2.6.3.1　坦克装甲车辆虚拟设计定义

坦克装甲车辆是具有火力、机动、防护、信息功能的复杂武器系统，其设计过程涉及机、电、液、光等多学科技术，并且战术技术性能要求多。一个坦克装甲车辆设计方案的产生，不仅需要协调各种性能之间、总体布置以及各分系统之间结构的冲突，还要解决性能先进性与生产可能性的矛盾。因此，坦克装甲车辆的设计一方面要以作战效能为目的，对各个分系统进行系统分析和建模，对系统整体火力及火力机动性能、机动性能、防护性能、电子信息系能及使用维修性能等进行论证和优化；另一方面，在性能优化的同时，要综合考虑系统及各分系统的成本、质量、工艺性及可操作性等。由于技术要求的综合性以及结构复杂性，坦克装甲车辆的研制设计过程是一个研究、创新的过程，通常情况下，坦克装甲车辆的设计定型和生产定型需要一段很漫长的时间，从而可能导致坦克装甲车辆装备部队时性能水平已经落后。因此，坦克装甲车辆的设计必须在可行性和研制周期允许的前提下追求先进性，一方面面向未来战争需求，积极采用新技术成果，保证坦克装甲车辆具有先进的技术水平与较长的使用周期；另一方面充分考虑已有的研究成果、手段和能力，使坦克装甲车辆结构合理、使用可靠，具有良好的效费比。总之，坦克装甲车辆设计必须满足新时期军事需求，适合我军的作战特点以及战场特殊的地理与气候条件，正确处理火力、机动及防护性能间的关系以及系统与分系统之间的关系。

在上述设计原则的基础上开展坦克装甲车辆设计工作，其核心工作主要包括两个部分，一部分是总体方案的论证设计，基于军事需求、战略和战术观点等各个方面调研战术技术指标等研制依据，完成对总体设计方案的论证；另一部分是总体方案的工程设计，包括对总体方案装配过程、试验过程、维修过程、生产定型过程等工程方面进行优化和验证。

总之，现代坦克装甲车辆设计是一个多学科协同、反复迭代、逐次逼近的过程。在现代坦克装甲车辆设计中，论证和方案阶段虽然只占总研制工作量或费用的20%～30%，但对坦克装甲车辆设计方案的技术可行程度却占70%～80%。坦克装甲车辆这种高科技武器，其机构复杂，组成零部件多有上万个，这使得在方案设计阶段的坦克装甲车辆总体布置不仅工作量大，而且受到结构空间的限制和多学科耦合的影响，在根据舒适性和经济性要求保证乘员活动空间后，还要保证动力传动装置的整体吊装的实现，弹药、燃料和润滑油的数量、火炮俯仰角的要求。同时，总体布置中还要考虑可装配性，车内部件维修的方便性、易拆性和可达性等要求。

为避免设计缺陷向下游传递，尽早发现设计缺陷就显得十分重要和迫切。

坦克装甲车辆的设计水平既决定车辆产品的综合作战效能，还会影响武器装备协同作战平台的运行。从上述坦克装甲车辆设计的瓶颈可以看出，坦克装甲车辆设计优化的本质是尽可能在设计初期提高方案的可靠性与实用性。随着未来战争信息化程度越来越高，作战任务越来越复杂，坦克装甲车辆设计也将越来越复杂，设计的可靠性与实用性的要求也越来越高。目前，国内外飞机设计制造企业广泛应用虚拟现实和数字化装配技术，从而在设计阶段及时地发现产品装配、系统布置等方面存在的问题，尽可能地避免设计缺陷。鉴于坦克装甲车辆设计团队多年运用三维计算机软件（主要是Pro/E 和SolidWorks）进行产品设计的经验并形成了大量CAD、CAE 等数据，虚拟现实应用于装甲车辆设计过程是可行的，它不仅可以为设计人员创造更为自由的工作环境，而且从根本上对坦克装甲车辆的设计理论和原则进行了创新，因此，我们将研究重点放在了基于虚拟现实的坦克装甲车辆设计技术。

坦克装甲车辆虚拟设计的概念内涵可以表述为：坦克装甲车辆虚拟设计是坦克装甲车辆实际设计过程在计算机上的本质体现，它以虚拟现实为技术基础，面向坦克装甲车辆综合性能优化任务，采用协同并行的工作模式，实现总体方案论证、装配过程的分析与验证、维修过程的分析与验证、人机交互的规划与设计等车辆设计的本质过程，完成坦克装甲车辆设计各个阶段的优化过程，以达到坦克装甲车辆整体效能大幅提高，系统各层次决策和控制能力大幅增强的目的。

2.6.3.2　坦克装甲车辆设计面临的问题

目前，车辆工程领域已经普遍采用了CAD 等工具及PDM 系统进行设计以及数据管理工作，但设计过程与工艺、制造包括最终用户一直缺乏良好的协同手段，导致设计与制造环节相互割裂，无法实现良好的并行工作模式。同时，对于装配过程分析验证、柔性线缆规划及安装等方面，目前仍然主要依靠设计和工艺人员的经验完成规划及设计过程，由于缺乏有效的辅助手段，大多数问题只能在样机生产安装阶段才能暴露出来，对生产成本及周期均造成不利影响。

随着用户方对产品质量、交付周期等的要求越来越严格，必须打破设计与工艺、制造部门间的技术隔离现象，加强设计部门与制造单位的协同能力，实时交互，并行开展工作，才能更好地在设计过程中尽早地发现在后续工艺、生产制造中可能存在的问题，减少错误，避免大规模的设计变更及返工。

目前，国内工程车辆工程领域在产品设计过程中面临若干问题，主要包括以下几个方面。

1.人机工效分析的迫切需求

人机工效分析是产品研制过程中亟待解决的问题。在产品使用、制造、装配和维修、维护过程中，除了关注产品本身及其周围的环境外，还需要考虑操作行为的实际实施者——人的工效问题。不合理的设计方案和工艺规划中，人的可视性、可达性无法保障，舒适性差，制造装配和维修效率的提升空间也会被压缩。

使用过程中的人机工效分析主要考虑驾驶人员的舒适和操作方便，以确保驾驶过程人员的舒适性、对操控系统的可视可达性以及操作便捷性。生产及维修维护过程中的人机工效分析将主要考虑生产人员的安全和操作方便，以确保生产安全、减轻操作人员负担、改善装配和检测的可达性。

2.电缆虚拟设计、装配的迫切需求

电缆是产品中至关重要的一部分，也是费用最高的零部件之一。电缆的布线规划和装配质量是影响整个产品质量的重要因素。由于电缆种类繁多，形态复杂，装配空间小，因此在实际的装配和维修维护过程中极易造成干涉破坏、错装、漏装、布局不合理等现象。解决装配和维修维护过程中的柔性部件安装与操作问题是解决产品质量问题和装配、维修维护性能的关键。

通过采用具有物理属性的可视化虚拟现实技术及并行工程的方法，即可构建用于电缆设计者的协同决策环境，实时显示电缆布线效果并可对多种设计方案进行比较，实时进行电缆的装配和维修维护设计，实现了虚拟环境下的电缆操作。对电缆进行虚拟设计、虚拟装配、虚拟维修维护以及指导并验证电缆成型工装设计可以减少物理模型制作、缩短规划周期、降低维修维护成本、提高操作人员的培训速度及产品可靠性。

3.提升装配工艺的分析及验证能力

可装配性及难度分析：在设计过程中及时进行可装配性及难度分析，是当今制造领域越来越重视的问题。而目前对于可装配性及难度分析更多地需要依赖实物样机进行，使用企业现有的CAD 等软件只能使工艺及制造部门对产品的设计有基本了解，对于可能存在装配性问题及可能存在较大装配难度的环节，并没有良好的手段可以更直观地了解及进行尝试验证。虚拟现实技术可以以真实的人际交互模式、难度反映产品装配中操作的难易程度，按每一个装配事件完成过程中发生的装配障碍的妨碍度类别及该障碍对应因素的影响权重进一步展开量化评价。由于影响装配单元层拆装难度的因素众多，在此应用环节中将细化评价产品的重点部位及零部件的可装配性。

