车用内燃机AR检修系统开发与关键技术

徐 燕，吕 莉

(1.成都农业科技职业学院，成都 611130；2.四川工业科技学院，四川 德阳 618500)

0 引言

内燃机是一种热效率高、机动性好、使用方便的热力发动机，主要用于乘用汽车和商用汽车上，是保证汽车稳定、安全运行的重要条件。在汽车内燃机维修过程中，由于其结构较为复杂，在故障排除过程中仅仅依靠相关机械零件图纸材料无法实现内燃机真实场景的模拟与展示[1-3]，导致维修人员对内燃机结构认知和模型难以了解。在车用内燃机维修过程中，常出现如下主要问题。一是专业理论欠缺，认知不足。由于汽车种类较多，其装配的内燃机型号种类也存在一定的差异。即使汽车维修人员进行维修培训，后期在维修过程中也会存在因专业理论欠缺、实践不足等导致的维修问题。二是维修手段滞后，效率不高。汽车维修人员在进行内燃机维修前需要对各个结构有清晰的了解与认知，但是内燃机结构复杂，前期维修培训与维修手册操作流程等较为刻板，导致维修手段滞后，效率不高[4]。三是检修技术差异大，维修质量难控。车用内燃机较为昂贵，由于不同维修人员的经验和习惯存在较大的差异性，在操作实践过程中可能会因相关操作失误导致零件受损等问题，因此，在车用内燃机维修过程中会存在操作标准不一致，维修质量难把控等问题。

1 国内外研究现状

1.1 增强现实技术概念与意义

增强现实技术(AR)是在虚拟现实技术(VR)的基础上，融合数字技术、物理技术、计算机技术、电子信息技术和仿真技术，将虚拟现实与真实环境进行连接[5-7]，将现实环境中的内容进行突出显示，因此被称为“增强现实”。AR技术可以为用户提供一种更加直观、立体的视觉效果，甚至可以提供听觉技术。随着近年来计算机技术的快速发展及国家对高新技术产业的大力支持，增强现实技术(AR)也在各个行业中得到了广泛应用与发展。AR技术的应用优势如下。

1)AR技术属于一种高新技术，可以提高维修技术人员的知识学习兴趣。在车用内燃机维修过程中，可以实现对内燃机的拆卸演示、认知识别、装配演示等，可以为维修人员提供一种新的学习方式，改善了传统枯燥的教学操作模式。

2)能够提高教学环境，提升学习效率。在目前汽车维修专业的教学环境中，主要采用“教材+板书+PPT”进行书面讲解，课程枯燥无味，学生学习效率较低。将AR技术融入教学过程中，可以更加形象、立体地向学生展示丰富的教学内容，可以提高汽修专业学生的学习兴趣与学习效率。

3)降低维修成本与投入资金。传统汽车维修，企业维修人员在维修中或是职业院校学生在实训时由于相关操作失误，会导致零件受损、维修质量难控、维护成本高等问题，将AR技术融入可有效解决上述问题，降低维修成本与投入资金。

综上所述，AR技术在汽车维修中具有操作简单、认知性能强等应用优势，可以用于汽车维修企业对内燃机辅助维修及员工的职业培训、相关高校教学。

1.2 发展现状

AR技术可以将各类图像信息等资源整合，然后融入到现实环境中，并基于可视化技术呈现到用户面前，增强用户的真实体验感。AR技术起源于20世纪中期，由美国飞歌公司研发，创造出首个增强现实的系统，到20世纪末期逐渐实现商业化应用。后期，Magic Book将教学内容以动画和3D场景展示出来，可以通过特制的眼镜看到虚拟场景。

日本奈良科学院在2005年将AR技术用于塞班系统智能手机服务，墨尔本大学将AR技术应用到医学扫描中，可以直接扫描出人体骨骼与肌肉构造。相关研究预测，预计在2025年，AR技术将在Google、Apple、Facebook等三巨头的推动下，使用用户将达到35亿[8]。

