柄及定位器）、觸摸顯示屏、雙傾角傳感器、壓力傳感器、位置開關(guān)等傳感器組成。整個(gè)系統(tǒng)以工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為核心，控制系統(tǒng)各模塊之間的協(xié)調(diào)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等任務(wù)；PLC作為實(shí)訓(xùn)臺(tái)控制中心，通過接受工控機(jī)的命令，采集壓力傳感器、水平檢測(cè)儀、位置傳感器等傳感器信息，完成系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)平、舉升及撤收等功能。VR頭盔、操控手柄和定位器以及安裝在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)IPC的插槽中高性能獨(dú)立顯卡，配合完成虛擬仿真拆裝訓(xùn)練；兩臺(tái)大型顯示屏用于分別顯示虛擬操作過程和工控機(jī)操作界面，便于實(shí)時(shí)教學(xué)講解演示操作。

3.2? 理論知識(shí)模塊開發(fā)

理論知識(shí)模塊中采用高清大屏幕顯示器展現(xiàn)教學(xué)演示功能，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（IPC）作為理論知識(shí)模塊數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與播放設(shè)備，理論知識(shí)內(nèi)容來源于相關(guān)教材，相關(guān)動(dòng)畫素材為實(shí)裝測(cè)繪后形成的2D圖像或3D動(dòng)畫。結(jié)構(gòu)組成及原理演示主要采用Unity3D+C#軟件平臺(tái)開發(fā)，由爆炸圖和鍵盤鼠標(biāo)交互操縱實(shí)現(xiàn)，通過精確的爆炸圖展示機(jī)械結(jié)構(gòu)、液壓原件的裝配關(guān)系，通過鍵盤鼠標(biāo)點(diǎn)選需要裝配的構(gòu)件，拖動(dòng)拆裝路線可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)拆裝順序的檢驗(yàn)。利用組態(tài)軟件，實(shí)現(xiàn)傳感器（雙軸水平傳感器、壓力傳感器、位置傳感器）工作原理講解與動(dòng)畫演示、PLC控制裝置工作原理講解與動(dòng)畫演示等功能。

3.3? 操作訓(xùn)練模塊開發(fā)

操作訓(xùn)練模塊主要由虛擬拆裝子模塊、實(shí)操訓(xùn)練子模塊和維修訓(xùn)練子模塊構(gòu)成，涵蓋平臺(tái)安裝、拆卸、實(shí)際操作、故障維修的完整訓(xùn)練過程。

3.3.1? 虛擬拆裝子模塊

虛擬拆裝子模塊主要實(shí)現(xiàn)液壓元件的虛擬拆裝和機(jī)械及液壓機(jī)構(gòu)的虛擬拆裝訓(xùn)練。充分考慮系統(tǒng)構(gòu)建的合理性、經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性以及擴(kuò)展性等諸多綜合因素后，提出以下設(shè)計(jì)方案。仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1）三維建模。液壓雷達(dá)調(diào)平舉升平臺(tái)三維模型的建立是液壓虛擬拆裝系統(tǒng)建設(shè)的基礎(chǔ)，也是后續(xù)液壓VR系統(tǒng)基本回路實(shí)驗(yàn)、液壓系統(tǒng)仿真的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)。首先需要基于SolidWorks三維建模軟件對(duì)綜合平臺(tái)進(jìn)行建模，構(gòu)成完整的三維模型系統(tǒng)。

2）三維模型的修飾、渲染及導(dǎo)入。首先，將建

好的三維模型轉(zhuǎn)化成stl格式，導(dǎo)入3DMax中，對(duì)零部件的中心位置坐標(biāo)軸進(jìn)行調(diào)整，對(duì)模型導(dǎo)入后缺失的點(diǎn)、線、面進(jìn)行優(yōu)化處理，并根據(jù)實(shí)際情況附上材質(zhì)；其次，進(jìn)一步利用Photoshop軟件制作精美的貼圖，配合模型在 Unity3D中使用；最后，將3DMax中渲染完成的模型導(dǎo)出為fbx格式，導(dǎo)入到Unity3D開發(fā)平臺(tái)中，進(jìn)行場(chǎng)景內(nèi)容制作、UI 界面設(shè)計(jì)等VR實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)。

3）界面優(yōu)化、虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景制作。結(jié)合模型和課程實(shí)驗(yàn)，制作VR虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景和交互功能的設(shè)計(jì)，主要包括結(jié)合實(shí)驗(yàn)需求的UI界面、基于C#腳本語(yǔ)言編程操控的虛擬場(chǎng)景人機(jī)交互。