（1）装配序列规划探索：装配序列规划是虚拟装配过程中的重要环节，它是在虚拟装配建模的基础上，对零部件的装配序列进行推理，为下一步实现产品装配过程仿真提供基础。产品中零件之间的几何关系、物理结构以及功能特性等决定了零件装配的先后顺序，所有零件的装配序列形成产品的装配序列规划。由于装配序列规划中所涉及零部件数量多，因此需要多次尝试探索才能确定最快捷、合理的装配序列及路径。通过基于虚拟样机的实时人机交互过程，可以很好地解决装配序列规划问题，减少规划的决策时间，提高规划的效率和准确性。

（2）装配路径规划验证：装配路径规划主要是构成装配路径和寻找最佳运动轨迹，装配路径规划一般以避障、满足作业需要、提高运行精度和减少装配时间等内容为主要目的，在机器人装配控制和机械产品非线性装配等方面应用较广。特别是对于狭小空间中零部件的装配路径规划，更需要生成更加平滑、可行、真实的装配路径。通过沉浸式虚拟维修系统可对关键部件的装配路径规划进行人机交互式的探索与验证，更真实地体现操作人员的操作感受，减少装配路径规划与实际装配过程操作方式的差距。

4.实现可视化工艺信息的输出

目前，对于生产人员一般通过装配工艺卡片了解装配工序及技术要求。由于产品结构复杂，装配空间狭小，因此对于装配顺序及装配方法均有更严格的要求。所以，在系统进行了装配工艺验证后，需要系统能够输出正确的装配视频指导文件（装配仿真动画），以方便生产人员在装配现场能够清晰、直观地查看产品的装配过程及装配要求，以指导现场装配。

2.6.3.3　仿真分析方法及流程

根据上述设计中常见问题，基于沉浸式虚拟现实系统，以及产品研发管理的不同阶段，制定了针对设计及工艺、制造及维修维护协同的具体业务流程。

1.人机工效分析流程

人机工效分析主要流程（图2-62）及方法描述如下：

图2-62　设计过程的人机工效分析

在产品设计的不同阶段，将数据模型导入仿真平台，根据人体模型库创建假人模型。创建人体模型可对假人的性别、年龄、年代、正态分布百分位、采用的正态分布数据库等进行设定，同时可对假人的姿态进行交互式调整。此外，支持定制自有的假人模型。对交互过程中的人机工效进行可视化显示。

利用虚拟现实技术，实时地将人1 ∶1 投射到虚拟产品当中，通过人员的多重视锥和可达区域对人与产品的多种交互进行仿真，在数字模型样机中验证操作人的环境干涉，操作区域干涉（即可通过性），操作者的可视性、可达性、舒适性，也可以实时验证包含工具、工装等实际工况下操作的可行性，以及使操作者获得更真实的肢体感受，如图2-63所示。同时，可以改变假人模型的尺寸，针对不同身材人的特点进行分析，以满足军方不断严格的设计任务要求。同时，在产品研发不同阶段，可实现对使用及制造、装配、维修维护过程中人机工效问题尽早的预知，并提供更合理的设计及制造维护规划方案，同时对特定部门的实施人员提出要求，指导人员及设备的配置，从而获得更合理的规划方案。

图2-63　设计过程人机功效实例

2.线缆虚拟设计、装配仿真流程

可视化设计制造协同应用系统在线缆工艺设计中的应用规划，主要涉及软件桌面环境。在以下的每个环节中，都将使用系统的全部模块功能。其中，主要流程（图2-64）及方法描述如下：

将数据模型导入仿真平台，基于线缆属性数据库创建柔性线缆。结合可视化设计制造协同应用平台开展重点部位的空间干涉情况、可装配性、维修维护性以及运动学分析验证后，将Pro/E 实体模型及3D 可视化模型在PDM 系统中进行发布，以便工艺人员进行线缆工艺规划及编制工作。

工艺人员在线缆生产工艺编制完成后，制作线缆生产过程动画，将包含相应工装及工装设计验证的信息提供给生产人员参考。对线缆在产品中的装配过程进行模拟，最终验证线缆的可装配性，同时生成装配动画，方便生产人员在装配现场能够清晰、直观地查看线缆的装配过程及装配要求，以指导现场装配，如图2-65所示。

图2-64　线缆虚拟设计流程

图2-65　线缆仿真实例

3.装配工艺流程

可视化设计制造协同应用系统在装配工艺流程中的应用规划，涉及不同的软件环境，如桌面环境、沉浸式环境及协同环境。在每个环节中，都将使用系统的全部模块功能。其中，主要流程（图2-66）及方法描述如下：

设计部门将产品模型导入IC.IDO 仿真平台，进行可装配性分析验证。如遇需要工艺参与讨论的问题，可随时通过协同环境进行讨论，以便尽早发现问题、解决问题。在达到一定产品成熟度后，设计人员将设计模型在PDM 系统中进行预发布，以便工艺人员提早进行工艺审查等工作。工艺人员基于3D 可视化模型，对产品整个装配工艺进行验证及审查，对于重点或狭小空间等可调入工装、工具等进行重点验证审查。通过协同环境，对装配工艺审查中发现的问题等进行协同讨论评审。基于3D 可视化模型，加入工装、设备、工具等，制定装配规划、定义装配顺序及装配路径等，并进行仿真模拟。

图2-66　虚拟装配流程

最后，可生成装配动画、报告、XML 装配顺序文件等装配工艺所需辅助文件，以方便生产人员在装配现场能够清晰、直观地查看产品的装配过程及装配要求，以指导现场装配，如图2-67所示。

图2-67　虚拟装配、虚拟维修实例

2.6.3.4　坦克装甲车辆虚拟设计应用场景

1.虚拟造型技术在总体方案论证阶段的应用

造型设计虽然不是特种车辆最重要的研究方向，但一辆外观造型美观、威武的装甲车可以提升士兵们自豪感、增强使命感。现代坦克论证阶段的造型设计中，已经开始尝试利用虚拟现实技术进行了整车造型设计。区别以往利用效果图的表现手法，虚拟造型设计不仅可以表现车辆的形态、色彩、机理及材料质感，而且摆脱了二维平面的束缚，制作了1 ∶1 的全尺寸样车模型，取代了油泥模型，供设计人员、主管领导与专家观察、检验、评审。

通过利用虚拟现实技术可以快速修改车辆的外轮廓尺寸，在虚拟环境中实时修改模型尺寸，不需要重新进行CAD 设计，也不需要等待，就可以观察修改后的结果，对于坦克，车高是非常重要的指标，其关系到车辆的隐身性能和防护性能，可形成多个方案1 ∶1 模型，其实时性一目了然，而且并不影响其他论证工作的并行进行，节省了修改时间，减轻了论证工作的工作量。同时，配合效果图的使用，可以充实论证报告内容，提高论证报告的质量。

2.虚拟装配技术在工程设计阶段的应用

（1）数字化预装配。

数字化预装配技术是在CAD 平台产品数字化定义的基础上，利用计算机技术模拟产品的装配过程，达到在零件进行加工前就进行配合检查的目的，主要用于在研制过程中及时进行装配干涉检查、装配及拆卸工艺路径规划等。

目前，以鼠标、键盘和二维屏幕为主要交互工具的人机界面以及在设计过程方面存在的局限性影响了数字化预装配技术的进一步发展，例如数字化预装配过程通过约束定位或者鼠标拖动将零部件直接装配到位，忽略了装配的中间过程，必然会遗漏很多装配细节，难以确定装配过程中是否有足够的人手以及装配工具的操作空间。于是将虚拟现实与产品设计相结合的虚拟装配技术就应运而生了，工作人员可以在沉浸式的环境中以更加逼真、自然的方式来模拟装配过程，进行可装配性设计。虚拟装配是指将虚拟现实技术与已经高度发展的CAD 技术有机结合，使得设计人员在沉浸式虚拟环境中通过直接三维操作对产品模型进行管理，以直观、自然的方式表达设计概念，并通过视觉、听觉与触觉的反馈来感知产品模型的几何属性、物理属性与行为表现。虚拟装配能够更加真实地模拟产品装配过程，发现更多的装配问题，避免更多的设计缺陷。

