可视化维护引导系统设计方案

第34卷第3期 机电卢品开发与创新Vol.34,No.3 2021 年 5 月Development & Innovation of Machinery & Electrical Products May.,2021
文章编号：1002-6673 (2021) 03-138-03
可视化维护引导系统设计方案
武雪荣，苏波
(航空机务士官学校，河南信阳464000)
摘要：本引导系统以增强现实技术为核心，结合语音识别、体感识别和多媒体技术，是教学手段的一种创新。

系统通过构建虚实结合的机栽武器系统维护环境，利用虚拟与现实的交互功能，再现机栽武器系统操作过程，并显示实时引导信息，实现训练和维护操作的标准化和可视化，提高使用维护安全性，节约训练时间和费用。

关键词：机栽武器；引导系统；仿真训练
中图分类号：T P13 文献标识码：A d〇i:10.3969/j.issn.1002-6673.2021.03.047
Design of Visual Maintenance Guidance System
W U X ue-R ong，SU Bo
(The Third D ept，Aviation Maintenance N CO Academy，Xinyang Henan 464000,China)
Abstract: The guiding system is an innovation of teaching method，which is based on the augmented reality technique and combined with speech recognition，somatosensory recognition and multimedia technique. The system can reappear the operation process of airborne weapon system and display guiding information in real-time by building the maintenance environment with virtuality and reality combination，which can realize the standardization and visualization of practicing and maintaining operation，improve the safety and save the training time and cost. Keywords：Airborne weapon% Guiding system %Simulation training
0引言
机载武器系统是技术密集型的大型复杂机电系统，使用和维护程序多、标准高，还包括诸多易燃易爆的火工 品，危险性很高，这对人员的维护能力提出了很高的要 求。

由于维护人员客观存在训练时长不同、知识层次不 一、技术水平差异较大等特点，在工作过程中难以将所有 的操作方法、步骤牢记于心，不能达到无差错的要求；在 完成复杂程度高或危险性强的维护作业时，工作效率较 低。

利用实装进行技能训练时，受视线和位置的限制，难以完成多人同时带教，训练效率不高，加之带教标准不够 统一，总体效果不尽如人意。

因此，拟建设可视化维修引 导系统，搭建系统运行的硬件平台，设计可视化维护引导 系统软件，达到演示和室内实习使用的程度。

引导系统的 建成将在维护训练、实践教学等方面发挥重要作用，具有 显著的军事和经济效益。

1引导系统的结构组成
机载武器可视化维护引导系统以增强现实技术为核
修稿日期：2021-02-26
作者简介：武雪荣（1978-)，女，河南周口人，硕士，讲师。

研究方向：军械装备的仿真与研究。

心，结合语音识别、体感识别和多媒体技术，是教学手段 的一种创新。

可视化维护引导系统由软件和硬件两部分 组成。

硬件部分包括高性能计算机、虚拟现实交互设备和 :显示设备。

硬件部分是软件系统运行的公共平台。

软件部 分包括三种不同功能的大型软件（开发平台），分别是用 于沉浸式虚拟维修模块的D E L M I A、用于桌面式虚拟维修 模块的Ng r a i n和用于虚拟仿真模块的Flightgear，是整个 引导系统的核心，负责整个场景的开发、运算、生成，同时 连接和协调整个系统的其它各个子系统的工作和运转，与他们共同组成一个完整的引导系统。

:2硬件设计
该系统硬件部分由远程计算机系统、显示系统、跟踪 定位系统、人机交互系统和数据传输系统组成。

硬件架构 如图1所示。

:高性能计算机一般为的图形工作站，对其C P U的数据处理能力、存储介质的存储容量和读写速度、显卡的图 形图像处理能力等的要求很高，以满足超大容量的三维 立体模型数据管理的有效性、图像画质的高清性、动画播 放的流畅性和交互操作的实时性。

显示设备用于显示虚拟环境的视觉形象。

显示端按 照工作原理可分为两种：视频透视式视频眼镜和光学透 :视式视频眼镜。

光学透视式视频眼镜在学员眼睛前面放
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•综合研究•
m 现实场景
I,图像捕捉
体感交互（体感识别）
图形工作站 输出图像
(图形和数据处理）（增强现实引擎）
J操I
(虚拟场景）
动画数据库模型数据库
语音输入（语音交互）图1可视化维修引导系统硬件架构图
置光学合成器。

