增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在裝甲裝備基層級(jí)維修中的應(yīng)用

張 雷，馬金盾，郭理彬，張 杰

(陸軍裝甲兵學(xué)院 兵器與控制系， 北京 100072)

裝甲裝備作為地面突擊力量的主要組成部分，其組成系統(tǒng)多，系統(tǒng)組成單元之間電氣信號(hào)連接復(fù)雜，基層級(jí)維修過程中需要測試的信號(hào)數(shù)量大、類型雜，維修和故障診斷人員無法完全記住所有技術(shù)資料和操作流程，維修難度較大。長期以來，基層裝甲部隊(duì)通常利用裝備維修教材、便攜式維修檢測設(shè)備(Portable Maintenance Aids,PMA)[1]等資源開展裝甲裝備維修工作，而目前裝備信息化程度不斷加深，現(xiàn)有的維修技術(shù)、保障設(shè)備已經(jīng)難以滿足新裝備的維修保障需求，急需在裝甲裝備維修領(lǐng)域引入新興技術(shù)。隨著計(jì)算機(jī)視覺、圖像處理等技術(shù)的發(fā)展，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Augmented Reality，AR)[2]技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，AR技術(shù)最早是在1994年由Paul Milgram和Fumio Kishino給出明確定義，是指在真實(shí)場景中疊加虛擬模型或信息，實(shí)現(xiàn)虛擬場景與真實(shí)場景的精確融合，以加強(qiáng)人們對真實(shí)場景的感知和處理，近年來取得了很大的發(fā)展。AR技術(shù)的出現(xiàn)給復(fù)雜的裝備維修帶來了生機(jī)，產(chǎn)生了維修引導(dǎo)[3-4]的新概念。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)維修引導(dǎo)系統(tǒng)[5]是利用AR技術(shù)對維修過程中所用到的檢測數(shù)據(jù)、操作步驟、技術(shù)資料等復(fù)雜、多樣化信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的“增強(qiáng)”顯示，以實(shí)現(xiàn)輔助維修人員進(jìn)行故障檢測和維修操作的目的，從而大幅度提高維修的效率。目前基于AR技術(shù)的可穿戴式引導(dǎo)維修是國內(nèi)外大型機(jī)電設(shè)備的主流維修方式，諸如波音公司、哥倫比亞大學(xué)[6]、浙江大學(xué)[7]、南京航空航天大學(xué)[8]、空軍工程大學(xué)[9]等多家軍內(nèi)外單位都對增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)維修引導(dǎo)系統(tǒng)及其關(guān)鍵性技術(shù)做了一系列的研究，并且取得了很好的成果，而國內(nèi)對裝甲裝備維修引導(dǎo)系統(tǒng)的研究較少。因此本文提出了一種基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的裝甲裝備基層級(jí)維修引導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，以坦克火控系統(tǒng)為研究對象，通過系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)移植調(diào)試，驗(yàn)證了該系統(tǒng)在基層火控系統(tǒng)維修中的可行性和實(shí)用性。

1 可穿戴式維修引導(dǎo)系統(tǒng)功能分析與總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)功能分析

目前，我軍主流的PMA設(shè)備雖然能夠?yàn)榫S修人員提供故障診斷與預(yù)測、維修任務(wù)管理、技術(shù)文檔查詢等功能，但是也具有很多問題[10]。當(dāng)前裝甲裝備維修使用的PMA設(shè)備大小與尺寸不等，有的設(shè)備重達(dá)十幾公斤,不能被稱為真正的“便攜式”設(shè)備。在維修時(shí)維修人員需要攜帶笨重的、非可穿戴式的維修設(shè)備進(jìn)入裝備內(nèi)部進(jìn)行操作，而多數(shù)測試設(shè)備測試手段有限，是面向某個(gè)特定部件的測試設(shè)備，且技術(shù)資料不全，因此還需維修人員攜帶其他各式維修工具和測試儀器往返待修裝備和維修工間，由于PMA設(shè)備與裝備系統(tǒng)間的信號(hào)傳輸采用的有線連接的方式，因此每次更換測試設(shè)備都需要進(jìn)行線纜的連接，又加重了維修人員的操作負(fù)擔(dān)，嚴(yán)重阻礙了維修保障效率的提升。此外PMA設(shè)備采用的觸屏與按鍵的操作方式在占用雙手的同時(shí)也不方便調(diào)用各類信息，無法兼顧維修操作和資料查詢。