4）發(fā)布。將開發(fā)調(diào)試好的系統(tǒng)選擇PC端平臺(tái)發(fā)布，生成可直接執(zhí)行的VR實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。最終使用HTC Vive Pro2.0進(jìn)行VR實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的人機(jī)交互，實(shí)現(xiàn)液壓雷達(dá)調(diào)平舉升平臺(tái)虛擬拆裝系統(tǒng)的虛擬場(chǎng)景漫游、平臺(tái)結(jié)構(gòu)展示、虛擬拆裝練習(xí)、虛擬拆裝實(shí)訓(xùn)等模塊功能。

3.3.2? 實(shí)操訓(xùn)練子模塊開發(fā)

硬件改造主要涉及人機(jī)交互系統(tǒng)的改造及配合控制系統(tǒng)所需的傳感器及電氣線路改造等。控制系統(tǒng)以可編程邏輯控制器PLC作為控制中心，主要完成泵站的啟停控制，實(shí)訓(xùn)臺(tái)的自動(dòng)調(diào)平、手動(dòng)調(diào)平，天線舉升、撤收控制等功能；增加壓力傳感器用于檢測(cè)液壓撐腿的壓力，當(dāng)壓力傳感器組達(dá)到設(shè)定壓力時(shí)，表明液壓撐腿著地成功；為防止出現(xiàn)“虛腿”現(xiàn)象，增加了觸地傳感器。四個(gè)支腿油缸由四路電磁閥獨(dú)立控制，以完成平臺(tái)的整體升降，并根據(jù)雙傾角傳感器反饋平臺(tái)的位姿進(jìn)行姿態(tài)調(diào)平；天線的架設(shè)、撤收由兩只舉升油缸完成，設(shè)置同步分流集流閥以實(shí)現(xiàn)油缸的同步動(dòng)作，在油缸前端均設(shè)置有鎖止閥，可使實(shí)驗(yàn)臺(tái)在斷電后仍保持狀態(tài)不變。液壓系統(tǒng)原理如圖5所示。工控機(jī)作為上位機(jī)，通過PLC實(shí)時(shí)通信實(shí)現(xiàn)了實(shí)訓(xùn)操作過程中，虛擬場(chǎng)景與實(shí)際設(shè)備的同步演示。虛擬場(chǎng)景與實(shí)物同步原理如圖6所示。

3.3.3? 維修訓(xùn)練子模塊

該模塊主要通過預(yù)設(shè)多種傳感器組、附設(shè)電路、信號(hào)屏蔽、虛假顯示設(shè)置等方式，實(shí)現(xiàn)器件故障的檢測(cè)、油路泄漏等的檢測(cè)指示。根據(jù)系統(tǒng)的特點(diǎn)和教學(xué)需求，設(shè)置的故障主要包括：人機(jī)界面顯示傾角值與實(shí)際明顯不一致；撐腿“著地”時(shí)不停，系統(tǒng)一直升高；撐腿“著地”時(shí)，單個(gè)或多個(gè)撐腿都不動(dòng)；人機(jī)界面顯示系統(tǒng)壓力過低、過高；油缸無(wú)動(dòng)作，系統(tǒng)無(wú)法達(dá)到調(diào)平要求等。在訓(xùn)練過程中，系統(tǒng)中有專家系統(tǒng)進(jìn)行排故提示，對(duì)故障現(xiàn)象和排故策略、流程、方法進(jìn)行指導(dǎo)，其操作粒度精確到元件級(jí)別。水平傳感器故障導(dǎo)致人機(jī)界面顯示傾角值與實(shí)際不一致的情況如表1所示。

3.3.4? 考核模塊開發(fā)

考核模塊主要由理論考核子模塊、維修考核子模塊構(gòu)成。該部分的設(shè)計(jì)擬采用理論考試系統(tǒng)配合維修實(shí)操系統(tǒng)共同完成。理論考試系統(tǒng)包含機(jī)電液相關(guān)知識(shí)點(diǎn)題庫(kù)，題目以客觀題（選擇、判斷）為主，考試開始時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)抽取試題庫(kù)，組卷供學(xué)員進(jìn)行理論考試，考試結(jié)束后系統(tǒng)自動(dòng)判卷并保存成績(jī)，同時(shí)理論考試系統(tǒng)具有考試結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析、學(xué)員成績(jī)報(bào)表、打印等功能。維修考核是機(jī)電液故障排除考核，教員通過高壓球閥、水平傳感器、位置傳感器組、壓力繼電器組隨機(jī)設(shè)置故障，學(xué)員通過觀察及思考進(jìn)行系統(tǒng)故障的識(shí)別及排除，故障排除結(jié)束后系統(tǒng)自動(dòng)打分。