（2）虚拟装配工作流程。

首先虚拟装配流程提交的是数字化模型数据，而不是图纸。虚拟装配和模型设计紧密相连，相互配合。虚拟装配工作流程开始于零部件数字化模型（Pro/E 模型）的提交，结束于最终检验报告的形成，虚拟装配工作流程图如图2-68所示。

图2-68　虚拟装配工作流程图

（3）虚拟装配实施。

·建立企业网和工程数据库，初步实现CAD 和PDM 的集成，推行特征建模技术，使产品开发在企业内部实现并行工程，保证虚拟装配人员和产品设计人员能够及时地进行信息交流，确保虚拟装配人员能够及时地获取设计三维数据，产品设计人员能够及时得到虚拟装配人员反馈的整改信息。

·虚拟装配必须融入企业的产品开发大流程，对于新产品的开发必须给虚拟装配留出足够的时间，确保虚拟装配可以起到检验设计质量的作用。

·虚拟装配自身的实施步骤同样需要有相应的标准，对于装甲车辆而言，首先确定虚拟装配的装配顺序。其次，界定清楚各总成内部有具体的产品设计人员自己利用CAD 软件校核，各系统之间的装配关系和干涉检查有专门的虚拟装配人员负责，即明确虚拟装配过程中相应人员承担的责任。

·虚拟装配最终需要提出检验报告。检验报告的格式应该有固定的模板，以方便填写和使用。其主要内容可以在模板上约定，指导填写检验报告的虚拟装配人员应完整地填写相应的检查项及检查结论。

·产品设计人员可以依据检验报告重新构建产品模型，修改产品尺寸，以满足整车设计的要求。

·虚拟装配人员根据设计人员的更改模型再在虚拟装配环境下进行相应的装配检查，确认无误后依照企业的开发流程组织产品的试制。

（4）规范支撑。

实施虚拟装配首先需要定义一个严格的操作规范来保证。虚拟装配的规范应该包括：

·角色定义。确认相关设计人员和专业虚拟装配人员所应承担的职责和权限。

·虚拟装配的要求。对虚拟装配所需要的数据的完整性、准确性，装配基准，外来数据的导入等进行明确的约定。

·虚拟装配实现的步骤。制定适合本企业的虚拟装配步骤，保证虚拟装配人员能够有统一的操作规范。

·虚拟装配的检查项。

3.虚拟试验技术在工程设计阶段的应用

长久以来，坦克的实地试验耗费人力、物力巨大，虚拟试验的引入很好地解决了这个问题。利用虚拟现实技术，可以大幅减少样机制造试验次数，缩短试验周期、降低实际试验费用。虚拟试验技术代替实际试验，实现了试验不受场地、时间和次数的限制，可对试验过程进行回放、再现和重复。在虚拟环境中建立坦克机动性虚拟试验动力学模型，可以对坦克战术机动性进行实时仿真，包括加速性、制动性、行驶平稳性、通过性、最大行程等。通过在虚拟环境中仿真，观察到坦克机动性能是否能满足指标要求。同时，在虚拟环境中可以很快地对参数进行修改，实时地观察到参数修改后的机动性能，已达到快速前后对比的效果。

4.虚拟维修技术在工程设计阶段的应用

虚拟维修是利用虚拟现实技术对装甲车辆维修性设计、维修技术规程规划、维修系统保障系统设计过程的仿真。通过对装甲车辆维修过程的仿真，使人在主观上产生虚拟产品及其维修过程的存在感。人沉浸在虚拟维修环境中，通过装甲车辆维修预演，准确理解和直观感受产品的维修过程。

5.虚拟培训在生产定型阶段的应用

坦克定型以后，需要更好的手段将设备的必要知识方便、快速地传递给不同知识层次的人员。新型号装备到部队时都会伴随厚厚的操作手册，战士们理解起来有困难，学习效率有限，造成新武器的工效大打折扣，没能完全发挥出来。一方面，利用虚拟现实技术，建立虚拟培训环境，使战士们面对着虚拟环境中的1 ∶1 真实武器，产生主观的存在感；同时，通过自己动手进行交互式学习，达到学习速度快、不易忘记的理想效果。另一方面，也减轻了培训人员的培训任务，达到事半功倍的效果。

2.6.3.5　基于虚拟现实的装甲车辆设计应用案例

1.基于Virtools 的轮式装甲车辆动力学仿真平台

随着技术的发展，现在已有很多技术和软件可以实现虚拟场景的构建，主要的软件有3DSMAX、VRML、VEGA 等，但其中以VRML 为基础的基于文本的虚拟场景生成工具存在不能提供可视化环境、用户必须有一定的背景知识、场景搭建人员必须从VRML 提供的基本几何形体发搭建复杂场景，以及用户必须熟悉Java 语言以及VRML 动画交互的编程等缺点，实际使用难度较大，并且不易实现。因此提出了一种基于3D 和Virtools 技术的开发方法，即利用Pro/E 软件建立的三维车体模型，3DSMAX 构建3D 虚拟环境中的应用场景，以Virtools 技术为平台将3D 模型转化为可用键盘和鼠标控制的全方位浏览和实时交互的仿真平台。这种方法具有真实性、交互性，简单和易实现，在坦克装甲车辆设计领域已被广泛使用。

（1）Virtools Dev 软件介绍。

Virtools Dev 实时3D 编辑软件，使开发者能以直觉式制作模式整合3D 模型与互动行为模块。可以利用Drag &Drop 拖放的方式将交互行为模块（Building Blocks，简称BB）赋予在适当的对象上，以流程图的方式决定行为模块的前后处理顺序，逐渐编辑成一个完整的交互式虚拟世界。

BB 是软件函数的可视化表示，至少具有一个输入、一个输出，一般情况下还具有参数输入和参数输出，还可能具有目的参数来显式地确定行为所影响的对象。

Virtools Physics Pack for Dev 整合了Havok 公司顶尖的物理属性引擎，使得Virtools 的使用者在制作3D 互动场景的过程中更为便利。Virtools Physics Pack包含了29 个新的互动行为模块，为使用者提供多种物理属性，诸如重力、摩擦力、弹力、物体间的物理限制、浮力、力场、车辆的动态物理属性等功能。这些功能大大缩短了使用者的制作时间，减少了工程师繁复冗长的物体动态制作过程与程序设计师撰写算法的工作。

其中Physics Car 系统可以使我们比较容易地建立一个基于物理动力学的车辆系统。在此之前先概要地介绍一些基本的动力学概念。

（2）基本的车辆动力学概念。

车辆在地面行驶，受到两种主要的阻力，空气动力阻力R1 和车轮转动阻力R2。空气动力阻力公式：其中，ρ 是空气密度，V 是车辆速度，S 是正交于V 的车辆正面的面积，Cd 是与车辆形状相关的阻力系数。车轮转动阻力不是摩擦力，而是由车轮转动时轮胎的变形所产生的阻力。在理论上它是一个难以进行精确计算的量。因为它是一个综合了多种复杂因素的函数，比如车轮和路面的变形、车轮与地面的接触面的压力、车轮的弹性和地面的材质、车轮和地面的粗糙度等很多因素，所以，在实际编程中，我们改为依靠一个根据经验得来的公式：R2 = Cr·w，这个公式给出了每个车轮的转动阻力，w 是车轮和所承受的部分车体的质量。Cr 是简单地作用于w 的转动阻力系数。轮胎生产商通常会给出这个系数的设计值。既然知道了如何计算车辆受到的阻力，就可以容易地计算出克服阻力获得加速度所需的发动机的功率。

