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论文摘 要:如果将虚拟现实技术(VR)应用于装备维修训练,能使操作者通过虚拟模拟仿真训练得到操作真实设备的训练效果,同时不仅能减少使用、维修成本,而且不受场地和时间的限制。本文介绍了虚拟雷达维修训练的系统设计思路,以及总体结构、系统的组成和实现方法。
引 言
目前观通部队在装备保障方面还有很多缺陷,最主要的方面就是技师的维修能力不强,造成这个现象的主要原因就是技师的实践经验不多。由于雷达在运行时大部分都是高压,一不小心就很容易烧坏设备,所以技师的维修训练一般只能靠理论学习。因此迫切需要一个雷达维修的仿真模拟系统,用以解决技师的维修实际操作训练。
1、软件体系结构设计:为了满足维修时协同操作的要求,同时考虑到系统的扩展,所以选择使用HLA/RTL来构架该系统:HLA是为了将多个仿真应用集成起来而定义的一种软件体系结构。HLA能将多个小的计算机仿真系统联合成为一个大的仿真系统,同时还能帮助实现整个系统的扩展。HLA的核心思想就是通过互操作和重用,其显著特点是通过运行支撑环境HLA(High Level Architecture),提供通用的、相对独立的支撑服务程序,将仿真应用同底层的支撑环境分开。所以该系统采用HLA/RTI的框架,这样就可以很方便的对操作的技师数目进行增减,而且还可以减少机器负担。
2、数据结构设计:
现实中的雷达维修,应该是首先测量几个关键节点的数值,然后把这些数值跟正常时节点的数值进行比较,根据异常的节点数值来判断故障的,而雷达工作状态有两种:高压和低压。所以该系统的数据库应该有5个表,NorLoTable记录在低电压下无故障时各个节点的数据,ErLoTable记录在低电压下故障时数值改变的节点的数据,NorHiTable记录在高电压下无故障时各个节点的数据,ErLoTable记录在低电压下故障时数值改变的节点的数据,ErHiTable记录在高电压下故障时数值改变的节点的数据。ErPhTable记录的是故障名、故障的现象、故障序号。
3、维修训练模块设计:
1、查看节点功能的实现:再虚拟维修中,一个重要功能就是查看虚拟设备的运作情况,包括机器各个元件的电流电压等电气情况以及虚拟仪器的数据。在本系统的训练模块中,要能实现使用者可以通过鼠标点击查看虚拟雷达中各个关键节点在高压时或者低压时的数据。
2、碰撞检测功能的实现:
针对雷达机械部件大部分都是正方形,所以采用AABB ( axis- aligned bounding boxes)包围盒的算法,它的原理可概括为:每个物体的包围盒为长方体,长方体的面与坐标轴平行,然后将长方体投影到每个坐标袖上,得到一个区间:分别对三个坐标轴上所有物体的投影区间排序,只有当两个物体在三个坐标轴上的投影同时重叠时才有可能在空间发生碰撞。
3、装配时拾取的实现:
模型拾取有多种方法,如采用构造的装配树状结构模型,通过点击节点进行检索;采用名称或识别号进行检索;直接在三维装配环境中通过鼠标点击拾取物体模型。
使用鼠标点击来拾取物体是最简单、最直观的方法之一,同时考虑到雷达观通站装备传感手套不可能也不现实,所以这个系统使用鼠标点击的方法来实现拾取功能,其过程是通过获取鼠标在屏幕上的点击点,经屏幕坐标转换得到投影点,以视点为起点,经投影点构造一条垂直指向屏幕的射线,然后经投射变换、坐标变换获得一条位于模型空间的射线。由于所有模型都位于视锥之内,因而只需判断这条射线与场景中的哪些模型相交,经过选择即可获取所需模型。
4、评分功能的实现:维修的评分标准应该有4个:是否使用到高压、维修时更换部件数目是否大于标准数目、维修时间、维修不成功的次数。维修控制台管理员给出各项的加权值,从而可以实现评分功能。
4、故障诊断模块设计:
目前故障诊断的实现方法大体上有:基于专家系统的智能故障诊断技术、基于神经网络的智能故障诊断技术、基于模糊逻辑的诊断方法、基于故障树分析的诊断方法、基于事例推理诊断方法。
这些方法有自我学习能力,而且在故障案例库中的信息比较全面的前提下准确率很高,但是它们都要求在输入关键节点的信息(数值形式),这就要求技师在使用专家系统时,必须测量所有的故障案例库中关键节点的信息,而且输入不能是数值以外的信息,这就导致很多维修技师常用来判断故障的依据不能输入(比如某某器件过热、波形异常等),而且当需要添加新的关键节点的时候,那么要对整个故障案例库中的故障实例都添加该节点的数值,所以在扩展方面不是很好。
考虑到本系统的故障诊断模块只作为维修时的参考信息,以及本系统的数据存储形式,在这里采用最简单的数据表ErPhTable进行检索,匹配相似故障现象,然后列出所有的结果。维修人员可以输入几个故障的关键现象,然后通过模式匹配方法输出结果集。比如维修人员输入故障现象是“磁控管不工作”、“保险丝S1烧断”,那么搜索语句就是:
select FaultN from ErPhTable where Phenomena like ‘%磁控管不工作%’ and Phenomena like ‘%保险丝S1烧断%’
结 束 语
虚拟雷达维修系统是从系统工程的角度出发,采取虚拟现实技术、数据库、故障诊断、图形图像技术、仿真、多媒体技术等高科技手段,以武器装备的电气信息、维修流程和历史经验等数据为基础,建立起雷达维修的虚拟系统,实现雷达保障工作的训练和维修的信息化。经研究,该系统具有开发周期短,实用性强,可扩展性好、易维护、资源占用小的特点。
参考文献:
1.王剑, 陆国栋, 谭建荣 三维场景中图形对象的拾取方法 机械 2004
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3.刘玉海 某大型导弹武器系统虚拟维修系统 兵工学报 2004
4.陈雷,伊明,陈二雷 基于包围盒的碰撞检测算法研究 开发研究与设计技术 2007