反觀國外，以增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)為基礎(chǔ)的維修引導(dǎo)系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在裝備維修設(shè)備中，極大地提高了維修的便利性和準(zhǔn)確性。2007年美國的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)維護(hù)修理(Augmented Reality For Maintenance And Repair，ARMAR)[11]研究計(jì)劃研發(fā)的原型系統(tǒng)具有虛擬維修培訓(xùn)、真實(shí)環(huán)境操作維修、監(jiān)控維修進(jìn)度和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)引導(dǎo)維修等多種功能，并且創(chuàng)新性地采用機(jī)會(huì)控制的人機(jī)交互策略，此原型系統(tǒng)在面向LAV-25A1式裝甲運(yùn)輸車炮塔維修中得到了成功應(yīng)用[12]。2015年，美國國防部組建的數(shù)字化制造和創(chuàng)新機(jī)構(gòu)，將基于AR和可穿戴設(shè)備的生產(chǎn)車間布局作為研究的重點(diǎn)，該研究計(jì)劃不僅可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的AR輔助維修，而且可以實(shí)現(xiàn)異地多人實(shí)時(shí)交互，實(shí)現(xiàn)了信息的實(shí)時(shí)共享。同年微軟公司的Hololens眼鏡一經(jīng)發(fā)布就獲得了美國國家航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)的青睞，成為Sidekick項(xiàng)目的核心工具[13]，隨著SpaceX公司的太空飛船進(jìn)入太空。此眼鏡具有遠(yuǎn)程專家功能，地面操作者可以實(shí)時(shí)獲得航天員視角，然后在航天員眼前提供注釋和圖示，具有很高的輔助性。

為了使維修檢測設(shè)備更好地實(shí)現(xiàn)裝備維修功能，綜合分析國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，面向裝甲裝備火控系統(tǒng)的可穿戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)維修引導(dǎo)系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能：

a) 具有電氣信號(hào)采集、無線傳輸功能；

b) 具有故障診斷操作引導(dǎo)、維修操作培訓(xùn)功能、現(xiàn)場離線維修操作引導(dǎo)功能和遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)交互指導(dǎo)多重功能；

c) 具有手勢、語音等自然的人機(jī)交互能力；

d) 具有開放性，方便升級(jí)和更新；

e) 系統(tǒng)設(shè)備整體體積小、重量輕，具有可穿戴式性。

1.2 系統(tǒng)總體框架

裝甲裝備可穿戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)維修引導(dǎo)系統(tǒng)采用模塊化和開放化的設(shè)計(jì)原則，系統(tǒng)整體包含用戶層、界面層、功能層和基礎(chǔ)層4個(gè)層級(jí)，系統(tǒng)總體層級(jí)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)維修引導(dǎo)系統(tǒng)總體層級(jí)結(jié)構(gòu)框圖