（3）建立几何模型。

1）场景建模。

首先，利用3DSMAX 软件，采用Polygon 建模，参照某实际场景建立一个场景模型，包括柏油路面、路障、草地坡地、预期碰撞物体，并给模型指定所需材质，如图2-69、图2-70所示。

2）模型处理。

将在Pro/E 软件建立的三维车体模型保存为.igs 格式，然后导入3DSMAX软件中进行处理。模型导出导入过程中，往往会出现反面（法线反向）、破面、丢面的情况，所以，部分模型需要在3DSMAX 中进行修正处理，破面严重的则需要重新建模，如图2-71所示。

图2-71　模型处理

同时，将可以用贴图方式替代的复杂模型（图2-72 中的轮胎模型为处理后的几何简模），例如轮胎表面的复杂面片去掉，用贴图方式进行材质设置，如图2-72所示。

图2-72　贴图处理

（4）建立物理模型。

1）建立主模型。

将处理好的模型加载到VirtoolsDev 场景环境中。Physics Car 主建模需要建一个车体和四个车轮。在Virtools Dev 中的坐标单位是1Unit =1m，在3DSMAX中建模时的坐标单位最好也设置成1Unit =1m。其次要注意车体和车轮的轴心点（pivot）的位置和方向。3DSMAX 的坐标系是Y 轴向前，Z 轴向上，Virtools Dev 的坐标系是Z 轴向前，Y 轴向上。车体和四个车轮的各自的轴心点都要设置在物体的中心。

2）模型命名。

在Physics Car BB 中，主模型需要按照一定编程规则进行命名，否则将无法在系统中调用，建议四个车轮命名如下：

前右车轮的名字中要包含：“FR”；前左车轮的名字中要包含：“FL”；后右车轮的名字中要包含：“BR”；后左车轮的名字中要包含：“BL”。

打开层级管理器HierarchyManager，并把四个车轮添加到车体的子物体层级中，使之建立父子关系，如图2-73所示。

图2-73　层级管理器Hierarchy Manager

3）编辑代码及参数设定。

·编辑代码：

Virtools Dev 软件的逻辑编辑器（Schematic）界面，通过3DSMAX 的export功能将命名好的模型输出成为Virtools 的.nmo 格式文件。启动Virtools Dev 软件，点击菜单Resources-Import File，将刚生成的.nmo 文件导入，给场景添加Script，使用物理初始化模块Physicalize BB，使之成为物理世界的一部分。给车体添加Script，使用Physics Car BB，如图2-74所示。

图2-74　Physics Car BB

·交互行为设置：

Physics Car 的前进、后退、左右转向、刹车、加速器的输入控制由Switchonkey BB 进行设置，按照一般的使用习惯，分别设置四个方向键控制车体的前后左右，空格键控制刹车制动。加速器可以根据实际需要选用。

·参数设置：

至此车辆依然是固定不动的，原因就是Physics Car BB 是由3 个数组来驱动的，分别是BODY Parameters、WHEEL-SUSPENSION Parameters、ENGINE-STEERING Parameters，3 个数组的行数、列数以及名称要严格遵循Virtools 的要求。参照前面所讨论的动力学公式，设置Physics Car 的BODY、WHEEL 和ENGINE 参数，这3 组参数是使用Array（数组）的形式进行管理的，如图2-75所示。经过调试，将Physics Car 的参数调整到比较适合当前模型的状态。可以说，车辆是否能够移动，车辆模拟真实的效果能否准确逼真都要取决于这三组数据，下面来具体介绍这3 个数组。

图2-75　Arrays 参数

BODY Parameters（车身参数）：这个数组主要是控制车辆车体本身属性的数组，它是一个1 行15 列的数组。主要依赖于3 个数组的参数调节得是否得当，如图2-76所示。

图2-76　BODY Parameters（车身参数）

—body mass：质量（吨）。

—body friction：摩擦力，实际的摩擦力要用这个值乘以地面的摩擦系数。

—body elasticity：弹性，值越大弹力越大。

—body speed damp：速度阻尼，可以理解为空气阻力。

—body rotation damp：旋转阻尼，可以起到稳定车体的作用，三维向量。

—body rotation inertia：旋转惯性，车辆转向时受到的惯性力的作用，三维向量。

—shift mass center：指定车体中心相对于四个车轮中点的偏移量，三维向量，y 值确定车体重心的高低，低重心可以防止车辆急转弯时翻车。

—counter torque face：反向扭矩系数，指定车轮扭矩引起车体反向扭矩的百分比。

—extra gravity：额外附加在车体上的重力，用来将车辆压向地面，可以实现更快的转弯、更少的倾覆和更小的颠簸。

—down force：额外的向下的力，附加到倾斜的车体。

—down force offset：与上一个参数配合使用，额外向下力的偏移。可以矫正额外向下力的作用点，使4 个车轮受到比较均衡的力。

WHEEL- SUSPENSION Parameters（车轮悬挂参数分为前、后车轮），如图2-77所示。

图2-77　WHEEL-SUSPENSION Parameters（车轮悬挂参数）

—wheel mass：质量。不考虑实际情况，4 个车轮的质量总和最好粗略地等于车体的质量，这样可以提高车辆的弹性。

—wheel friction：摩擦力。实际的摩擦力要用这个值乘以地面的摩擦系数，取值如果太大，车体甚至可以爬墙；如果太小，容易引起车轮打滑。

—wheel elasticity：弹性。

—wheel speed damp：速度阻尼，车轮的速度阻尼应该很小。

—wheel rotation damp：旋转阻尼，如果太大，车辆很难达到高速度。

—wheel rotation inertia：旋转惯性，如果太小，车辆会很不稳定；如果太大，转弯时会影响到车体。

—suspension constant：悬吊常数，值越大车辆越远离地面，这个常数与质量有关。

—suspension damp：悬吊阻尼，吸收车辆的部分振荡。

—suspension compression：悬吊压力，表示悬吊系统的硬度。

—max body force：最大车体压力，减少弹力作用。

—stabilizer constant：稳定常数，表示垂直施加到车轮的压力。

ENGINE-STEERING Parameters（引擎与驾驶参数）：这个数组主要控制的是方向盘和车辆引擎的相关属性，它是一个1 行15 列的数组，纵行的属性控制参数如图2-78所示。

—max steering：最大转向角度，作用于低速时的转向角度。

—max speed steering：最大速度转向，作用于高速时的转向角度。

—steering velocity：前轮转向速度。

—engine power：最高时速时发动机的功率。

图2-78　ENGINE-STEERING Parameters（引擎与驾驶参数）

—min engine rpm：最低挡转速。

—max engine rpm：最高挡转速。

—axle torque ratio：轴向电动机传动比，分配到后轮的引擎功率。

—max speed：（km/h）最大速度。

—front brake deceleration：前刹车减速，完全刹车时所达到的速度。

—rear brake deceleration：后刹车减速。

—gear1：1 挡传动比。(www.daowen.com)

—gear2：2 挡传动比。

—gear3：3 挡传动比。

—gear4：4 挡传动比。

—gear5：5 挡传动比。

·建立摄像机：

为了给观察者一个舒适的观察角度，还需要添加一个摄像机（camera）。这台摄像机相当于观察者的眼睛，在整个场景效果演示上起到非常重要的作用。我们将摄像机调节到适当角度，添加Script 编码，并在代码中加入逻辑控制，将其交互行为设置成跟随车体移动的效果，这样使观察者的视角一直注视着车体，达到预期效果，如图2-79所示。

图2-79　摄像机行为设置

·建立光源：

为了模拟一个真实的虚拟世界，增强真实感，还需要为场景添加光源。具体来讲，光源的设置没有固定的要求，只要遵循一般的设置规则即可，即先建立主光源，再建立几盏辅助光源，如图2-80所示。最后根据场景的大小、空间高度，以及作者想要照亮的范围进行光源的参数调节，以达到最终效果，如图2-81所示。

