基于虛擬現實技術的汽車發電機實訓平臺設計*

武筱菲 申榮衛

（天津職業技術師范大學）

虛擬現實技術是通過使用計算機，運用一定的技術手段建造一個仿真的三維虛擬環境[1]。虛擬現實技術發源于20世紀80年代的美國，在機械方面，利用虛擬現實技術對機械零部件加工和裝配過程進行仿真，可以降低生產成本和時間。近幾年我國虛擬現實技術取得不錯成果，國內高校和科研機構積極投入虛擬現實領域的研究。北京航空航天大學在虛擬現實與可視化實驗室方面實現了分布式虛擬環境網絡設計，建立網上虛擬現實研究論壇，提供實時三維動態數據庫,還可以提供用于飛行員訓練的虛擬現實系統，以及開發虛擬現實應用系統的開發平臺，最終實現與相關單位的遠程連接[2]。文獻[3]在基于CAD系統中提出了基于“可拆即可裝”的原理，將拆卸順序和拆卸路徑進行反演，即可得到產品的裝配順序和裝配路徑。文章以虛擬裝配技術為理論指導，發電機的拆裝演示基于“可拆即可裝”的原理，提出了一種基于unity3D的發電機虛擬拆裝實訓系統的平臺，利用虛擬拆裝代替實物拆裝，研究虛擬故障檢修以及碰撞檢測技術，以解決發電機拆裝訓練中設備、零件的損耗大、訓練成本高及場地受限等問題。

1 汽車發電機實訓平臺的設計流程

基于unity 3D的發電機虛擬實訓平臺設計流程：1）需要三維掃描儀獲取零件模型，結合3D max軟件對模型進行重新編輯、法線貼圖及UVW處理；2）在unity 3D里編輯導入的模型，添加場景元素，設定元素關系，完成虛擬場景的構建；3）在相應GameObject（物體對象）上加載腳本，編寫代碼實現發電機的結構展示、自動拆裝及用萬用表檢測發電機的虛擬故障檢修等功能；4）最終以生成的.exe可執行文件或是網絡瀏覽文件的方式發布。發電機虛擬實訓平臺設計流程，如圖1所示。

2 虛擬實訓平臺設計

2.1 3D max建模和模型貼圖

對于發電機內部的結構具有不規則特性的零部件，在使用其他建模軟件時很難獲得逼真的效果，另外其他軟件與unity引擎結合時沒有很好的兼容性，因此采用3D max進行真實感建模。為獲得更好的仿真效果，系統采用3D max對模型進行貼圖渲染，配合使用Photoshop軟件對材質貼圖進行處理，提升3Dmax的渲染效果[4]。3D max重建好的模型在導入unity 3D中時，x軸會偏轉-90°，所以為了避免模型變動，需要保存為.3ds的文件格式[5]。

2.2 unity 3D虛擬平臺設計

2.2.1 虛擬場景設計

將模型添加到虛擬場景中，并對發電機整個模型進行旋轉、縮放、移動及拖拽等相關屬性的設置，進行編輯組合。具體步驟：1）運行unity 3D，建立一個New Project（新的工程項目），在Layers（層級）選擇合適的窗口模式進行設計；2）創建虛擬環境的必要元素燈光Directional Light（平行光），編輯其屬性，設置相應效果。添加Main camera（主攝像機），調整運行視圖的遠近及角度。SettingRenter（設置中心）設置天空盒，添加場景所需要的材質貼圖；3）將通過3D max導出的.3ds格式的發電機前后端蓋、定子及轉子等各零部件放入到unity 3D的資源文件夾Assets中，用鼠標拖動到場景中進行正確的位置擺放；4）重新指定模型中丟失的材質和貼圖；5）對場景中的所有模型添加Physics（物理）菜單下的Mesh Collider（網格碰撞）組件，避免在模型拆裝時出現從內部穿插的錯誤效果；6）調節光線，達到所需要的亮度和色彩效果，使場景更加真實逼真。