4? 雷達(dá)裝備機(jī)電液理虛實(shí)綜合教學(xué)平臺(tái)應(yīng)用

在使用雷達(dá)裝備機(jī)電液理虛實(shí)綜合教學(xué)平臺(tái)時(shí)，打開電源開關(guān)，電源指示燈亮，系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)，登錄注冊(cè)賬號(hào)進(jìn)入主控選擇界面，通過點(diǎn)擊不同的按鈕進(jìn)入相應(yīng)的操作模式。系統(tǒng)流程如圖7所示。

4.1? 實(shí)訓(xùn)臺(tái)操作訓(xùn)練與考核

實(shí)訓(xùn)臺(tái)操作有四個(gè)選項(xiàng)：操作模式、培訓(xùn)模式、考核模式和教學(xué)演示模式。圖8為操作模式界面，在該模式下，通過選擇不同按鈕，可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、工控/機(jī)械操作面板的切換、手動(dòng)/自動(dòng)切換，實(shí)現(xiàn)單腿伸縮、自動(dòng)調(diào)平舉升等。培訓(xùn)模式與考核模式的界面與操作模式下的界面基本相同，在培訓(xùn)模式下，教員可以手動(dòng)設(shè)置故障讓學(xué)員進(jìn)行故障排除訓(xùn)練，如圖9所示，選擇要設(shè)置的故障選項(xiàng)點(diǎn)擊確定進(jìn)入故障模式，然后按照正常模式進(jìn)行操作。當(dāng)系統(tǒng)故障現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)停止工作并且彈出故障提示，學(xué)員需要針對(duì)當(dāng)前故障現(xiàn)象判斷故障原因并排除故障。在考核模式下，系統(tǒng)會(huì)隨機(jī)給出五個(gè)不同故障讓學(xué)員針對(duì)不同故障進(jìn)行故障排除考核，當(dāng)五個(gè)故障都排除完成后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)打分，考生點(diǎn)擊“確認(rèn)”按鈕后即可結(jié)束考核。在教學(xué)演示模式下，可觀看雷達(dá)液壓舉升系統(tǒng)的教學(xué)演示視頻。

4.2? ?虛擬操作訓(xùn)練

點(diǎn)擊虛擬操作訓(xùn)練界面后，首先進(jìn)入虛擬拆裝系統(tǒng)的主場(chǎng)景，操作人員戴上VR頭盔，通過按下操作手柄的圓盤鍵實(shí)現(xiàn)在場(chǎng)景的指定區(qū)域內(nèi)移動(dòng)，同時(shí)按下圓盤鍵和扳機(jī)鍵點(diǎn)擊裝備介紹按鈕、拆卸學(xué)習(xí)按鈕、裝配學(xué)習(xí)按鈕、拆卸實(shí)操按鈕、裝配實(shí)操按鈕、液壓缸按鈕、換向閥按鈕、溢流閥按鈕、液壓拆卸按鈕、液壓裝配按鈕、調(diào)平拆卸按鈕、調(diào)平裝配按鈕、舉升拆卸按鈕、舉升裝配按鈕后會(huì)進(jìn)入相應(yīng)的子場(chǎng)景；點(diǎn)擊退出系統(tǒng)按鈕后會(huì)退出系統(tǒng)。虛擬操作訓(xùn)練場(chǎng)景圖如圖10所示。

5? 結(jié)束語(yǔ)

為滿足雷達(dá)裝備機(jī)電液教學(xué)需求，基于理虛實(shí)一體化教學(xué)理念，對(duì)原有的雷達(dá)天線自動(dòng)調(diào)平舉升實(shí)訓(xùn)臺(tái)電氣控制系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)，充分發(fā)揮虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)各自的優(yōu)勢(shì)，開發(fā)了集原理講解演示、虛擬拆裝、實(shí)操訓(xùn)練、故障診斷于一體的雷達(dá)裝備機(jī)電液理虛實(shí)綜合教學(xué)平臺(tái)。實(shí)踐表明，該平臺(tái)對(duì)創(chuàng)新裝備機(jī)電液課程教學(xué)模式、提高教學(xué)質(zhì)量提供了有力的支撐作用，同時(shí)，為其他相應(yīng)裝備維修保障類實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開發(fā)提供了借鑒參考。

6? 參考文獻(xiàn)

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