图2-80　场景光源设置

图2-81　CADWALL 硬幕效果

2.坦克装甲车辆柔性管线仿真应用

线缆和管路在机电产品中占有很大的比重，其主要作用是可靠地传输通信信号，保证电气设备之间的正常通信，其重要程度相当于人体的神经；管路的主要作用是稳定可靠地传输气体、液体和电气等工作介质，保证产品安全可靠地完成其功能，其重要程度相当于人体的血管。随着坦克装甲车辆等复杂产品向小型化、轻量化、精密化和光、机、电一体化方向发展，线缆和管路装配过程中的不规范及可靠性问题已成为影响产品装配质量的一个重要因素，甚至成为影响产品开发成败的关键。如美国通用电气公司对以往研制的发动机在使用中出现的空中停车事件进行归纳总结后，发现50%的空中停车事件是由外部管路、导线、传感器的损坏或失效引起的。而产生上述问题的重要原因之一，是目前尚缺少有效的软件工具支持复杂产品中线缆和管路的布局设计和装配工艺规划。坦克装甲车辆产品具有结构复杂、部件及管路线路繁多、布置杂乱等特点，所以管路电缆的布线规划和装配质量是影响整个产品质量的重要因素，也是长期困扰产品设计的一个重要环节。由于电缆种类繁多，形态复杂，可装配空间小，因此在实际装配过程中极易造成错装、漏装、布局不合理或者发生干涉现象。据统计，我国电缆类零件的故障率占到总故障率的20% 左右，常会存在连接接头不可靠、操作及振动带来磨损甚至折断等现象，同时也存在线缆布置一车一样的现状，给保障及维修带来了很大的困难。

（1）存在的问题。

据统计，目前装甲车辆行业在柔性线缆线束设计、规划布置、装配生产等环节主要面临以下几方面问题：

·静态空间布置：在整车线缆布置过程中，由于设备众多，空间狭小，在现有线缆布置系统中，无法根据实际柔性线缆材料属性实时模拟其真实形状位置，很难设计正确的线卡位置。在实际装配过程中由于线缆本身的弹性变形，经常存在线缆实际形态及位置与设计不一致的现象，存在与周围设备及零部件接触现象，容易造成磨损。

·机构运动及振动过程线缆分析：对于部分机构及零部件，其机构的运动会带动相关的管线产生运动，目前的管线布置仅能在静态的模型中进行，缺乏在机构运动过程中相关管线的运动仿真模拟，存在机构运动过程中或振动过程中管线与周边零部件产生接触磨损的实际问题。

·可装配性分析：首先，在设备及部件装配过程中，部分是带有柔性管线零部件一同装配的，但在装配验证及仿真过程由于无法模拟柔性体可接受的弹性变形状态，直接导致对于这些设备及部件的装配分析产生错误的结论。同时，对于复杂空间的线束装配过程也缺乏有效的模拟手段。

·线长统计：对于车辆管线零部件，很多都需要预先完成线束的捆扎及接头的连接，之后进行整线束的整体安装，线长的统计尤为关键。目前由于管线设计形状位置与实际存在误差，加之部分管线会与其他相关机构一起运动产生变形，以及考虑管线在装配过程中的装配空间等问题，很难设计出合理的线长，只能给出较大的线长余量，但会导致由于余量太大需要折叠捆扎或安装后与其他零部件接触等问题。

·可维护性设计：由于以上问题的存在，加之产品为小批量生产，对于管线的布置在装配过程中常会存在布置路径不一致的现象，这给车辆维护带来了一定的难度。同时，由于柔性体存在可接受的弹性变形，对于线缆附近的零部件维护拆换，可以拉动柔性管线形成拆装空间，但可以接受多大的变形量无法判断，这给产品的可维护性设计也造成了困难。

采用先进的计算机分析仿真手段可以有效降低在产品性能、加工、装配等方面的问题。但对于柔性体仿真分析领域的应用在国内同行业中还处于起步阶段。近一段时期，随着对柔性管线精细化设计要求的不断提高，国内外很多高校及软件厂商已经开始了对于柔性管线仿真分析软件系统的研究。国内目前的研究主要集中在高校，目前对于柔性管线的实时模拟等已经有了突破性的进展，但距工程应用还存在差距，主要表现在：由于线缆布置及仿真必须基于完整的周边设备、部件等才能进行，目前对于整车大数据模型的支撑能力不足；在整车中存在复杂、众多的管线，对于众多管线布置的工程应用仍存在差距；在机构运动、可装配性、可维护性工程应用方面，目前仅能够对柔性线缆本身进行初步模拟，无法对复杂机构的运动、拆装等进行综合模拟分析。国外目前已经出现了成熟的商品化软件系统，可进行综合性的柔性管线工程应用。部分国际大型知名制造企业已经开始在产品的研发过程中广泛使用该类软件，其应用深度和集成深度都已达到了较高的水平，如波音、奔驰、宝马等。例如首个完全没有物理样机即投产的商用飞行器波音777 在研制过程中即大量采用该技术，并通过交互手段对产品的相关功能、制造、装配、维修等进行虚拟试验。这为波音节省了大量样机成本，也使产品上市时间大大提前。

（2）设计方法及流程。

为达到柔性管线仿真分析系统能够为产品设计及工艺编制提供准确的数据与评价结果的目标，企业需进行两方面的工作：一是建立相应的柔性管线仿真分析流程，并在产品研发过程中予以应用；二是建立并不断完善柔性材料数据资源库，以为仿真分析过程提供准确的基础数据。

柔性管线仿真分析过程与对单一零部件的仿真分析应用模式及流程不同，需要基于周边完整、准确的结构、设备、机构等部件进行综合分析评价。整个柔性管线布置、仿真分析的流程如图2-82所示。

其中，主要的步骤及方法描述如下：

·CAD 模型数据导入：柔性管线的设计一定将基于所需连接的零部件并参照其通路周边零部件的外形进行布置。在进行柔性管线布置仿真前首先需要将相关系统、设备的CAD 模型导入分析软件中。由于管线的布置方案也将影响到连接或周边零部件的设计过程，需要与产品其他系统的设计过程同步进行，也会影响相关零部件的设计（如管线通过空间、卡箍固定位置设计等）。因此需要CAD 模型能够快速、准确、完整地导入分析软件中，这样才能随着设计而不断完善与调整、随着分析后柔性管线布线要求的周边零部件设计而调整，实现CAD 模型的随时更新，以实现并行设计模式，减少设计返工，缩短设计周期。

图2-82　柔性管线布置、仿真分析流程图

·柔性管线创建布置或从CAD 模型转换：柔性管线的初步布置工作可根据实际情况考虑在CAD 环境中进行或在仿真分析软件中直接完成。对于在CAD 环境中已经建立的管线零部件，将在仿真分析软件中直接转换为柔性材料零部件，其材料参数可从柔性材料数据库中直接读取。同时也可以在仿真分析软件中直接创建与布置，首先需要在材料数据库中选择柔性体材料参数，之后的布线及调整方法与CAD 软件的操作有所不同，在仿真分析软件中，仅需要设定连接点及各卡箍的安装位置及方向，管线的形态及长度等会由系统自动根据材料属性进行实时计算生成，并可以随连接点及各卡箍的安装位置及方向、线缆长度的改变实时动态调整，可一次性准确地完成线缆布置工作。

·与周边零部件的初步接触干涉检查及管线受力状态分析：对于由CAD模型转换获得的柔性管线，由于在CAD 软件中布置的管线为刚体状态，无法实时考虑到柔性体本身的张力、重力等因素的影响，无法实时体现柔性部件由于卡箍固定、管线长度等因素导致管线受力产生的弹性变形。因此原始CAD管线的形态在转换后会产生一定的变化，达到装配后的柔性材料零件的真实状态。这种形态的改变常会存在与周边零部件发生接触或干涉的情况，因此在转换后首先需要对管线与周边零部件的接触及干涉情况进行初步静态检查。而对于在仿真分析系统中直接创建的零部件，由于系统能够随时根据材料属性及其受力情况实时对柔性管线的形态进行计算并展示，因此这样的检查可随时完成。此外，也需要对管线由于弯折、装卡、受重力影响等产生变形情况下材料本身的受力状态进行分析，包括是否达到柔性材料的张力、扭矩承受极限，是否达到管线的最小弯曲半径等，以便随时对管线的线长及布线、装卡方式进行调整，以形成与真实装配状态相符的、可用的设计方案。

