虛擬現實技術在特裝底盤故障診斷中的應用

【裝備理論與裝備技術】

虛擬現實技術在特裝底盤故障診斷中的應用

王放，張杰，王新軍

(第二炮兵工程大學 五系，西安710025)

摘要：針對傳統故障診斷訓練方式受場地、時間、裝備限制，損耗大，成本高的問題，以WS2400A2特裝底盤為研究對象，提出將虛擬現實技術應用到訓練中，在3DS Max軟件建模的基礎上，用Virtools和Visual Studio 2005軟件平臺聯合開發的方式實現特裝底盤的故障機理研究及故障診斷；使用戶更加直觀，更加投入的研究故障的發生機理、發展過程以及有可能導致的后果；實際應用表明：該方法不僅彌補了某些故障不方便在實況中模擬的缺陷，還可以減少設備損耗，使訓練更加安全高效，值得推廣應用。

關鍵詞：特裝底盤；故障診斷；虛擬現實；Virtools

收稿日期：2014-06-02

作者簡介：王放(1975—)，男，副教授，主要從事汽車理論和虛擬維修研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.01.004

中圖分類號：TP391.9

文章編號：1006-0707(2015)01-0013-04

本文引用格式：王放，張杰，王新軍.虛擬現實技術在特裝底盤故障診斷中的應用[J].四川兵工學報，2015(1):13-16.

Citationformat:WANGFang,ZHANGJie,WANGXin-jun.ApplicationofVirtualRealityTechnologyinFailureDiagnosisofChassisforSpecialEquipment[J].JournalofSichuanOrdnance,2015(1):13-16.

ApplicationofVirtualRealityTechnologyinFailureDiagnosisof

ChassisforSpecialEquipment

WANGFang,ZHANGJie,WANGXin-jun

(The5thDepartment,theSecondArtilleryEngineeringUniversity,Xi’an710025,China)

Abstract:In order to solve the traditional training problems of being limited by place, time and equipment and the large loss and high costs of it, the application of virtual reality technology to the training was put forward by taking WS2400A2 special assembly chassis as the research object. To study the occurrence, the development process and the possible consequences of failure, the Virtools and Visual Studio 2005 software platform were applied together based on 3DS Max software modeling, which makes the users’ research into the failure mechanism, the development process and the possible consequences more intuitively and more devotedly. This application decreases the loss, makes the training more safe and efficiency and makes up the defects that some failures are not able to simulate in the real environment, so that this system is deserved to be popularized.

Keywords:chassisforspecialequipment;failurediagnosis;virtualreality;Virtools

WS2400A2特裝底盤是部隊的重要裝備之一，它集機、電、液于一體，是一個結構復雜的系統。面對部隊日漸復雜嚴格的訓練環境，車輛故障發生的頻率很高，導致車輛故障排除成為影響部隊訓練的重要因素。但是，特裝底盤的結構與通裝底盤有所不同，所以培養部隊維修人員快速診斷特裝底盤故障并加以排除的能力成為當務之急。針對此情況，本文采用3DSMax對特裝底盤進行三維建模，用三維模型代替實裝，通過Virtools實現模型交互式操作、特裝底盤各分系統工作原理演示和各部件故障機理演示及常見故障診斷[1]。

1系統功能需求分析

在虛擬故障診斷系統開發之前，必須要對想要實現的功能進行分析，統籌全局，可以提高開發的效率，也保證系統的實用性[2]。針對特裝底盤故障快速診斷能力培養的要求，系統需實現以下功能：

1) 正常工作過程學習。要排除故障，首先必須掌握正常工作與故障時的不同之處，系統應提供一個工作過程仿真學習的平臺。可以以三維仿真模式學習特裝底盤各部分的安裝位置、裝配連接關系、空間結構布局和工作原理。

2) 故障機理學習。要實現故障的快速診斷，必須深入了解掌握故障發生的機理、發展過程以及可能導致的后果，系統必須提供一個交互式的虛擬操作環境，讓用戶通過選擇植入故障，觀察植入故障后系統整體的變化進行學習。

3) 故障診斷。特裝底盤常見故障現象的診斷過程，診斷過程中考慮到一個故障現象對應多個可能原因，各個可能的原因之間在診斷過程中的邏輯關系。

4) 技術數據查詢。系統應具備特裝底盤維護保養要求，檢查調整規范以及預防故障發生的注意事項。用以指導故障診斷。例如制動蹄鼓間隙的要求值、制動踏板的自由行程值。

5) 開放的數據庫構架。特裝底盤設備非常復雜，其設備故障庫需要不斷的更新，因此構建一個開放的數據庫以實現系統內容的不斷更新,確保系統內容的準確性和完整性非常必要。

2系統總體設計思想

根據以上對系統需求的分析，確定系統的開發流程如圖1所示，一共分為7層：建模環境層、系統支撐層、模型層、模型轉換層、交互層、模塊層及用戶界面層[3]。

1) 建模環境層。主要任務是依據特裝底盤的實物、二維圖紙、機構運動以及零部件設計參數，使用3DSMax進行建模，并輸出為交互平臺能夠導入的中間格式(.nmo)文件。

