基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的車輛裝備快速維修研究

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的車輛裝備快速維修研究

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和成熟，武警車輛的裝備越來越復(fù)雜，價格越來越高。維修費用越來越高，對設(shè)備維護的要求也越來越高。在處突反恐中應(yīng)用的許多車輛裝備,如防彈運兵車、排爆車、高壓水炮車、偵察車等也面臨同樣的問題。傳統(tǒng)模擬真實產(chǎn)品的維修過程已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代高速信息化武警部隊處突、反恐的要求。用什么手段與方法來替代實際車輛裝備進行維修,成為武警部隊研究的一個重要課題。因此,以計算機技術(shù)為基礎(chǔ),以虛擬現(xiàn)實技術(shù)為依托的虛擬維修技術(shù)便應(yīng)運而生了。1虛擬維修技術(shù)的應(yīng)用,可以提高車輛維修人員的素質(zhì)和效率武警部隊養(yǎng)兵千日,用兵千日,而裝備猶如一個人的四肢尤為重要。當(dāng)前,武警部隊的信息化、智能化、精確化的高技術(shù)裝備正在逐步壯大,特別是車輛裝備,而車輛裝備的戰(zhàn)損率卻明顯增大,其維修保障的難度也在加大,面對戰(zhàn)場的瞬息萬變,要想圓滿順利完成任務(wù),就必須有一支能夠提供快速、準確、高效的維修保障分隊。但高效的維修保障需要平時大量的訓(xùn)練和對車輛裝備的實際操作,因而大量的人力、物力和財力將會消耗,這些做法對部隊長足發(fā)展是很不利的。建設(shè)一支信息化的維修分隊,需要一大批高素質(zhì)知識型的維修人才,隨著裝備復(fù)雜程度的增大,傳統(tǒng)模式的低效率與長周期已不能滿足當(dāng)前建設(shè)現(xiàn)代化軍隊與處突反恐的需要。虛擬快速維修系統(tǒng)從理論上找出車輛裝備維修管理方案上的缺陷,對修理工作量預(yù)先計算、配置的修理人員、所需的配件、主要拆卸工具運用以及修理費用估算,在處突反恐前就該考慮的影響維修作業(yè)的相關(guān)因素;在平時訓(xùn)練中可用開展分布交互式訓(xùn)練、模擬浸沒式訓(xùn)練等新的訓(xùn)練方法來培訓(xùn)維修分隊進技能,提高維修人員的技術(shù)水平,包括維修人才培養(yǎng)速度與訓(xùn)練質(zhì)量;通過武警部隊大規(guī)模維修訓(xùn)練的虛擬現(xiàn)實仿真,讓指揮員在戰(zhàn)前就能看到實施有效的維修方案,對原維修計劃的不足進行改進,做出定量評價結(jié)論,同時也推廣部隊維修的綠色理念,使維修作業(yè)過程更加明朗,使維修人員的安全保障達到更高層次,使維修指揮決策由經(jīng)驗型邁向科學(xué)型。通過實踐論證,采用虛擬維修技術(shù)可以至少實現(xiàn)以下效益:(1)維修人員更能“看得清”車輛裝備的特征參數(shù)及其結(jié)構(gòu),維修特性分析更加形象、逼真和準確;(2)使維修技術(shù)趨于標(biāo)準化,避免主觀上的影響;(3)改善了車輛裝備設(shè)計人員、使用人員以及維修人員之間的信息溝通;(4)省略實物模型的構(gòu)件以及降低全壽命費用;(5)提高車輛裝備的完好性;(6)縮短研制周期。2虛擬維護的主要技術(shù)2.1裝拆過程需要的裝配設(shè)計數(shù)據(jù)裝備維修與裝備本身的參數(shù)密切相關(guān),而一般的裝備CAD數(shù)據(jù)中缺少虛擬維修需要的維修特征數(shù)據(jù),如維修拆裝過程需要有裝配設(shè)計數(shù)據(jù),零部件裝拆要周圍空間和本身特征參數(shù)。為了充分利用設(shè)計、制造過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù),必須解決這些信息的描述、集成,并圍繞支持虛擬維修仿真、維修性分析評價、維修規(guī)程生成建立一個集成的信息模塊,以方便虛擬維修仿真的開發(fā)與分析應(yīng)用。2.2cad數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換編碼設(shè)計虛擬維修樣機既是維修仿真的操作對象,也是維修性分析的對象。虛擬維修樣機既需要保證與實際裝備在外形上保持高度的相似性與一致性,同時又必須為維修仿真提供適量且充足的信息。為了實現(xiàn)這些目標(biāo),必須解決CAD設(shè)計數(shù)據(jù)的有效利用、幾何數(shù)據(jù)規(guī)模的合理控制、維修過程中零部件行為的描述以及仿真過程中樣機狀態(tài)的管理等問題。例如講一個3DX格式的榔頭模型轉(zhuǎn)化為VRML格式,然后再將此格式導(dǎo)入到虛擬環(huán)境中,這時場景中的三角面片數(shù)高達4萬多個,對仿真的實時性要求很難滿足,由此可知必須將CAD中給出樣機數(shù)據(jù)處理后再導(dǎo)入到虛擬維修場景中,而如何保證不丟失必要信息的條件下轉(zhuǎn)換不同的數(shù)據(jù),還有待進一步完善。