2.2.2 虛擬交互腳本設計

unity 3D中支持3種程序語言編寫腳本，分別是Java Script，C#及Boo，其中C#語言更加符合unity 3D的編程思想，功能也最為強大，所以本平臺中采用C#語言進行腳本編寫。每個編寫好的腳本與其他組件用法相同，必須綁定在GameObject（物體對象）中才能執行它的生命周期[6]。

為了能夠對發電機內部構造進行360°展示，編寫了generator view.cs腳本實現鼠標右鍵旋轉和滾輪縮放的功能。同時將GUI（圖形用戶界面）腳本賦予主攝像機，調整攝像機角度，使運行時模型處于界面的中央，在GUI腳本中編寫代碼，賦予該場景的名稱為結構展示。

在發電機拆裝演示場景中，采用Animation（動畫）制作發電機內部結構的拆解過程，本平臺建模為發電機的主要零部件，所有引線、墊圈、螺母及螺栓均不在場景內。拆解順序為：前端蓋、轉子、定子、后端蓋、二極管及散熱板。安裝順序則為拆解動畫的倒序。

2.2.3 虛擬故障檢修設計

2.2.3.1 轉子檢查

1）檢查激磁繞組的短路或斷路。平臺采用萬用表測量線圈的電阻，兩表針分別接觸在兩滑環上，如圖2所示。

正常阻值為2.6～6 Ω（不同型號發電機略有差別）。如果阻值小于正常值則為短路，若阻值為無限大，則為線頭脫焊或者斷路。

2）激磁繞組和滑環搭鐵檢驗。將萬用表電阻擋置于R*10 k擋，兩表針分別接觸軸和滑環，如圖3所示。表針若指在無限大則表示良好；若有一定阻值說明存在搭鐵故障，應當檢修。

2.2.3.2 定子檢查

如圖4所示，將萬用表2只表筆分別觸在定子繞組三相的其中兩相端，檢查定子繞組是否斷路，若沒有阻值說明存在斷路故障。

如圖5所示，將萬用表1只表筆觸在定子繞組鐵芯，另外1只表筆觸在三相繞組中的其中一項，檢查定子繞組是否搭鐵。若有一定阻值，說明定子繞組接觸良好。

2.3 碰撞檢測

虛擬世界中的物體之間之所以需要進行碰撞檢測，是因為在現實世界中同一個空間區域內不能同時存在2個或者多個不可穿透的物體[7]。在unity 3D中，能夠檢測碰撞發生的方式有2種，一種是利用碰撞器，另一種則是利用觸發器。碰撞器是一群組件，它包含很多種類，比如：Box Collider（盒碰撞器）、CapsuleCollider（膠囊碰撞器）、Mesh Collider（網格碰撞器）及Sphere Collider（球形碰撞器）等，應用場合不同，但必須加載到GameObject身上。工業類模型復雜，在使用3D max軟件進行重新建模導入unity引擎后，添加Mesh Collider組件，根據模型的形狀選擇多邊形網格（Polygonal Mesh），以發電機定子繞組模型為例，如圖6所示，添加碰撞器，當用戶在虛擬場景中進行交互時，需要添加相應的碰撞器才能實現拖拽交互功能。

3 虛擬實訓平臺效果展示

在實訓平臺的虛擬場景結構展示中，通過鼠標的左鍵實現模型的拖拽移動，右鍵實現模型的旋轉，通過滾輪滾動實現模型的縮放。當點擊“自動拆裝”按鈕時可用播放發電機的拆解動畫，隨后會自動安裝，增進用戶對發電機內部構造的學習和工作原理的理解。動畫展示效果，如圖7所示。

4 結論

虛擬現實技術在汽車發電機的虛擬拆裝和故障檢修等功能領域還是空白。在設計虛擬實訓平臺時，發電機內部構造中的每一個零部件都需要三維掃描和軟件建模，并且綁定腳本程序，設置動畫效果，完成整體的旋轉和縮放功能。但是由于這是在虛擬環境下的實訓，碰撞檢測問題需要設置，避免出現部件拆裝時的交叉。發電機實訓平臺模擬了真實裝配和檢修過程，解決了院校場地和設備緊缺問題，同時對于理實一體化的建設有重要的現實意義。