2) 系統支撐層。主要任務是計算機各個硬件能夠支撐建模需求，具體來說就是可以保證3DSMax軟件流暢運行。

3) 模型層。模型層包括部件的基本信息、三維幾何模型、交互模型、狀態模型四部分。其中部件的基本信息包括部件的名稱、序號、隸屬關系等信息；三維幾何模型指特裝底盤的幾何外形；交互模型指需要完成故障診斷交互式操作的模型；狀態模型描述特裝底盤所處的工作狀態。

4) 模型轉換層。在模型轉換層實現模型導入交互設計軟件，并進行模型處理，處理包括模型優化、模型減面等。

5) 交互層。交互層完成模型的交互設計，虛擬故障診斷交互是整個系統的核心，系統采用Virtools作為三維交互引擎。3DSMax輸出的模型可以導入到Virtools中。虛擬故障診斷交互包含兩部分：一是故障機理演示，二是故障診斷流程交互式操作。故障機理演示部分實際上是通過用戶對不同的底盤部件植入故障，觀察故障的發生、發展過程以及導致的結果，其本質是單個部件狀態變化對其他部件以及整個系統工作狀態的影響。故障診斷流程交互式操作主要是為了指導用戶按照最優化的路徑進行故障診斷。

6) 模塊層。模塊層是指系統包含的功能模塊，根據需求分析，包括工作過程仿真、故障機理學習、故障診斷、技術數據查詢四部分。

7) 用戶界面層。用戶界面層主要工作是將已制作完成的各個模塊層功能進行組織處理，并直觀地反映出來。用戶界面層為用戶提供直觀的圖形交互接口，方便用戶訪問系統的各個功能模塊。

圖1　系統總體設計思想

3系統設計的實施

Virtools是一套具備豐富的互動行為模塊的實時3D環境虛擬實景編輯軟件。可以將現有的檔案格式整合在一起，如3D模型、2D圖形或者音頻文件等。可以制作出不同用途的3D產品，如交互式電視、仿真與產品展示、多媒體等。在Virtools環境下對3DSMax輸出的模型進行期望的行為編程，就能達到想要的交互或是展示。Virtools為開發者提供了大量的行為功能模塊，即BehaviorBlocks(簡稱BB)，每個BB中都封裝了行為功能函數，開發者只需要通過閱讀幫助文檔中的模塊功能介紹，掌握各個模塊的使用方法，即可按照自己的需要進行開發。開發者也可以通過VSL自己編制BB，并保存到Virtools的模塊庫中，這些自己編制的BB模塊就像軟件自帶的模塊一樣可以在腳本編程時調用。VSL是類似于C語言的編程語言，功能強大且易學[4]。

3.1建立系統所需模型

建模技術是將現實中的物體及其屬性轉化為計算機內部數據并呈現的途徑[5]。三維建模技術是該系統中的關鍵技術[6]。建模在整個系統建立中占的比重也相當大。整個建模過程包括：數據收集整理，繪制CAD圖，建立模型和模型美化[7]。

1) 數據收集整理。為了使模型尺寸精確，使模型看上去更加接近實際情況，必須要測量模型的實際尺寸，然后根據測得的實際尺寸按照一定的比例進行縮小。系統中使用的是3DSMax中的網格來標識建模尺寸。

2) 建立模型和模型美化。根據部件的尺寸數據，及部件的外形構造繪制CAD圖。建立三維模型的過程在3DSMax中完成，模型建立的過程遵循由大到小、由粗略到細致的原則，最后進行模型的美化，以達到實際想要的視覺效果。

以發動機為例，其三維實體模型如圖2所示。

圖2　發動機三維實體模型

3.2虛擬交互操作的實現

虛擬故障機理演示以及虛擬故障診斷是整個系統的核心，用戶也是通過虛擬交互式操作來達到學習熟練掌握故障診斷流程的目的。在三維交互引擎Virtools環境下完成虛擬交互操作，首先是模型的導入，然后利用BB模塊進行模型的行為編程，最后在Virtools中的發布模塊完成模型的發布。模型發布文件格式為(.vmo)。

在建立該系統所需的交互模型時常用的BB模塊及其功能見表1。在Virtools的作品中，場景包括三維場景和二維場景。三維場景用來放置三維環境和三維對象，二維場景主要用來放置控制按鈕，顯示信息等[8]。

在故障機理演示模塊，用戶要完成的是對故障的植入，同過系統菜單選擇相應的故障，進入虛擬環境后，通過鼠標點擊故障部件開始故障機理的演示。整個過程重要的是完成通過鼠標點擊對部件的選擇，然后發送信號到相應的動作部件進行動作。其流程如圖3所示。

圖3　故障機理模塊交互式操作流程

在故障診斷流程交互式操作模塊，需要在三維場景中展示出不同的故障現象。根據已有故障庫中常見的故障現象進行總結，得到需要完成的展示效果包括：冒白煙、冒黑煙、爆裂、斷開、燈亮、燈滅等。圖4是Virtools中白煙效果的腳本，其他不一一列舉。同時，需要在二維場景中添加文字作為故障診斷的指導。

