基于EON的輪式推土機(jī)保障虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鐘曉谷，蘇凡囤，王海濤，王小飛

(解放軍理工大學(xué)工程兵工程學(xué)院，江蘇南京 210007)

0 引言

輪式推土機(jī)由于其機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、工作效率高等優(yōu)勢(shì)被廣泛用于國(guó)防工程建設(shè)、民用建筑、修建道路、修建機(jī)場(chǎng)中。但因其工作環(huán)境惡劣，施工難度大，導(dǎo)致該機(jī)械故障率高，保障難度大。因此，迫切需要訓(xùn)練有素的保障人員。傳統(tǒng)的訓(xùn)練方法由于其訓(xùn)練周期長(zhǎng)、訓(xùn)練效益低且受到場(chǎng)地和成本的限制已經(jīng)無法滿足目前的訓(xùn)練要求。因此，在對(duì)該推土機(jī)的保障人員培訓(xùn)過程中，急需一種現(xiàn)代高效的訓(xùn)練手段來解決上述問題。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)［1］以其良好的沉浸性、交互性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、核能、軍事等領(lǐng)域;虛擬訓(xùn)練作為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的重要分支能夠提供具有良好沉浸感、交互性和啟發(fā)性的虛擬環(huán)境，使設(shè)計(jì)者能更早地“看到、修到和用到”未來的產(chǎn)品，并通過虛擬操作和過程仿真進(jìn)行分析評(píng)估［2］;目前主要應(yīng)用于裝備的保障訓(xùn)練、維修性設(shè)計(jì)以及保障性設(shè)計(jì)等三個(gè)方面的研究;虛擬訓(xùn)練不受時(shí)空限制，仿真度高、擴(kuò)展性強(qiáng)，特別適合于專業(yè)保障訓(xùn)練，是保障訓(xùn)練現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。

圖1 虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)框架

1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

在虛擬環(huán)境下，模型的建立和維修過程的實(shí)現(xiàn)有其特殊性，根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況下的維修保養(yǎng)要求，將系統(tǒng)主要?jiǎng)澐譃?個(gè)模塊:工作原理、保養(yǎng)訓(xùn)練、拆裝訓(xùn)練、故障排除。訓(xùn)練過程中，用戶可以通過訓(xùn)練漸進(jìn)式的了解裝備的構(gòu)造、性能、原理、維修保養(yǎng)方法等知識(shí)。系統(tǒng)框架規(guī)劃如圖1所示。

2 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 三維數(shù)字建模技術(shù)

推土機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，組成零部件多，為真實(shí)再現(xiàn)其結(jié)構(gòu)及組成，分三步實(shí)現(xiàn)其零部件建模:先選擇AutoCAD按實(shí)際尺寸構(gòu)建模型外形，然后將模型導(dǎo)入到3DS MAX中進(jìn)行紋理、材質(zhì)、顏色、燈光等處理，并對(duì)其進(jìn)行填充，隨后將其導(dǎo)入至EON Studio中賦予各種交互式的動(dòng)作。圖2為EON中推土機(jī)的實(shí)裝模型。

圖2 推土機(jī)實(shí)裝模型

本文論述的虛擬維修是建立在整機(jī)模型的基礎(chǔ)上的，如果不考慮優(yōu)化而直接導(dǎo)入模型，會(huì)嚴(yán)重降低系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)性。為了提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，利用LOD技術(shù)，將除需要操作的零部件以外的所有部件進(jìn)行優(yōu)化，隱藏了被遮擋零件，整機(jī)模型以空殼狀導(dǎo)入虛擬維修場(chǎng)景。

2.2 虛擬環(huán)境構(gòu)建

構(gòu)建虛擬維修場(chǎng)景之前，首先要將通過外部建模工具創(chuàng)建的模型導(dǎo)入到虛擬開發(fā)平臺(tái)EON Studio中。EON Studio支持多種格式的3D數(shù)據(jù)導(dǎo)入。其中包括常用的3DS，obj，wrl等格式文件的導(dǎo)入［3］。

模型導(dǎo)入場(chǎng)景之后還需要對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行觀察點(diǎn)、燈光、材質(zhì)的調(diào)整。首先新建Frame節(jié)點(diǎn)并取名為Camera，將其關(guān)聯(lián)復(fù)制到ViewPoint節(jié)點(diǎn)的擴(kuò)展域中;然后在Camera節(jié)點(diǎn)下添加light節(jié)點(diǎn)并選擇燈光類型為Ambient(環(huán)境光)，調(diào)整環(huán)境光的顏色;最后刪除零件重復(fù)的Material(材質(zhì))節(jié)點(diǎn)，為每個(gè)零件建立單獨(dú)的Material材質(zhì)。