如圖1所示虛擬維修樣機的建模過程。2.3人體建模與仿真虛擬維修仿真的最大特點在于真實描述和表現(xiàn)人在維修過程中與產(chǎn)品、工具、甚至環(huán)境的交互作用。人體建模與仿真是虛擬維修的一項基礎(chǔ)關(guān)鍵技術(shù),不僅包括形體建模,而且包括動作與動作建模,以及人體模型變形等。因此,建立的人體模型不僅需要符合人體測量學(xué)的要求,還要符合人體運動學(xué)、生物學(xué)的特征,而且一個人體動作的動畫過程一般需要進行很煩瑣的姿態(tài)調(diào)整,這些問題都亟待解決。2.4基于體驗的仿真具有全面仿真的經(jīng)濟性虛擬維修仿真技術(shù)包括裝備裝拆仿真技術(shù)、裝備故障模擬以及檢測仿真技術(shù)。虛擬維修仿真技術(shù)可以在計算機上提供一個實時、三維的虛擬環(huán)境,通過視覺、聽覺、觸覺等效果,隨著參與者的動作而變化場景,能夠全面逼真地反映現(xiàn)實的維修和技術(shù)保障的環(huán)境及其實現(xiàn)過程,使人獲得身臨其境的感覺,此外還必須考慮仿真的經(jīng)濟性。根據(jù)虛擬維修仿真環(huán)境的配置,可以分為沉浸式虛擬維修仿真技術(shù)和沉浸式虛擬維修仿真技術(shù),而非沉浸式虛擬維修仿真技術(shù)根據(jù)實現(xiàn)途徑又可分為基于空間狀態(tài)規(guī)定的仿真技術(shù)和基于反向運動的仿真技術(shù)。虛擬維修仿真技術(shù)中,多人協(xié)同作業(yè)仿真技術(shù)、碰撞規(guī)避與路徑規(guī)劃技術(shù)、故障模擬技術(shù)又是難點,需要突破。2.5備虛擬樣機維修過程仿真建立基于“綠色維修”的技術(shù)經(jīng)濟新指標(biāo)和成本效益分析評價模型,它是以裝備虛擬樣機的維修過程仿真為基礎(chǔ),以裝備的維修性設(shè)計要求(定性、定量)為依據(jù),對產(chǎn)品維修性進行分析、評價、發(fā)現(xiàn)存在問題的一個過程。主要包括數(shù)據(jù)獲取、維修障礙確認、維修障礙分析、維修性評價?；舅悸啡鐖D2所示。3虛擬維護技術(shù)在軍事車輛上的安裝和維護中3.1虛擬維修系統(tǒng)對于復(fù)雜的系統(tǒng)而言,了解其體系結(jié)構(gòu)非常重要,“裝備虛擬維修系統(tǒng)”是虛擬現(xiàn)實技術(shù)在裝備維修中的應(yīng)用,是一個讓人身臨其境的維修輔助系統(tǒng),是一個在原有裝備未進行實際操作之前的演練。它突破了空間、時間的限制,可以實現(xiàn)逼真的裝備裝配、故障維修操作,提取任何關(guān)于裝備的基本數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù),檢驗裝備性能。維修人員通過對裝備部件各項參數(shù)的了解,及外形、光澤、聲音、溫度等外在參數(shù),認識裝備存在故障原因,進而進行檢修,使車輛性能快速恢復(fù),迅速投入戰(zhàn)斗。在虛擬維修系統(tǒng)中,可以創(chuàng)造出一個逼真的維修訓(xùn)練環(huán)境,使維修人員身臨其境地操作裝備。同時在開發(fā)產(chǎn)品初期,引入多種故障設(shè)置以及評估系統(tǒng),通過訓(xùn)練、考核,提高維修人員的維修技術(shù),快速掌握新式裝備的維修方法。一般來說,虛擬維修系統(tǒng)可以采用如圖3所示結(jié)構(gòu)。3.2基于主機的配置從武警部隊車輛裝備維修實際來看,維修過程重點是:先找出故障部位,分析故障原因,確定故障類型,拆下故障部件并予以簡單維修或者更換,其實質(zhì)就是一個拆卸、維修、再裝配過程。而虛擬現(xiàn)實技術(shù)的建模語言VRML(VirtualRealityModelingLanguage)及特定的Java編程環(huán)境,就是一個拆卸、維修、裝配以及功能模擬的環(huán)境,使CAD與管理數(shù)據(jù)庫在同一地址空間內(nèi)運行,利用虛擬環(huán)境生成和輸出、人機交互模塊、維修任務(wù)控制模塊、虛擬樣機及工具行為,狀態(tài)控制模塊進行操作,實現(xiàn)維修拆裝序列的智能生成,完成快速維修的模擬過程,最后將此過程運用到實際維修當(dāng)中,完成維修任務(wù)。虛擬維修技術(shù)流程圖如圖4所示。4部隊虛擬維修技術(shù)應(yīng)用建議虛擬維修作為一門新穎并且充滿生命力的技術(shù),它的應(yīng)用研究已經(jīng)引起越來越多國家的關(guān)注。武警部隊對于虛擬維修技術(shù)在車輛裝備維修領(lǐng)域的研究還處于初級階段,應(yīng)該認真吸取發(fā)達國家虛擬維修技術(shù)的先進經(jīng)驗,創(chuàng)造出一條集維修、裝配和功能模擬與一身,具有實時交互性和沉浸感的適合武警部隊車輛裝備維修的虛擬化之路。針對當(dāng)前其研究和應(yīng)用特點,對武警部隊虛擬維修技術(shù)研究與應(yīng)用工作給出以下建議:1)快速有效地引入虛擬維修技術(shù)到武警部隊車輛維修中,降低維修費用,提高維修效益。2)選擇一個應(yīng)用范圍廣、發(fā)展?jié)摿Υ蟮拈_發(fā)平臺、時代性強、經(jīng)濟實用的