基礎(chǔ)層是系統(tǒng)各功能模塊實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，包含硬件單元和軟件單元兩部分。其中硬件單元包括攜行具、AR眼鏡主機(jī)(包含攝像機(jī)、人機(jī)交互模塊、信息處理單元)、便攜式無線維修檢測適配器、藍(lán)牙式萬用表及其他附件5個(gè)部分構(gòu)成。設(shè)備攜行具是系統(tǒng)設(shè)備的載體，采用便于穿戴的對開馬甲方案，利用“身體總線”和“身體網(wǎng)絡(luò)”，將各個(gè)硬件設(shè)備合理的分布在人體結(jié)構(gòu)中，腹部兩側(cè)放置便攜式無線維修檢測適配器和藍(lán)牙萬用表，胸部分別放置AR主機(jī)和移動(dòng)電源，腰部兩側(cè)放置萬用表線、相關(guān)檢測電纜以及拆裝工具，維修時(shí)維修人員可以穿著此馬甲進(jìn)入坦克進(jìn)行維修，方便快捷。AR眼鏡主機(jī)是目前增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要載體，它可實(shí)現(xiàn)對維修環(huán)境信息的采集、處理以及維修檢測引導(dǎo)信息的顯示，是高集成度的可穿戴設(shè)備?？纱┐魇綗o線維修檢測適配器是被測部件/信號(hào)與故障診斷模塊之間的橋梁，用來實(shí)現(xiàn)將裝甲裝備部件測試口信號(hào)通過無線傳輸?shù)姆绞絺鬏數(shù)紸R眼鏡的處理單元中來輔助故障診斷，可以減少維修人員的測試操作次數(shù)，解決現(xiàn)場空間小測試操作不便的問題。藍(lán)牙式萬用表是對維修檢測適配器的補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)對非測試口的信號(hào)進(jìn)行測試，也以無線傳輸?shù)姆绞綄y試結(jié)果傳輸?shù)紸R眼鏡的處理單元來輔助故障診斷。其他附件包括移動(dòng)電源、通用拆裝工具、專用工具、萬用表筆、探頭等配合檢修的工具配件，當(dāng)AR眼鏡電量不足時(shí)，則可用攜帶的移動(dòng)電源對AR眼鏡進(jìn)行充電，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。軟件單元負(fù)責(zé)調(diào)用硬件單元的相關(guān)信息進(jìn)行算法的開發(fā)和應(yīng)用，主要包含增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)模塊、故障診斷模塊和維修引導(dǎo)信息模塊。其中增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心，是實(shí)現(xiàn)診斷引導(dǎo)、維修引導(dǎo)信息疊加的核心模塊。包含三維注冊、虛實(shí)融合和人機(jī)交互3個(gè)模塊，三維注冊用來實(shí)現(xiàn)虛擬引導(dǎo)信息和現(xiàn)實(shí)維修環(huán)境的幾何一致性，即隨著用戶視角和移動(dòng)的變化，實(shí)時(shí)計(jì)算出虛擬場景在該視角下的投影坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)在真實(shí)場景中的準(zhǔn)確融合。虛實(shí)融合模塊主要保證虛擬引導(dǎo)信息的真實(shí)感，通過對光照一致性計(jì)算、遮擋處理、紋理制作來實(shí)現(xiàn)“以假亂真”的效果。人機(jī)交互模塊主要實(shí)現(xiàn)對虛擬信息的交互控制，目前主要使用的有手勢交互、眼動(dòng)交互、語音交互等新型交互方式。軟件單元的故障診斷模塊主要是確定故障診斷流程以及對故障的位置進(jìn)行判斷和確定，以故障樹為總體診斷流程框架，配合萬用表以及信息采集卡的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合判斷從而輸出維修目標(biāo)。維修引導(dǎo)信息模塊是指對維修所需的技術(shù)資料進(jìn)行系統(tǒng)地描述與建模，包括從故障測試到維修過程中所涉及的圖形、文字、視頻、標(biāo)記、動(dòng)畫、虛擬樣機(jī)等形式不同的所有操作步驟細(xì)節(jié)信息，同時(shí)還包括對信息的分類，當(dāng)確定故障目標(biāo)后對維修資料的快速查找和確定。

功能層是系統(tǒng)應(yīng)具有的基本功能，包括維修培訓(xùn)、故障檢測引導(dǎo)、現(xiàn)場離線維修引導(dǎo)和遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)交互指導(dǎo)四個(gè)功能，功能層的所有功能都是針對裝甲裝備多系統(tǒng)的。

界面層用來對系統(tǒng)整體進(jìn)行封裝，按照系統(tǒng)的功能和基礎(chǔ)層流程設(shè)計(jì)良好的用戶顯示操作界面，主要包括系統(tǒng)登錄界面、功能選擇界面、分系統(tǒng)子界面、維修目標(biāo)選擇界面、維修信息查詢界面。

用戶層是面向用戶使用的層級(jí)，主要包括幫助和用戶數(shù)據(jù)記錄兩部分，幫助模塊主要包括系統(tǒng)的介紹、操作方法以及相關(guān)注意事項(xiàng)，用戶數(shù)據(jù)記錄模塊包括對不同用戶的使用數(shù)據(jù)的保存和查看。

1.3 基礎(chǔ)層工作流程

基礎(chǔ)層是整個(gè)系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，不同的功能實(shí)現(xiàn)將調(diào)用不同的基礎(chǔ)單元，基礎(chǔ)層信息傳輸流程如圖2所示。