由于采用的導(dǎo)入方式不同或?qū)脒^程中部分信息丟失，會(huì)有部分的部件沒有材質(zhì)或貼圖，或者貼圖不正確。這時(shí)需要對(duì)這部分模型進(jìn)行材質(zhì)和貼圖的添加或調(diào)整，首先給Texture節(jié)點(diǎn)指定貼圖，然后將Texture節(jié)點(diǎn)的快捷方式復(fù)制到Material節(jié)點(diǎn)的DiffuseTexture文件夾下，最后將Material節(jié)點(diǎn)的快捷方式復(fù)制到部件所在文件夾的Material中，完成貼圖的添加。如圖3所示。

圖3 貼圖添加的實(shí)現(xiàn)過程

2.3 系統(tǒng)的仿真與交互

虛擬訓(xùn)練過程中，不僅涉及對(duì)象的幾何模型，同時(shí)要考慮其在虛擬場(chǎng)景中的位移、碰撞、變形等動(dòng)態(tài)的變化。這些問題同樣是目前虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)中的難點(diǎn)問題。合理的建立對(duì)象的層次結(jié)構(gòu)模型、配合約束關(guān)系模型，并引入了與結(jié)構(gòu)關(guān)系對(duì)應(yīng)的鄰接矩陣。有效地規(guī)劃虛擬拆裝序列，是實(shí)現(xiàn)虛擬維修交互控制技術(shù)的基礎(chǔ)。

以虛擬拆卸轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為例。首先確定裝配體的層次關(guān)系模型和約束關(guān)系模型。裝配體層次結(jié)構(gòu)模型是將一個(gè)產(chǎn)品分為不同層次的字裝配體和零件在一定程度上能夠反映裝配體的拆裝序列［4］，然后建立矩陣，生成并優(yōu)化拆卸序列，圖4為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)模型在虛擬平臺(tái)中的樹形表式形式，這種樹形表示可以通過逐層打開節(jié)點(diǎn)方式來查看零件歸屬［5］。

圖4 層次結(jié)構(gòu)模型在Eon中的樹形表示

a)拆卸過程仿真

在 Eon 中綜合使用 Frame，ClickSensor，Place，Task 和DragSelect節(jié)點(diǎn)根據(jù)零件之間的層次結(jié)構(gòu)關(guān)系以及約束關(guān)系就可以實(shí)現(xiàn)拆卸過程，如圖5所示，其具體設(shè)置如下:

Step1:首先依據(jù)零件之間的層次結(jié)構(gòu)為具有約束關(guān)系的零件添加一個(gè)Frame框架;

Step2:在框架中選擇需要拆卸的零部件添加2個(gè)ClickS-ensor節(jié)點(diǎn)以及一個(gè)Place節(jié)點(diǎn)和一個(gè)DragSelect節(jié)點(diǎn);

圖5 交互過程Routes視窗展示

Step3:將其中一個(gè)ClickSensor節(jié)點(diǎn)的觸發(fā)方式設(shè)置為Right并通過OnButtonDowntrue和DragSelect下的Select相連接;

Step4:將另外一個(gè)ClickSensor節(jié)點(diǎn)的觸發(fā)方式設(shè)置為L(zhǎng)eft并通過OnButtonDowntrue和Place節(jié)點(diǎn)下的SetRun相連接，Place節(jié)點(diǎn)通過OnRunfalse與Task節(jié)點(diǎn)下的RequestCompleted相連。

當(dāng)點(diǎn)擊開始拆卸后，點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵即可拖拽需要拆卸的零件，當(dāng)點(diǎn)擊右鍵時(shí)，可以快捷的將零件放置到桌面上。如圖6所示。

圖6 轉(zhuǎn)向器虛擬拆卸過程

當(dāng)遇到幾個(gè)零件位置相似時(shí)，可以讓他們同步地拆卸或裝配。只要讓用于觸發(fā)的信號(hào)同時(shí)接到這幾個(gè)零件所具有的移動(dòng)功能節(jié)點(diǎn)place和方位節(jié)點(diǎn)position節(jié)點(diǎn)，讓它們的相對(duì)位移相同、時(shí)間相同即可。通過以上步驟就可以實(shí)現(xiàn)拆卸過程的人機(jī)交互，如圖7所示。