·与运动零部件关联的柔性管线分析：在完成了柔性管线的静态布置设计方案以后，下一步将对与运动部件连接的柔性管线的随动状态、运动空间、在运动过程中的受力状态等进行分析仿真，以保证在柔性管线零部件运动变形情况下能够满足材料的受力要求，并在弹性变形及运动过程中不会与周边其他零部件产生接触及干涉情况。这首先需要系统具备机构运动学引擎，能够支撑机构的运动模拟过程。之后在机构运动的过程中，对柔性管线的变形、运动及受力情况进行实时仿真模拟，如在机构运动过程中，柔性体材料存在干涉、达到最小弯曲半径、达到最大张力及扭矩等情况，可通过调整装卡位置方式进行调整，并继续进行仿真分析，如仍无法达到材料及运动空间要求，可输出在机构运动过程中柔性管线的运动及变形包络空间几何模型，以协调周边或运动机构零部件设计人员进行修改，最终达到产品的正常使用状态。

·关键部位可装配性分析：对于部分带有柔性体材料部件的可装配性分析，如遇在装配通路中发生干涉等情况，可对柔性体材料进行合理弯折后，对部件的装配进行动态的分析仿真。在弯折过程中可随时观察系统提供的柔性材料受力状态云图显示，以保证对于柔性管线的弯折不会导致零部件材料本身的失效与破坏。通过这种基于柔性体材料弹性变形情况下的装配仿真过程，可以为零部件的可装配性设计提供更准确的评价依据。同时，对于狭小空间的管线装配过程也需要进行管线本身的柔性装配仿真模拟，模拟管线本身在具有弹性变形的装配过程中，是否会达到材料的弯折极限状态，是否能够有持握、通过、装卡、接头连接等动作合理的装配空间，这部分可通过相应的人机工程模块完成。这样的分析仿真过程，对于结构复杂、空间狭小的产品设计过程尤为重要，能够使产品达到最合理的空间利用。

·拆装路径涉及柔性管线障碍的可维护性分析：维修性设计和装配性设计虽都是产品拆装过程，但二者的拆装存在区别，可维护性分析的目标是对目标零部件进行无破坏性的拆卸，并使其可以重新装配。对于修复性维修中故障件的修复或更换，拆卸过程中应尽量不移动或少移动其他零部件。因此在可维修性分析过程中，如遇通路中存在柔性零部件的情况，可考虑尽量利用柔性材料允许的弹性变形状态，在不对其进行拆卸的情况下，实现目标零部件的拆装过程。在仿真分析系统中，可通过直接拖拽目标零部件的方法进行仿真模拟，在目标零部件与其他零部件接触后，系统可自动计算其运动趋势，实现在通路中的滑动拆卸过程，当遇到柔性管线时，可根据目标零部件的接触表面，给柔性管线施加压力，使之产生弹性变形，并形成目标零部件运动中对柔性管线形成挤压并滑动的仿真分析状态。其间可随时观察系统提供的柔性材料受力状态云图显示，以保证对于柔性管线的变形不会导致零部件材料本身的失效与破坏。

·综合评价及数据输出：在对柔性体零部件进行分析仿真后，可对其相关的产品性能、可装配性、可维护性等方面做出综合评价，如遇到问题，可与其他系统设计人员进行协调修改设计，之后再通过柔性仿真分析软件进行修改验证，形成闭环的协同工作模式。对于需要协调修改的设计问题，在仿真系统中可对柔性管线各状态输出几何模型及线长等，供其他设计人员在CAD 环境中对产品设计进行完善。

（3）柔性管线材料数据库建设。

与其他仿真分析过程相同，对于柔性管线零部件的仿真分析过程，零部件的材料参数是仿真分析的基础，也是必要条件，仿真分析结果的准确性将受到材料参数的直接影响。对于柔性体材料数据的获取，与金属材料的性能参数有很大的区别，主要原因是其可能包含金属线芯、外皮、屏蔽层金属网、织物编制层等，同时还存在外皮捆扎力差异、多芯线缆等各类状态，所以依靠单一材料的材料特性或多材料的计算很难贴近真实线缆零件的真实材料特性，因此对成品线缆材料的直接测量，获得等效材料参数用于仿真的方法是最切实可行的方案。这也就意味着对于不同的线缆，需要对其样品进行测量试验，而不能如金属材料参数一样，具有通用的材料参数数据库可供直接使用。

因此，对于企业柔性材料数据库的建设，应根据设计所需线缆及线束的实际材料进行测量，并与实际线束的弯折几何形状进行对标，才能获得理想的材料特性，最终才能进入数据库，供仿真模拟过程使用。柔性材料数据库建设的一般流程如图2-83所示。

图2-83　柔性材料数据库建设流程示意图

其中，与仿真分析相关的柔性材料特性主要包括杨氏模量，泊松比，密度，管路内径、外径、最小弯曲半径、最大张力、最大扭矩等参数，可通过拉伸、弯曲、扭转等实验获得可用的等效数值。在实验完成后，可通过所获取的材料参数在仿真模拟系统中进行指定零部件连接点的模拟形态分析，并对柔性零部件试样的实际弯曲形状进行3D 扫描，将其导入仿真分析软件中进行对标，以保证所获取材料数据的可信度。之后才能将其导入柔性材料数据库用于管线布置、仿真分析过程。

3.基于动作捕捉系统的虚拟维修动作库的构建

近年伴随虚拟现实技术的快速发展，虚拟维修作为虚拟现实技术在维修领域的重要应用，被国内外研究单位进行了大量的探索和应用。在军事装备领域的洛克希德马丁战术飞机系统、F-35 飞机发动机采用了虚拟维修技术，美军M1A1 坦克、M1A2 型军用车辆构建了用于训练的虚拟维修训练系统。国内对虚拟维修的研究主要集中在少数院校及研究院所，在“十一五”期间开发出了能够支持维修性分析评价和维修训练的实用系统。

正如其他新兴技术一样，虚拟维修也是多学科交叉和集成的产物，其突出特点体现在以下四个方面：

·模型全数字化。虚拟维修属于仿真技术，离不开对于模型的依赖，如产品的集合模型、装配模型、可靠性与维修性模型、维修资源模型等。

·模型信息集成化。维修问题的解决贯穿产品整个寿命周期，涉及众多学科与专业领域，决定了它所依赖的模型是多种多样的，描述模型包括维修过程模型、活动模型和资源模型，模型之间信息的合理集成是虚拟维修取得成功的重要基础。

·维修仿真逼真度高。逼真度高具有两方面的含义，一是仿真结果高度可信，二是人与虚拟维修环境的交互高度自然。

·人机交互自然化。产品维修涉及人- 产品- 工具的各种相互作用，虚拟维修仿真只有以自然、逼真的方式体现这些交互作用，才能更准确地把握维修过程的实质，从而准确发现问题。

（1）虚拟维修。

虚拟维修是实际维修过程在计算机上的本质实现，它采用计算机仿真与虚拟现实技术，通过协同工作的模式，实现产品维修性的设计分析、维修过程的规划与验证、维修操作训练与维修支持、各级维修机构的管理与控制等产品维修的本质过程，以增强产品寿命周期各阶段、产品全系统各层次的决策与控制能力。

虚拟维修是一种新的维修技术，它以信息技术、仿真技术、虚拟现实技术为支撑，在产品设计或维修保障系统达成物理实现之前，就能使人感受到未来产品与维修相关的性能，以及产品未来维修过程的合理性，从而可以做出前瞻性的决策，优化实施方案。