合成器是部分透明的，透过它可以直接看 到真实世界。

合成器又是部分反射的，可以看到从头上戴 的显示器反射到合成器上产生的虚拟图像。

光学透视式 视频眼镜原理见图2。

视频透视式视频眼镜封闭了视线，带有一个或两个摄像机，拍摄真实世界的场景。

场景合成 器负责把摄像机视频和图形进行合成，并将结果送到显 示器上。

视频透视式视频眼镜原理见图3。

真实
世界
合成器
图2光学透视式视频眼镜原理图
跟踪定位系统实时地检测观察者在场景中的位置、观察者头部的角度和运动的方向，以便用来帮助系统决 定显示何种虚拟物体，并按照观察者的视场重建坐标系。

目前的増强现实系统主要采用电磁跟踪器、惯性跟踪器、测距仪、超声波定位仪、全球定位系统(G P S)等。

用以探测 和跟踪真实环境中目标的位置和方向。

本系统中为达到 所需精度，将选用电磁跟踪器或惯性跟踪器。

虚拟现实交互设备主要有数据手套、位置跟踪器、数 据衣、力反馈器等。

数据手套用于模拟人手在装配或维修 作业中的动作，通过接口程序，驱动虚拟手在虚拟环境中 作相应的操作。

如抓取维修工具、拧螺丝刀等。

位置跟踪 器、数据衣用于在一定范围内获取人体的位置和肢体的 运动。

反馈装置主要是使虚拟装配或维修作业具有力感，营造更加逼真的虚拟现实环境。

3软件设计
可视化维护引导系统的软件整体框架设计见图4。

可视化维护引导系统涵盖了増强现实技术的很多方面，包括 引导信息、图像合成、操作者操作和操作状态检测4个方面。

各个方面相互配合组成一个完整的引导系统。

捕获
图形1头部跟踪器图像
场景生成器+头部定位-显示器
〈显示设^<捕获g实场景|
图像和成视频传输[操作者I
引人条件规则，操作状指令行为
\\态监测y_^
实际操作
图4软件整体框架设计图
引导信息是由计算机模拟出来的一些二维、三维信
息以及维修过程所规定的指令性文件，包括完成维修任
务的技术指令、维修标准和注意事项，为维修人员提供维
修活动的依据以及遵循的规定和程序。

系统中引导信息
主要包括三维几何模型、场景、文字和装配关系特征。

图像合成主要是让三维模型和真实场景物体融为一
体，给操作者逼真的感觉，能够更好的帮助操作者进行维
修。

系统采用基于虚拟模型的虚实融合方法，与传统的基
于三角面片的虚拟物体重构法相比，虽然要进行预处理，
且需预知真实场景的详细信息，但它实现简单，实时性
好，运行效率高.优于后者计算机生成的引导信息和摄像
头摄取的设备真实场景利用图像合成技术，采用基于标
识的虚实融合方法融为一体，通过光学透视式视频眼镜
传送给操作者，这样就可以实时指导学员完成维护工作。

操作状态的检测是基于机载武器维护的规则体系，
这个体系由C++程序里的DetectPrinter函数控制。

规则包
括“什么时候检测到什么颜色或标识”，然后可以判断现
在是什么操作状态。

具体规则示例见表1。

从表可以看出，座椅火药机构维护（示例）的条件规
则库包括3个步骤。

与此一一对应有3个状态的检测。

当
光学透视式视频眼镜摄取到的图像检测到任何一个条件
规则时，计算机就可以根据操作状态检测条件规则来判
断当前的操作状态。

系统采用Unity3D引擎，其优良的图像处理性能，多
种多媒体格式及数据模型格式的无缝结合，以及优异的
跨平台支持情况和接口，能够支持市（下转第142页）显示端
跟踪定位
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•综合研究•
要继续接受教育培训，以便巩固培训效果，为安全生产提 供可靠的保障。

现场培训的重点主要涉及到作业人员的 安全教育、保护装置完好与否、起重机械使用管理，参观 警示教育基地，上岗前宣誓等。

作业人员在生产现场操控 起重机械时大多是履带吊塔式、门式，大型工程生产现场 往往要使用十几台起重机械，作业人员操作不当或安全 保护装置损坏就容易引起安全事故。

对于起重机械作业人员的培训，尤其是针对新的起 重机械，必须对司机和安装拆卸人员等加强安全技术教 育，至少要确保他们熟悉关键性的安装拆卸工作，防止安 全事故的发生[5]。