圖2 維修引導(dǎo)系統(tǒng)基礎(chǔ)層信息傳輸流程框圖

當(dāng)維修人員佩戴AR眼鏡進(jìn)入維修引導(dǎo)系統(tǒng)后，通過手勢、語音等交互命令進(jìn)行功能選擇，當(dāng)選擇故障檢測引導(dǎo)功能時(shí)，使用交互命令驅(qū)動(dòng)交互模塊使系統(tǒng)首先進(jìn)入故障診斷模塊，故障診斷模塊將故障檢測流程引導(dǎo)信息發(fā)送至增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)模塊，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)模塊從AR眼鏡獲得場景數(shù)據(jù)，通過三維注冊，真實(shí)感渲染將虛擬的注冊信息準(zhǔn)確發(fā)送至AR眼鏡進(jìn)行實(shí)時(shí)的呈現(xiàn)，以輔助維修人員進(jìn)行故障檢測。當(dāng)需要調(diào)用藍(lán)牙信號(hào)采集卡數(shù)據(jù)和萬用表數(shù)據(jù)時(shí)，通過交互命令將測得的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙無線傳輸至AR眼鏡主機(jī)進(jìn)行顯示，結(jié)束一次操作后，再次通過交互命令進(jìn)入故障診斷模塊進(jìn)行下一次操作引導(dǎo)，直至獲得故障目標(biāo)，也就是維修目標(biāo)。從而完成維修檢測引導(dǎo)。

當(dāng)知道維修目標(biāo)時(shí)，維修人員直接選擇進(jìn)入現(xiàn)場離線維修功能，通過交互命令直接進(jìn)入信息檢索模塊，檢索關(guān)于維修目標(biāo)的所有維修資料，通過交互命令選擇所需維修的故障點(diǎn)相關(guān)維修操作資料，然后將操作引導(dǎo)信息傳入增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)模塊，在AR眼鏡主機(jī)實(shí)時(shí)顯示，當(dāng)結(jié)束一次操作后，通過交互命令再以相同的步驟進(jìn)行下一次引導(dǎo)，直至維修結(jié)束。

當(dāng)系統(tǒng)無法診斷出故障信息或信息檢索模塊未檢索到故障點(diǎn)的維修資料時(shí)，則選擇進(jìn)入遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)交互指導(dǎo)功能，通過網(wǎng)絡(luò)向遠(yuǎn)程專家發(fā)送幫助請求，系統(tǒng)將遠(yuǎn)程傳來的檢測和維修操作指導(dǎo)意見顯示在AR眼鏡端，一步步輔助維修人員完成維修操作。

當(dāng)進(jìn)入維修培訓(xùn)功能時(shí)，首先通過交互命令調(diào)用故障診斷模塊、維修引導(dǎo)信息模塊、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)模塊進(jìn)行故障目標(biāo)檢測，得到維修目標(biāo)，然后進(jìn)入信息檢索模塊、維修引導(dǎo)信息模塊、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)模塊進(jìn)行維修操作引導(dǎo)，直至維修培訓(xùn)完畢。

2 基礎(chǔ)層詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1 三維跟蹤注冊模塊

三維跟蹤注冊是基礎(chǔ)層最關(guān)鍵的一環(huán)。在維修檢測過程中，要求三維注冊模塊實(shí)現(xiàn)虛擬引導(dǎo)信息與維修目標(biāo)在世界坐標(biāo)系下的位置和姿態(tài)相對保持不變。要實(shí)現(xiàn)此要求，首先需要對虛擬信息位姿進(jìn)行初始化，然后再對攝像機(jī)位姿進(jìn)行跟蹤求解，進(jìn)而通過坐標(biāo)變化得到實(shí)時(shí)的虛擬信息位姿，從而保證虛擬信息和真實(shí)目標(biāo)的幾何一致性，達(dá)到指導(dǎo)維修的目的。本系統(tǒng)采用基于模板匹配的LINE-MOD[14]算法和ORB-SLAM2[15]來實(shí)現(xiàn)精確的三維注冊。LINE-MOD算法是一種使用快速模板匹配、針對弱紋理物體的識(shí)別和檢測方法，適合紋理單一的裝甲裝備系統(tǒng)部件識(shí)別?；谝曈XSLAM(Visual Simultaneous Localization And Mapping，VSLAM)技術(shù)的攝像機(jī)位姿跟蹤算法在靜態(tài)場景中效果極好，并且不需要預(yù)先布置場景，其中基于特征點(diǎn)的算法發(fā)展比較成熟，是目前使用較廣的位姿跟蹤估計(jì)算法，2016年Mur-Artal等[15]提出的ORB-SLAM2是目前SLAM算法中非常完善且易用的算法之一，極其適合AR/VR的應(yīng)用。