b)故障排除過程仿真

圖7 零件拆卸時(shí)人機(jī)交互過程

虛擬故障排除模塊中挑選了比較有代表性的主液壓系統(tǒng)壓力偏低這個(gè)模塊來進(jìn)行講解。這個(gè)模塊中運(yùn)用虛擬的壓力表來對(duì)系統(tǒng)壓力進(jìn)行測(cè)量，因?yàn)閼?yīng)用到各種工具和儀表，如果在測(cè)量位置和工具擺放位置間進(jìn)行視角的切換話，切換的次數(shù)較多，容易造成操作者視覺的疲勞，所以設(shè)置一個(gè)小視窗正對(duì)著操作臺(tái)，用到的各種工具、儀器等整齊的擺放在操作臺(tái)上，可以通過小視窗來實(shí)現(xiàn)工具的拾取和放置，避免了視角的頻繁切換。首先講解一下小視窗的設(shè)置方法:添加一個(gè)Viewport節(jié)點(diǎn)到Viewports文件夾中，雙擊添加的Viewport節(jié)點(diǎn)設(shè)置其起始位置、視窗的大小以及可視范圍等參數(shù);添加一個(gè)攝像機(jī)Camera，并把它的快捷方式放入添加的Viewport節(jié)點(diǎn)的Camera文件夾內(nèi);通過調(diào)整添加的Camera觀察位置就可以實(shí)現(xiàn)主窗口和小窗口分別顯示，如圖8所示。

圖8 小窗口拾取工具示意圖

通過分析壓力測(cè)量的實(shí)際流程，結(jié)合系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的具體要求，設(shè)計(jì)虛擬現(xiàn)實(shí)中壓力測(cè)量的實(shí)現(xiàn)流程如圖9。

圖9 壓力測(cè)量實(shí)現(xiàn)流程圖

3 系統(tǒng)的集成

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫維護(hù)模塊采用Delphi軟件設(shè)計(jì)開發(fā)。Delphi是著名的Borland公司開發(fā)的可視化軟件開發(fā)工具，被稱為第四代編程語言，它具有簡(jiǎn)單、高效、功能強(qiáng)大和簡(jiǎn)單易學(xué)的特點(diǎn)。其主界面如圖10。

圖10 訓(xùn)練系統(tǒng)主界面

通過Delphi調(diào)用EONX控件的接口函數(shù)實(shí)現(xiàn)二者之間的數(shù)據(jù)傳遞［6］，使系統(tǒng)的仿真程序能夠嵌入到Delphi開發(fā)的應(yīng)用程序中，EONX作為一種在其他軟件或程序中展示和控制EON虛擬程序的ActiveX控件，通過它可以對(duì)EON開發(fā)出來的模擬場(chǎng)景進(jìn)行控制，在EON的事件驅(qū)動(dòng)模型中，節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)之間相連接的屬性域(EventIn/EventOut)類型必須一致或相互兼容，其數(shù)據(jù)傳遞過程如下:

Step1:在邏輯關(guān)系設(shè)定視窗中創(chuàng)建Scrpit節(jié)點(diǎn)與其他相關(guān)節(jié)點(diǎn)的EventIn節(jié)點(diǎn)和EventOut節(jié)點(diǎn)的連接，并對(duì)EventIn節(jié)點(diǎn)收到的數(shù)據(jù)處理后由EventOut節(jié)點(diǎn)輸出;

Step2:在Delphi中創(chuàng)建OnEvent消息響應(yīng)函數(shù)On-EventEonx()對(duì)Eventout事件進(jìn)行響應(yīng)，同時(shí)利用SendEvent函數(shù)將Delphi處理后的數(shù)據(jù)輸出到InEvent節(jié)點(diǎn)。

4 結(jié)論

本文結(jié)合EON Studio虛擬交互平臺(tái)，研究解決了某型輪式推土機(jī)虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的部分關(guān)鍵性技術(shù)問題，所開發(fā)的系統(tǒng)可以使受訓(xùn)人員充分掌握輪式推土機(jī)保障訓(xùn)練的過程、特點(diǎn)、手段和方法。具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

［1］A dam J A.virtual reality is for real.IEEE spectrum［J］.1993，31(10):22-29.

［2］劉佳，劉毅.虛擬維修技術(shù)發(fā)展綜述［J］.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2009，21(11):1520-1534.

［3］余輝，等.EON入門與高級(jí)應(yīng)用技巧［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2008.

［4］張斌.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的印刷機(jī)拆裝訓(xùn)練系統(tǒng)［D］.北京:北京印刷學(xué)院，2010，12.

［5］徐鴻翔.面向拆卸和回收設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)的研究［D］.南京:南京理工大學(xué)，2001，12.

［6］劉誠(chéng)，付宜利.基于EON的交互式虛擬裝配仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，37(8):109-111.