例如在生产现场针对大型履带吊塔式工 况的组装通常要在副臂后支撑架防后倾杆的安装中按照 主臂长度对支撑架防后倾杆的具体长度进行调整，防后 倾杆的安装销孔一般有3个，运输位销孔和主臂长度是 "1>33?，长度为36>61?时安装销孔是"个。

因为新设备 的安装方案缺乏操作性，如果作业人员没有认真查看说 明书，可能会忽视安装销孔的位置，例如主臂长48?时销 孔安装位置应在36>61?处，却在21>33m的位置上安装 销孔，司机起扳之后将导致后支撑架变形甚至损坏。

后支 撑架一旦损坏，必须即刻降臂，如果处理不当会十分危 险。

如果司机起扳以后未细致检查履带吊臂杆的状况马 上直接开展吊装作业，极有可能引发严重安全事故。

对于保护装置，起重机械最常用的安全保护装置主 要有力矩和重量的限制器、幅度和高度的限位器等，在操 作人员失误时保护装置可以保护安全，需要在现场培训 中突出起重机械安装拆卸方案的重点和操作性，技术交 底准确、清楚，作业人员培训到位。

例如起重机械的司机、专业的安装拆卸人员、技术负责人等都要熟练掌握关键工作，并对起重机械的使用加大巡检力度，司机和维护人 员更要仔细检查安全保护装置和钢丝绳等；逐一检验检 查表格，避免设备检查流于形式；定期维护老旧起重机 械，需要拆检的必须分解检查，彻彻底底地消除安全事故 隐患，保障现场起重机械安全作业。

3结束语
起重机械作业人员培训是一项系统性工程，保障培 训效果的有效性和设备安全作业有直接关系。

同样地，控制起重机械安全事故发生率的重点也在于作业人员，他 们是起重机械的操作者，他们的能力与素质高低直接决 定着在起重机械作业中是否容易发生操作不当、操作失 误等行为。

当然，起重机械作业人员培训又是充满变化与 发展的过程，尤其是随着特种设备政策的调整以及新技 术的广泛应用，在起重机械作业人员培训中务必要不断 创新培训理念，改进培训方式，更好地适应新时代的生产 与发展需要。

参考文献：
[1] 朱海滨.特种设备作业人员培训管理浅论[:].化工装备技术，2019,2.
[2] 虞江波.起重机械事故风险因素分析和安全管理探讨[J].智能城
市，2020,9.
[3] 王云飞.对建筑起重机械作业人员管理的一些思考[J].建筑机械化，2017,4.
[4] 鲁卫涛.建设机械岗位培训管理信息化系统的设计应用[J].建筑机 械化，2020,6.
[5] 田家鹏，田家翔.特种设备作业人员培训现状分析及对策研究[J]. 中国设备工程，2020，18.
(上接第139页）表1操作状态检测规则样
序号条件规则操作状态检测
1检测到1号蓝色标识火箭包已拆卸
2检测到2号红色标识火药机构已拆卸
3检测到3号绿色标识燃爆机构已拆卸
面上常见的操作系统包括W I N D O W S操作系统、U N I X操作系、M A C操作系统、L i n u x操作系统，以及移动平台的 A n d r〇id、I O S操作系统等主流系统。

该平台完全能够满足 现阶段的开发要求并具备进行二次开发和功能的良好扩 展性，为将来可能的二次开发做好技术铺垫。

系统中使用 该模块呈现给感官真实的增强环境，把融合场景的左右 眼视频信号分别输出给佩带头盔，显示复合立体图像。

4结束语
机载武器可视化维护引导系统以增强现实技术为核
心，结合语音识别、体感识别和多媒体技术，是教学手段 的一种创新。

该系统通过构建虚实结合的机载武器系统 维护环境，利用身临其境的沉浸感和完善的交互功能，为:情境式学习和建构主义学习提供了良好的环境，逼真的 再现机载武器系统操作过程并显示实时引导信息，实现 训练和维护操作的标准化和可视化，提高使用维护安全 性，节约训练时间和费用。

所以本系统将在机载武器系统 实践教学、维修训练等方面发挥重要作用，这对降低装备 维护训练成本有着重要的经济和军事意义。

参考文献：
:[1]景惠，等.单舰火炮虚拟训练仿真系统设计与实现[J].系统仿真学 报，2012.
[2] 何嘉武，等.武器装备虚拟维修训练系统设计与实现[J].科技导
报，2016.
[3] 潘昕.某型飞机军械设备与维护[M].中国人民解放军空军装备
部，2006,1.
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