我国AR技术的研究起步较晚，使用数量与应用范围与国外还存在一定的差距。但是，近年来，随着国家的支持与高度重视，我国在各个地区逐渐开展以AR技术和虚拟现实技术试验基地的建设与发展。如香港城市大学基于AR技术将古物，如壁画等展示给观众，解决了由于壁画脆弱而导致人员无法直接参观的问题。华中师范大学将AR技术应用到生物教学中，更加直观地展示复杂的人体结构。目前，AR技术在工业生产中也得到了广泛应用，解决了工业产品中由于装配工序较多导致操作失误等问题，基于AR技术，维修人员可以实时根据AR画面指引进行标准化维修与操作，提高工作效率。

2 基本结构与关键技术研究

2.1 整体思想

本研究主要是解决车用内燃机维修中出现的难题。首先是可以进行辅助教学、企业培训，提高学生、员工的理论知识，其次可以在维修人员进行内燃机维修过程中和学生学习实训中，实现辅助维修的作用。

2.2 系统要求

车用内燃机AR检修系统主要分为3个技术模块，既理论认知模块、拆装教学模块和检修演示模块，如图1所示。

图1 AR系统整体组成结构示意图

2.2.1 理论认知模块

用户可以对车用内燃机相关结构进行全面分析与介绍。

2.2.2 拆装教学模块

对车用内燃机关键部件，如曲柄连杆机构、润滑系统、燃油供给系统等进行系统介绍，同时可以生动展示各个模块的拆解与安装过程，效果生动形象。

2.2.3 检修展示模块

在实现上述功能的基础上，可以对车用内燃机常见故障与故障排除方法进行详细展示，并根据实际问题提出合理的解决方案，达到汽车维修过程中的辅助维修目的。

2.3 系统开发工具

2.3.1 系统建模软件

车用内燃机建模软件主要包括UG、Solid Works、3D Max等技术。可以对车用内燃机进行1∶1建模。

2.3.2 系统开发工具选择

完成AR检修系统中场景编辑、脚本编辑和文件转化等，实现数据交换、场景协调整合及三维数据管理等功能。

2.4 显示设备

AR系统中重点为虚拟场景的生成区，通过计算机建模在生成区进行场景展示，然后进行场景渲染，进而实现虚拟与现实的结合。

3 车用内燃机AR系统研究

本研究主要以安卓手机系统为移动终端，实现对车用内燃机的检修与结构认知，可以对车用内燃机拆解过程、维修原理和装配技术等进行可视化展示，实现内燃机检修，如图2所示。主要实现以下三个功能：一是通过扫描展示内燃机简图，实现对整体结构的认知。二是通过手机对内燃机某一部分进行扫描时，可以展示立体效果，分解拆装步骤；对工量具进行扫描时，可以展示其功能及使用方法。三是通过人机交互窗口实现对车用内燃机整体结构的认知与辅助检修模块的使用。

图2 系统整体结构组成

在车用内燃机AR检修系统使用过程中，首先可以实现对车用内燃机的结构学习，还可以在车用内燃机维修中进行工量具使用、零件拆装步骤参考与自主操作。用手机扫描相关目标图片后，手机屏幕就可以展示目标模型，并通过人机交互实现实时交流，用户可以通过手机屏幕上各个功能模块的扫描，点击以缩放、旋转方式实现结构认知，动图、视频原理展示，拆装和检修步骤提醒，故障实例展示等功能。

4 结语

本研究以车用内燃机维修为研究对象，使用三维建模软件和Unity3D为主要开放平台建立内燃机AR检修系统。通过对车用内燃机AR检修系统关键技术和结构进行系统论述。研究结果可以实现辅助维修、企业培训及教学，对于推动汽车维修行业的发展具有重要意义，对于提升车用内燃机维修效率提供技术参考。未来还应该进一步完善汽车发动机建模细节，扩大汽车发动机故障检修内容。