需要指出的是在工作過程仿真等模塊有些動作需要演示，但不需要完成交互的，在3DSMax中完成該動作的設計相對簡單。當Virtools需要這些動作時，只需使用“PlayGlobalAnimation”腳本即可。比如制動系統工作過程仿真，油路、氣路的流動都是在3DSMax中完成的。其整體腳本如圖5所示。

表1　交互設計常用的 BB模塊及其功能

圖4　白煙效果腳本

圖5　制動系統工作過程仿真腳本

3.3建模及交互關鍵問題

1) 模型的面數問題。必須在保證模型與實際中相像的前提下，盡量減少面的使用，以使模型的線面數不至于過大[9]。這樣可以使模型文件不至于過大，在Virtools載入模型時，保證模型的真實度及載入速度[10]。在3DSMax中首先使用Optimize優化減面，對于模型面數太多而上述優化無法減面的情況使用Multires減面[11]。

2) 模型的比例的問題。協調所有模型的比例，縮小比例必須一致，才能保證模型整體具有真實感。

3) 模型的命名問題。3DSMax所輸出的模型命名時用全英文，不能出現漢字，這樣可以保證載入模型時不發生錯誤。在下文提到的Virtools輸出的交互文件存儲名稱也必須是英文。

4) 碰撞檢測。系統使用的三維實體運動模型，任何時刻、任何物體所占據的有限空間之間，不能發生彼此重疊現象，這就需要采用碰撞檢測技術。快速準確的碰撞檢測是提高系統真實感和沉浸感的重要因素。在Virtools中碰撞檢測主要是通過球形包圍盒法實現的。球形包圍盒法碰撞檢測的流程如圖6所示。

圖6　球形包圍盒碰撞檢測流程

5) 視點運動控制。視點運動控制是指用戶在使用系統進行交互時，在交互環境中改變視點的位置、方向、運動速度等的功能。視點運動控制主要依靠鍵盤、鼠標、窗體來實現。系統采用鍵盤控制三維空間6個自由度的移動，用鼠標滾輪控制視點旋轉和俯仰角度變化，借助窗體實現運動參數的設置。在Virtools中實現視點運動控制的腳本如圖7所示。

圖7　視點運動控制腳本

4系統的實現

系統涉及到的文件類型較多，單個vmo文件只能完成一個功能，為方便用戶在界面層完成整個系統的各項功能操作，需要在VisualStudio2005中的VB.Net平臺上利用各個軟件提供的接口進行系統的集成。在集成的過程中需要考慮交互文件需要在VB.Net調用VirtoolsWebPlayer控件才能顯示vmo文件。圖8是系統集成后工作過程仿真模塊中的制動系統工作過程仿真。

5結論

系統針對部隊訓練需要，利用虛擬現實技術，解決了傳統故障診斷教學對裝備大量需求的問題，滿足了訓練任務，節約了經費。虛擬現實技術在特裝底盤故障診斷中的使用，為特裝領域的故障診斷注入了活力，突破了以往教學在空間、設備方面的限制。對特裝故障診斷訓練發展具有重要意義。

圖8　制動系統工作過程仿真

參考文獻：

[1]鮑健.汽車故障診斷技術的現狀與發展趨勢[J].工業技術,2012,56(5):110-111.

[2]謝陽,張燕,李改紅.基于virtools的虛擬現實系統建模與優化[J].微處理機,2013,2(1):92-95.

[3]劉金林,曾凡明.基于CATIA/VIRTOOLS的艦船主動力裝置虛擬維修訓練技術研究[J].艦船科學技術,2008,30(6):140-142.

[4]傅招國,王天威,倪小鵬，等.基于Virtools的虛擬現實技術及在特種設備教學中的應用[J].計算機工程與科學,2012,34(6):97-100.

[5]降世婧.基于virtools的發動機虛擬裝配仿真軟件的研究與開發[D].長春:吉林大學,2013.

[6]胡榮寶.基于virtools的橋式起重機仿真訓練系統研究[D].杭州:浙江工業大學,2012.

[7]WangQH,LiJR.Interactivevisualizationofcomplexdynamicvirtualenvironmentsforindustrialassemblies[J].ComputersinIndustry,2006,57(4):366-377.

[8]LiJR,KhooP,TorB.Desktopvirtualrealityformaintenancetraining:anobjectorientedprototypesystem(V-REALISM)[J].ComputerinIndustry,2003,52(2):109-125.

[9]MinZeng.Applicationofvirtoolsinvirtualcampusroaming[J].AppliedMechanicsandMaterials,2013,384(4):2732-2735.

[10]方利偉.基于virtools的三維虛擬實驗室研究與實現[J].實驗技術與管理,2010,27(5):83-86.

[11]HuiLi,FangLiu.Researchinvirtualhomeroamingsystembasedonvirtools[J].AppliedMechanicsandMaterials,2013,347(5):2905-2909.

(責任編輯周江川)