（2）动作捕捉系统。

随着计算机软硬件技术和仿真技术的飞速发展，在发达国家，动作捕捉系统已经进入实用化阶段。随着虚拟维修技术的日益成熟，研究人员对于仿真过程的逼真度和自然交互越发重视。由于动作捕捉系统可以最大程度还原人体行为和生理特征，因此越来越多的科研院校都采购了动作捕捉系统，用于模拟维修过程的高逼真度仿真。

本节中的动作捕捉系统是用于采集维修人员在维修作业环境下的各种维修姿态、维修动作、维修时间等数据的。

·XsensMVN 惯性动作捕捉系统。

XsensMVN 是一款便携式全身动作捕捉解决方案，无须使用摄像机即可对人体动作进行捕捉，不会对测试人员的行动造成任何限制，具有灵活性强的特点，在室内外均可使用。XsensMVN 避免了信号阻挡或者标记物丢失的问题，节省了捕捉数据清理工作花费的时间。XsensMVN 采用先进的微型惯性传感器、生物力学模型，以及传感器融合算法。采集数据通过MVNStudio 专业软件进行记录，并可与Autodesk Motion Builder 插件无缝集成。

·Vicon 光学动作捕捉系统。

Vicon 光学动作捕捉系统是一种基于反射式的捕捉系统，需要在乘员各部位上贴一种精致的反光球（以下称Marker），当光学摄像头周边的LED 发出的红光（或可见光、可见红光）打到Marker 点表面上时，Marker 点反射同样波长的红光给光学摄像头，从而确定每个Marker 点的2D 坐标，经过Vicon 捕捉系统的分析软件处理便可以得到每个Marker 点的3D 坐标。将每个Marker 点的运动轨迹记录下来，从而生成人体刚体模型。

（3）软件环境。

Autodesk Motion Builder 是AUTODESK 公司一款重要的三维动作软件，可以结合动作捕捉系统，对真人演员的动作进行记录。Autodesk Motion Builder 是用于游戏、电影、广播电视和多媒体制作的世界一流的三维角色动画软件。它可利用实时的、以角色为中心的工具集合，完成从传统的插入关键帧到运动捕捉编辑范围内的各种任务，为技术指导和艺术家提供了处理苛刻、高容量动画的功能。它的固有文件格式（FBX）在创建三维内容的应用软件之间具有无与伦比的互用性，使Motion Builder 成为可以增强任何现有制作生产线的补充软件包。本节均采用了Motion Builder 软件对捕捉数据进行后处理。

（4）构建维修人员虚拟人体数据。

在虚拟维修研究领域，虚拟人体一般用于维修训练、辅助维修性分析、维修规程核查等方面。因此，要求计算机虚拟出来的维修人员人体模型具备实际维修人员的生理特征、动作规范、行为规范、行为特点以及智力要求。

·虚拟人体数据采集。

在虚拟维修仿真中，虚拟人体主要是用于代替真实的维修人员进行维修过程的仿真。本节针对具体维修作业中的维修人员进行了外貌特征提取、人体尺寸数据采集、基本姿态图像拍摄。人体尺寸数据采集如表2-4所示，标准姿态采集图像如表2-5所示。

表2-4　人体尺寸采集数据

表2-5　外貌特征及标准姿态采集图像

续表

·虚拟人体几何模型。

利用MAYA 建模软件，构建人体三维模型、表面贴图和骨骼的绑定。在此人体外观基础上，根据实际测量数据，形成适用于研究的维修人员虚拟人体模型（表2-6）。

表2-6　虚拟人与真人的对比

（5）维修动作模型。

维修动作是指在维修作业过程中维修人员使用的动作，如拧下螺栓和打开盖板。根据维修动作的特点，我们将维修动作分为移动类动作和操作类动作。移动类动作是指维修操作人员在维修过程中的位置移动和姿势变化与调整。操作类动作是指操作人员对物体的操作动作，维修操作大多会使用到工具，表2-7 列出了维修作业的主要工具类型及使用方式。

表2-7　维修作业使用工具类型及使用方式

续表

基于人机工程理论，对维修作业过程中的人体维修动作开展分析的目的是对维修作业时人体部位动作进行分析研究。通过针对某部件具体的维修作业进行分析，将复杂的维修步骤分解成一系列基本作业单元，并映射出相应的人体动作，同时去掉多余动作，把必要的动作组合成标准的动作序列。下面我们以某工程作业车辆更换履带板维修作业为例进行分析，清单如表2-8、表2-9所示。

表2-8　更换履带板维修动作清单

表2-9　更换履带板使用工具清单

续表

（6）捕捉与采集。

利用MVN 惯性动捕设备对该典型维修任务的人体运动数据进行采集。动作捕捉的过程实际上更像是拍电影，因为它与时间顺序是紧密相关的，需要有场地条件，还要有任务分工，需要演员、导演、场记和摄像等相关人员。我们针对这一特点，进行了本次采集任务的人员分工。除了测试人员有人体模型原型担当外，我们还设置了动捕设备支持人员2 名，一名负责电脑终端监视，另一名负责测试人员的动捕衣随时调整及穿戴工作。还有一名摄像人员，对测试人员的动作过程进行视频记录。一名导演兼场记，对整个维修过程脚本进行质量控制。

虽然已做好各项准备，但在实际采集过程中还是出现了不少问题，导致有时对某一项动作进行重复采集。天气对测试人员的影响也比较大（本书所做测试是在冬天比较冷的无采暖的实验室进行的）。动捕衣要求穿戴比较贴身，这样才能捕捉得更加准确，所以测试人员就不能穿厚棉衣，最后导致动作有不自然、僵硬的现象。

（7）数据处理。

利用MVN 惯性动捕设备进行捕捉与采集的过程中，人体在进行双脚离地、跪姿爬行等动作时，有时会产生位置惯性传感器的漂移和错位，从而产生动作捕捉失真的问题。针对这个问题，我们利用Motion Builder 软件进行后期处理。在试验过程中，我们专门录制了整个维修过程动作。在后期处理失真模型时，我们参考录像的实际动作姿态，对人体关节进行逐个逐帧修改。如图2-84所示为正在修正脚踝关节变形。

调整角色的关节曲线，通过对比视频修正动作和姿态。关节曲线后期处理如图2-85所示。

图2-84　脚踝关节修正

图2-85　数据修正

在后期处理的过程中，我们还针对虚拟人的手指动作的某些地方进行了修正。然后将动作数据分割成为相对独立的小段动作，然后将大的维修任务和一系列小的维修工序对应组织成树形结构，编写进动作库条目。同时，我们对动作库维修工序的条目进行了讨论，最终确定细分为维修动素级和任务级。最后我们将分割后的动作分别导入DELMIA 平台中进行测试。

通过本次工作，我们发现了一些在下一次动作捕捉时可以避免的问题，以减少后期处理工作量和时间。

4.虚拟装配

VR 虚拟装配开发平台具有产品三维设计CAD 数据的快速及轻量化导入、虚拟装配场景及样机的编辑、三维模型可交互操作、装配过程的仿真验证、交互式装配内容制作以及发布成工艺指导文件等功能。该平台可实现的具体功能如下：

（1）支持多种工作场景下CAD 数据的导入。

虚拟装配工作开展过程中，会涉及多种工作场景下的CAD 数据导入，比如车间厂房等工作场景需要快速导入，内燃机等设备模型需要在导入后还可以做精确的尺寸测量和精确装配，还会有来自协作单位的不同CAD 软件生成的三维数据（比如CATIA、UG 等），需要采用不同的数据导入方式，具体可实现的功能如下：

·对于装配的工作场景，比如车间厂房等，支持三维模型或场景基于Open GL 的在线读取导入，不需要进行中间格式转换，在线读取的同时可对三维模型进行自动轻量化处理，并将数据保存在本地。在线读取导入的方式支持Creo 2.0 及以上版本。

