基于PostEngineer的惯性平台维修培训仿真系统研究

◆胡伟 朱敏

基于PostEngineer的惯性平台维修培训仿真系统研究

◆胡伟 朱敏

（中国人民解放军第5720工厂 安徽 241007）

航空装备维修对产品维修技术开发和维修操作技能要求高，人员能力培养成本高、周期长、难度大。本文基于PostEngineer开发某惯性平台维修培训仿真系统，经实际应用与统计分析，该平台覆盖产品组件的原理学习和实操训练，与传统教学手段相比，学员对产品维修知识点掌握全面，培训周期短，为用户提供了直观、逼真的维修训练环境。

PostEngineer；培训系统；虚拟仿真；惯性平台

装备维修是部队战斗力保障的重要组成部分，随着装备设计和制造技术的发展，大量新技术、新工艺应用于装备设计和制造，装备维修也随之遇到新的难度和挑战，美军装备维护手册提出：“维修工程师可以进入到虚拟环境中，对虚拟产品进行维修，部件的可达性、部件分配空间的合理性以及完成特定维修任务所需时间等信息均可借助虚拟技术进行评估”，为虚拟现实技术（Virtural Reality，以下简称VR）在装备维修领域的应用指明了方向[1-2]。

惯性导航系统是飞机重要的传感器设备，能提供飞行状态下的加速度、速度、位置、姿态、航向等数据信息。该系统内部组件结构复杂、器件精密度高、装配衔接要求精细，使得培养该型惯导修理人员成本、周期及难度大大增加。

PostEngineer开发软件（以下简称“PE”）是三维交互式可视化系统的虚拟现实开发平台，内嵌可扩展的对象库[3-4]。可实现产品全生命周期的可视化数据展现、交互培训、虚拟监控、售后使用及维修指导等。

通过PE虚拟仿真技术完成某型惯性导航平台组件培训系统的设计和开发，分模块实现产品原理教学、维修实操训练的三维虚拟建模和交互，可以为受训人员提供直观、逼真的训练环境，有效提高惯导修理人员培养效率，降低培养成本[5]。

1 PE虚拟仿真平台

1.1 虚拟仿真平台特点

PE虚拟仿真平台具有完全自主知识产权，可提供代码级信息安全和技术保障。其基于结构化脚本语言的二次开发模式，方便实现复杂的控制逻辑；基于OpenGL图形库开发，支持多种CAD文件接口；可实现大数据处理，完成多维信息的集成和显示；实时交互，实现自动考核评估；软硬件结合，实现虚拟设备和硬件的双向驱动[6]。

1.2 虚拟仿真平台架构

PE开发过程主要分为两部分：动画制作和交互设计。动画制作指通过PE动画编辑器创建三维模型的运动及特殊效果动画，交互设计是指用户与虚拟系统之间的交互方式。PE以面向对象的形式开发，用户通过定义各种对象以及对象间的关系构造复杂虚拟交互系统。

2 基于PE软件的系统功能和方案

2.1 系统功能分析

系统主要包括教学演示以及训练两个基本功能，根据产品结构划分为外滚环、俯仰环、内滚环以及方位环等四个部分，分别从拆分和安装两个角度进行设计与实现。

借用PE虚拟仿真开发平台的物理引擎，进行惯性平台装配部件之间的实时碰撞检测，可实现数字模型的虚拟装配评估，减少实际产品评估带来的制造修理成本和周期。

2.2 系统功能架构设计

根据培训系统功能的需求，整个培训系统分为讲解和训练两个主模块，在主模块下分别设置拆卸和安装子模块，在子模块下设置环架、方位分解及安装，如图1所示。

基于PE的项目开发过程主要是三维模型的建立、平面图的设计、专业资料的整理和软件的设计等，如图2所示。

3 培训平台设计过程

某产品培训平台的设计按照产品螺钉建模、装配调整成型、产品上色、基础动画制作、讲解动画及声音、训练及交互设计等过程进行，其过程如图3所示。

图1 系统功能架构框图

图2 项目开发流程框图

图3 培训平台设计过程

3.1 产品、螺钉建模

培训平台设计的第一步为产品及螺钉的建模，由于本系统产品结构复杂，精度高，选用CATIA软件进行模型建立。CATIA模型注重模型的几何准确性和精确度，能提高VR场景中的训练要求，产品建模完毕后如图4所示。