2.1.1虛擬信息位姿初始化

在計(jì)算機(jī)視覺中，通常采用第一幀圖像下的攝像機(jī)位置作為世界坐標(biāo)系原點(diǎn)，初始化虛擬信息的位姿也就是確定在此世界坐標(biāo)系下的各維修目標(biāo)的三維坐標(biāo)。由相機(jī)投影模型可知像素坐標(biāo)與三維坐標(biāo)的變換關(guān)系為

s1p1=KP

(1)

其中：s1為點(diǎn)P的深度值；K為相機(jī)內(nèi)參矩陣；p1和P分別為該點(diǎn)的像素坐標(biāo)和三維坐標(biāo)，相機(jī)的內(nèi)參可以通過提前對相機(jī)標(biāo)定確定，像素點(diǎn)的深度值可以通過深度相機(jī)獲得，因此虛擬信息位姿初始化關(guān)鍵核心是通過檢測與識(shí)別得到圖像坐標(biāo)系下的目標(biāo)位置。

本系統(tǒng)采用基于模板匹配的LINE-MOD算法在圖像中進(jìn)行維修目標(biāo)的檢測，確定其在圖像中的位置，進(jìn)而得到它的三維坐標(biāo)，并以檢測到維修目標(biāo)圖像時(shí)的攝像機(jī)位置作為系統(tǒng)的世界坐標(biāo)系原點(diǎn)，將此圖像作為進(jìn)入SLAM模塊的第一幀圖像。由于實(shí)際裝甲裝備中各部件的位置相對固定，因此只需進(jìn)行一次識(shí)別，然后通過測量就能得到其他部件的三維坐標(biāo)。

它將RGB圖像的主梯度方向和深度圖像的法向量方向結(jié)合作為特征子，首先采集待檢測目標(biāo)圖像，提取特征子模板：

T=({Om}m∈M,P)

(2)

式中：O為模板特征，表示RGB圖形中的梯度方向或深度圖像中的法向量方向；P為參考圖像中特征所在位置r的集合。之后網(wǎng)格化待檢測圖像，通過檢測窗口滑移進(jìn)行模板匹配，以提高匹配速度。提取待匹配圖像I在位置t處的特征，與模板作相似性比較：

(3)

式(3)中：

fm(Om(r),Im(t))=|rad(Om(r))-rad(Im(t))|表示待匹配圖像I在位置t的特征方向弧度與參考圖像O在位置r處的弧度差的絕對值。

當(dāng)εs(I,T,c)高于閡值γ時(shí)，認(rèn)為該模板被匹配上，畫出檢測結(jié)果的包圍盒，將包圍盒的幾何中心作為維修目標(biāo)中心點(diǎn)的二維坐標(biāo)，通過P=K-1·s1p1得到維修目標(biāo)中心點(diǎn)的三維坐標(biāo)，進(jìn)而得到所有部件的三維坐標(biāo)。以坦克操縱臺(tái)為例進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了對操縱臺(tái)的檢測，檢測流程如圖3所示。

圖3 操縱臺(tái)檢測識(shí)別流程示意圖

2.1.2基于ORB-SLAM2的攝像機(jī)位姿估計(jì)

攝像機(jī)的位姿估計(jì)是對每一幀圖像下的攝像機(jī)旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣進(jìn)行估計(jì)。本系統(tǒng)采用ORB-SLAM2特征點(diǎn)算法的來實(shí)現(xiàn)對攝像機(jī)位姿的跟蹤估計(jì)。ORB-SLAM2系統(tǒng)流程如圖4所示。