·对于内燃机等设备模型，需保留设计特征参数，导入后能够保留和显示完整结构树，导入后的模型几何无变形、不失真，CAD 模型相关点、线、面、弧长、角度等精确尺寸信息可导入虚拟现实软件中。

·针对不同协作单位提供的多种异构CAD 三维模型（比如Creo、CATIA、UG 等），支持局域网内多台电脑之间的异构CAD 三维模型同时在线读取，并导入虚拟现实软件的同一场景中，如图2-86所示。

图2-86　支持多种工作场景下CAD 数据的导入，快速构建逼真的装配数字样机和工作场景

（2）虚拟现实中三维模型的可交互操作。

虚拟现实中的装配场景及设备模型建立之后，还需要通过交互手柄对虚拟现实中的三维模型进行交互式操作，如图2-87所示，比如人需要通过漫游的方式走近设备，需要支持多种形式的漫游；需要对一些位置关系进行测量等。具体可实现的功能如下：

·软件可支持多重漫游方式，至少包括行走模式、飞毯模式、CAD 模式；用户可以自由控制漫游的速度。

图2-87　对虚拟现实中的三维模型进行交互式操作

·在桌面操作时，支持对三维模型不小于4 个独立的横切剖面的操作，剖切面可以实现球形剖切；通过头盔和交互手柄操作时最少支持1 个剖切面；剖切面必须能真实反映物体特性，如实心体剖切面必须为实心面而不是空心面，且材质效果与零部件一致。

·支持对三维模型进行动态测量，即在三维模型上拾取一点，移动测量线段到另一点，测量线段距离变量实时显示。

·在虚拟现实环境下可实现点到点距离、点到面距离、点到线距离、面到面距离、半径、边长的精确测量，支持沉浸式环境下的点对点、动态测量功能。

·具有注释功能，在桌面编辑端可以输入中文注释文字信息。

·具有虚拟拆装功能，可自由拾取零件模型做拆装。

·支持自动爆炸图，可以选择全局、局部自动爆炸图显示，可以设定X/Y/Z 轴爆炸方向。

（3）装配及拆装过程的仿真。

在设备的装配及拆装过程中，要保证结构的可装配性，碰撞检测是不可回避的问题之一。在虚拟装配环境中，当两个零件发生接触时，它们应该按装配关系进行装配，而不应发生零件间的相互穿透现象，要做到这一点，必须要实时、精确地判断零件模型间是否发生碰撞，因此，需要在设备的装配及拆装过程中进行碰撞检测和物理仿真，如图2-88所示。具体可实现的功能如下：

图2-88　采用实时的动力学仿真物理引擎来实现装配及拆装过程的仿真

·可以模拟轴对孔的装配碰撞仿真，当零部件之间发生碰撞时模型不穿透。

·通过定义运动机构的物理约束，可实现复杂运动机构的物理仿真，如多齿轮机构的啮合传动等。

·可实现线缆柔性体的实时仿真，支持柔性体与刚体的物理碰撞检测，也可实现柔性体之间的物理碰撞检测。柔性线缆支持设置杨氏模量、线缆半径、分辨率。

·支持沉浸式环境下的虚拟拆装，可进行任意几何部件的拾取与释放，也可支持带约束的虚拟拆装。

·可实现约束管理，约束类型包括：旋转副、棱柱副、圆柱副、平面副、球形副，并可自定义约束副。

·可根据预先定义的判别准则、预留标准等规则进行空间预留不合理等的验证和判断。

（4）交互式装配内容制作及发布。

装配过程的验证会得到相对优化的工艺方案，经过验证的工艺方案可以交互的方式生成和发布，并可以独立运行，达到培训、锻炼的目的，直至通过完整的装配过程模拟来辅助人员的训练，生成相应的交互式电子技术手册，并可以脱离编辑环境，通过播放器进行播放，如图2-89所示。具体可实现的功能如下：

·具备可视化编程能力，不需要编写代码，可直接通过模块化拖拽式的可视化编程方式实现控制逻辑添加。

·具备常用的交互行为库，通过拖拽连接即可实现一些交互的操作（比如模型的旋转、动画播放等）。

图2-89　通过VR 头盔来学习装配操作过程

·支持在三维场景中创建对象和摄像机的关键帧动画功能。具备灵活的动画控制器，关键帧动画必须支持触发指定的事件（比如人走到车间的门前，门可以自动打开）。

·能够制作可交互式的内容，并可进行内容发布，脱离编辑器环境，通过软件的播放器进行播放；如将装配过程制作成可交互操作的培训课件，通过VR 头盔来学习操作过程。

5.虚拟维修

VMPro 是北京朗迪锋科技有限公司自主研发的一款专注于维修性设计分析、仿真与评估的工具软件。主要面向以航空、航天、兵器、舰船等为代表的复杂装备维修性设计分析与验证人员，针对维修性设计分析严重滞后于产品功能结构设计、过度依赖于实物样机、平均修复时间（MTTR）分配和预计工具缺乏等痛点需求，提供维修性主动设计、虚拟维修仿真、MTTR 分配和预计等功能。

VMPro 平台的主要任务就是利用虚拟现实技术，建立一个包含装备虚拟样机、维修人员、维修工具、维修设备、维修设施、维修过程信息的虚拟环境，结合虚拟交互设备，如全身动作捕捉系统、虚拟现实头盔及数据手套等，在该虚拟环境下模拟产品的维护、维修及其相关过程，如图2-90～图2-93所示。

图2-90　维修任务过程仿真

图2-91　评估维修时间

图2-92　维修过程中的可达性分析

图2-93　维修过程中的人体姿势舒适度分析

6.基于AR 的远程维修IETM

如图2-94所示，通过穿戴式设备系统上的摄像机捕捉装备上的某个部件，再通过无线收发装置，传输到维修诱导服务器，利用后台数据库进行匹配，调出相应的IETM 虚拟维修信息（包括文字、图像、三维虚拟样机等），利用三维注册技术精确地将信息叠加到真实场景中，并显示在透视式头盔显示器上，与维修人员看到的真实局部场景无缝地叠加融合，系统也可以给出非常详细的有动态演示的维修步骤进行视觉诱导。另外，从维修诱导服务器得到的语音指导信息，可以通过无线收发装置由耳机直接提供给维修人员，进行声音辅助诱导。除了进行场景图像匹配调出诱导信息，维修人员还也可以通过麦克风直接发出简单语音指令，根据语音识别技术，将匹配出的后台诱导服务器中的虚拟维修信息显示出来。

图2-94　面向远程维修系统的IETM 应用工作原理

对于维修人员无法解决的疑难问题，可以通过内部专用保密网，将维修现场摄像机拍摄到的场景图像传输给远程专家，让他们直接提出维修意见，再将专家的视频、语音信号回传到维修诱导服务器，通过无线传输模块，传输给现场的维修人员，直接叠加到维修人员佩戴的透视式头盔显示器上。

如图2-95、图2-96所示，面向远程维修系统的IETM，通过AR 技术与穿戴式设备结合使用，前方的作业人员与后方的专家通过AR 智能眼镜设备实时连线，让专家可以第一视角看到现场情况，并对一线作业人员进行实时指导。

图2-95　基于增强现实和IETM 的远程维修系统应用示意（一）

图2-96　基于增强现实和IETM 的远程维修系统应用示意（二）

整个远程维修系统是利用增强现实技术、视线跟踪技术、知识库技术和远程故障专家诊断技术构成的针对大型复杂机电系统的维修工具，可以直接将需要的数字化诱导信息根据视线和语音指令无缝实时地叠加到维修对象，并显示在头盔显示器上，从而解放作业人员的双手，使之专注于维修工作，提高作业效率、减少维修差错。

基于增强现实和IETM 的远程维修诱导系统不仅使技术内容可以更加生动真实地呈现，而且使技术信息得以直观地融于现实操作，摆脱了查阅手册必须暂停工作的束缚，将会是在装备维修领域中的一次重要技术革新。