3.2 装配调整成型

产品和螺钉建模完毕后，要进行装配调整成型，包括方位环装配调整、内倾斜框与方位环装配、外滚环及内部装配，由于产品结构复杂，部分数据难以测量准确，所以要根据其模型误差进行反复调整。待调整合理后最后加上螺钉逐个装配，最后就完成产品的整体装配调整。装配成型后的产品如图5所示。

图4 产品建模

图5 产品装配成型

3.3 产品上色

由于CATIA模型不对产品材质纹理进行设置，为使创建的三维模型逼真，将模型导入到3DS MAX软件后，通过表面贴图的方式对模型进行渲染着色。

渲染完成后将模型通过交互接口导入到PE虚拟现实设计软件中进行场景仿真制作，对模型材质、纹理、透明度等进行修改。产品上色后如图6所示。

图6 产品上色

3.4 基础动画制作

模型导入PE虚拟现实设计软件后，首先对模型节点分组固化。分解、安装等动画实现的基础就是产品节点的完整建立。

完成产品色彩节点调整后，进行动画制作，进行PE模型的初步处理，初始化动画背景按钮制作以及初始化动画制作，完成基础动画的制作。

3.5 讲解动画及声音

根据系统功能需求建立各模块，在各模块下首先分组制作基础分解动画，安装动画可利用分解动画的反向动画完成。在基础分解动画制作完成后，利用基础动画添加相机变化、文字语音解说等制作复合动画。讲解动画即是利用复合动画进行衔接完成。

3.6 训练及交互设计

完成拆卸训练动画、装配训练动画等，添加按钮界面，对整体进行梳理修改，完成培训平台的开发。

训练模块需要对模型进行交互设置以完成人机互动功能，主要采用控制点以及触发器。控制点是通过对单个部件的操作引发动画执行，主要使用在分解模块中；触发器是通过鼠标依次点击两个部件来触发动画的运行，主要运用在安装模块中。

对于整体界面的完善制作，主要包括添加界面、背景、按钮等。在此过程中，需注意各按钮内要添加模块初始化动画。

4 虚拟培训平台实现

4.1 教学模块

用户进入教学模块，可选择拆分讲解动画、装配讲解动画。拆卸模块又按分解顺序划分为模块拆卸、台体拆卸、外三环拆卸，装配模块为拆分逆过程，学员可自主分阶段进行学习。图7为拆分讲解动画效果图。

图7 拆分讲解界面

4.2 训练模块

训练模式布局同教学模块，拆卸安装互为逆过程。用户进入训练模式，可使用显示系统生成的虚拟动作，来完成与数字虚拟样件的装配和分解交互，系统依据用户操作步骤进行判断，并给予提示（如图3所示）。基于该模块，对学员进行装配、分解等方面的虚拟培训，减少物理调教试验。图8为训练台分解效果图，图9为训练台体装配效果图。

图8 台体分解界面

图9 台体装配界面

5 结语

基于PostEngineer技术开发的某型惯性平台组件维修培训仿真平台，具有基于产品的丰富表现元素、直观的表现方式、人性化的训练模式和便捷的可修改扩充体验等特点，能有效缩短培训周期、减少设备损耗、规避事故隐患，交互功能体现用户个性需求。将虚拟维修应用平台引入理论教学中，可以有效推进航修培训方法和手段的进步，使培训内容形象、真实。本文所开发的惯性平台维修培训系统，可为下一步航空修理产业提供经验和相关技术支持。

[1]MIL-HDBK-470，Designing and Developing Maintainable Products and Systems，Department of Defense Handbook [S].August 1997.

[2]杨宇航，苏曼迪，乔辉.复杂装备维修训练通用仿真系统[J].系统仿真学报，2008，20（11）：2885-2892.

[3]郭叔伟，孙岩，丁祥. 基于虚拟现实技术的飞行教学系统设计和应用研究[J].装备制造技术，2016（9）：202-204.

[4]周来，郑丹力，顾宏斌，等. 虚拟现实飞行模拟训练中的视觉交互技术研究[J].航空学报，2013，34（10）：2391-2401.

[5]PostEngineer开发手册.武汉创景可视.

[6]李昂，宗磊.基于PostEngineer虚拟仿真平台的舰艇导航装备虚拟保障研究[J].舰船电子工程，2016，（9）：66-69.