圖4 ORB-SLAM2系統(tǒng)流程框圖

ORB-SLAM2對光照、動(dòng)態(tài)物體不敏感，可在CPU上直接運(yùn)行，包含單目、雙目和RGB-D相機(jī)實(shí)現(xiàn)方案，還包含跟蹤、局部建圖和回環(huán)檢測3個(gè)平行線程。如圖4所示，系統(tǒng)首先進(jìn)行跟蹤線程，接收檢測到維修目標(biāo)后的RGB圖像，尋找?guī)瑘D像的ORB特征，利用尺度金字塔和灰度質(zhì)心法使特征具有尺度和旋轉(zhuǎn)不變性，通過候選關(guān)鍵點(diǎn)搜索和比例閾值篩選縮小匹配范圍，之后進(jìn)行匹配剔除誤匹配，得到正確匹配關(guān)系的特征點(diǎn)，然后通過對極幾何進(jìn)行運(yùn)動(dòng)估計(jì)，求解變換矩陣后運(yùn)用BA算法最小化重投影誤差，進(jìn)行跟蹤和定位每幀的相機(jī)。同時(shí)還建立局部地圖，運(yùn)用局部的BA算法設(shè)置局部地圖并且優(yōu)化。而且還可通過回環(huán)檢測執(zhí)行位姿圖的優(yōu)化來更正累計(jì)漂移誤差。在位姿優(yōu)化之后，會(huì)啟動(dòng)第四個(gè)線程來執(zhí)行全局的BA算法，來計(jì)算整個(gè)系統(tǒng)最優(yōu)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，當(dāng)跟蹤失敗后，會(huì)啟動(dòng)位置識(shí)別模塊，進(jìn)行重新定位。在坦克內(nèi)部環(huán)境使用此方法進(jìn)行攝像機(jī)位姿估計(jì)，效果較好。

2.2 故障診斷模塊

2.2.1裝甲裝備系統(tǒng)故障樹

本系統(tǒng)采用基于故障樹分析的方法來實(shí)現(xiàn)故障流程的梳理，故障樹分析法[16]是以設(shè)備故障點(diǎn)為起點(diǎn)，逐層分析設(shè)備產(chǎn)生故障的原因，用“邏輯與”和“邏輯或”將故障現(xiàn)象和各級(jí)故障原因連接而成的因果關(guān)系圖分析法。故障樹由頂事件，中間事件和底事件組成，頂事件是故障現(xiàn)象，中間事件為故障現(xiàn)象判斷，底部事件為故障原因。明確故障樹頂事件是合理推算的關(guān)鍵，合理的頂事件能夠保證順利推理到導(dǎo)致其發(fā)生的故障底事件。

對于裝甲裝備系統(tǒng)來說，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)及工作原理非常復(fù)雜，因此首先通過查看相應(yīng)資料和詢問專業(yè)人士對裝甲裝備系統(tǒng)裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)、功能層次分解，了解系統(tǒng)及分系統(tǒng)的工作原理，然后確定裝甲裝備故障集，明確典型故障現(xiàn)象，最后對故障影響關(guān)系進(jìn)行分析，確定故障之間的邏輯關(guān)系，將存在的邏輯關(guān)系事件用與門、或門連接起來。以火控系統(tǒng)為例，建立坦克火控系統(tǒng)啟動(dòng)故障樹。由于坦克火控系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)各部件會(huì)按照一定的順序上電工作，具有明顯的聲音信息，并且各部件有明顯的指示燈亮滅，因此選擇2、5、6號(hào)部件上電聲音以及1、3部件上的指示燈亮滅作為故障樹的頂事件，進(jìn)行故障原因的推理。坦克火控系統(tǒng)啟動(dòng)過程部分故障樹如圖5所示，其中藍(lán)色為頂事件，紅色和白色為中間事件，黃色為底事件。

圖5 火控系統(tǒng)啟動(dòng)故障樹示意圖

2.2.2可穿戴式維修檢測適配器設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選擇藍(lán)牙作為可穿戴式維修檢測適配器的無線通信方式，并且針對裝甲裝備測試口信號(hào)設(shè)計(jì)了一套藍(lán)牙采集信號(hào)卡。藍(lán)牙技術(shù)具有抗干擾能力強(qiáng)，安全性能好，軟硬件實(shí)現(xiàn)簡單的特點(diǎn)，適用于噪聲大的裝甲裝備維修環(huán)境。此板卡從裝甲裝備部件測試口取26V電作為供電電源，采用ALTERA公司的FPGA作為中央處理器，選用AD7687作為AD采集芯片，選擇HC-02作為藍(lán)牙串口模塊，對采集卡的復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、JTAG電路、RAM擴(kuò)展電路、Boot啟動(dòng)引導(dǎo)電路、電源電路、ADC接口電路、藍(lán)牙接口電路分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)對采集卡的軟件單元進(jìn)行設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)了對3路交流±36 V@400 Hz、3路直流0～150 V和30路直流±30 V的信號(hào)采集，在坦克實(shí)車上成功實(shí)現(xiàn)了對炮控箱測試口信號(hào)的采集與傳輸。其硬件結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 藍(lán)牙采集卡硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.3 維修引導(dǎo)信息模塊

維修引導(dǎo)信息模塊主要是用來存儲(chǔ)包括二維的文字、圖片、視頻輔助引導(dǎo)信息和三維的虛擬模型引導(dǎo)信息。二維維修引導(dǎo)信息主要包括火控系統(tǒng)部件名稱、檢測維修操作步驟和工具等基礎(chǔ)信息，三維的虛擬模型引導(dǎo)信息主要包括火控系統(tǒng)部件模型，維修檢測的操作動(dòng)畫等三維模型信息，二維的維修信息可直接在Unity3D中以貼圖方式進(jìn)行渲染，三維模型信息則需要首先利用3D MAX對裝甲裝備系統(tǒng)各部件進(jìn)行建模，重點(diǎn)對裝甲裝備的故障點(diǎn)進(jìn)行從內(nèi)部到外部的精確建模，同時(shí)還包含對這些故障位置的維修動(dòng)畫制作，然后將建好的模型與信息分類存儲(chǔ)，再導(dǎo)入unity3D中進(jìn)行使用。建立的坦克火控系統(tǒng)操縱臺(tái)模型如圖7所示。

圖7 坦克火控系統(tǒng)操縱臺(tái)模型示意圖

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

系統(tǒng)的硬件環(huán)境為HoloLens眼鏡、JABE-36B藍(lán)牙萬用表、惠普 Z8 G4 Workstation計(jì)算機(jī)等，編程開發(fā)環(huán)境為Unity 3D、3D MAX、Open CV4.0、Visual Studio2017。其中HoloLens眼鏡是系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)載體，具有眼動(dòng)、語音、手勢的交互方法。首先在計(jì)算機(jī)上利用Unity 3D和VS 2017進(jìn)行系統(tǒng)的開發(fā)，而后再移植到HoloLens眼鏡進(jìn)行測試。系統(tǒng)相關(guān)硬件設(shè)備如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)相關(guān)硬件設(shè)備

對于“2號(hào)部件工作，1號(hào)部件SA1指示燈未亮”故障現(xiàn)象的故障檢測引導(dǎo)信息顯示流程如下，維修人員通過語音或手勢交互命令進(jìn)入系統(tǒng)的檢測模塊，系統(tǒng)通過三維注冊模塊得到維修信息的精確位置，系統(tǒng)將第一個(gè)中間事件的虛擬信息“SX8-29接口的電壓是否為26V”顯示在3號(hào)部件右側(cè)位置，并用虛擬箭頭指引維修人員將視角移動(dòng)到3號(hào)部件位置，而后系統(tǒng)將通過藍(lán)牙接收的電壓值顯示在當(dāng)前界面中，維修人員判斷后通過語音交互或手勢交互選擇“是”或“否”，若“是”則將“1號(hào)部件HL1燈或與3號(hào)部件連接線纜故障”的診斷信息顯示在界面中，并用虛擬箭頭指引維修人員將視角移動(dòng)到1號(hào)部件前；若“否”，系統(tǒng)將“SX8-30接口的電壓是否為26V”顯示在3號(hào)部件右側(cè)位置，系統(tǒng)再次調(diào)用藍(lán)牙接收電壓值，維修人員通過交互命令進(jìn)行選擇，若“否”，則將“固定器24SB或與③連接電纜故障”診斷信息顯示在界面中，并用虛擬箭頭指引維修人員將視角移動(dòng)到固定器位置，若“是”則再進(jìn)行下一步判斷，直至進(jìn)行到故障樹終點(diǎn)，找出故障。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)能夠完成維修過程中的引導(dǎo)。

4 結(jié)論

1) 本文設(shè)計(jì)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)維修引導(dǎo)系統(tǒng)一定程度上實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與裝甲裝備維修保障工作的結(jié)合，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

2) 系統(tǒng)具備較強(qiáng)的開放性和通用性，能夠?qū)崿F(xiàn)對不同對象和任務(wù)的誘導(dǎo)維修。基本實(shí)現(xiàn)了“以人為中心”的維修，為解決戰(zhàn)場快速搶修問題提供了思維和途徑，在提高我國軍用裝備維修性、保障性方面具有價(jià)值，但此系統(tǒng)對部件的識(shí)別能力弱，三維注冊還不夠準(zhǔn)確，系統(tǒng)整體延遲較大，還需要進(jìn)一步完善和提高。