車用內燃機AR檢修系統開發與關鍵技術

徐 燕，呂 莉

(1.成都農業科技職業學院，成都 611130；2.四川工業科技學院，四川 德陽 618500)

0 引言

內燃機是一種熱效率高、機動性好、使用方便的熱力發動機，主要用于乘用汽車和商用汽車上，是保證汽車穩定、安全運行的重要條件。在汽車內燃機維修過程中，由于其結構較為復雜，在故障排除過程中僅僅依靠相關機械零件圖紙材料無法實現內燃機真實場景的模擬與展示[1-3]，導致維修人員對內燃機結構認知和模型難以了解。在車用內燃機維修過程中，常出現如下主要問題。一是專業理論欠缺，認知不足。由于汽車種類較多，其裝配的內燃機型號種類也存在一定的差異。即使汽車維修人員進行維修培訓，后期在維修過程中也會存在因專業理論欠缺、實踐不足等導致的維修問題。二是維修手段滯后，效率不高。汽車維修人員在進行內燃機維修前需要對各個結構有清晰的了解與認知，但是內燃機結構復雜，前期維修培訓與維修手冊操作流程等較為刻板，導致維修手段滯后，效率不高[4]。三是檢修技術差異大，維修質量難控。車用內燃機較為昂貴，由于不同維修人員的經驗和習慣存在較大的差異性，在操作實踐過程中可能會因相關操作失誤導致零件受損等問題，因此，在車用內燃機維修過程中會存在操作標準不一致，維修質量難把控等問題。

1 國內外研究現狀

1.1 增強現實技術概念與意義

增強現實技術(AR)是在虛擬現實技術(VR)的基礎上，融合數字技術、物理技術、計算機技術、電子信息技術和仿真技術，將虛擬現實與真實環境進行連接[5-7]，將現實環境中的內容進行突出顯示，因此被稱為“增強現實”。AR技術可以為用戶提供一種更加直觀、立體的視覺效果，甚至可以提供聽覺技術。隨著近年來計算機技術的快速發展及國家對高新技術產業的大力支持，增強現實技術(AR)也在各個行業中得到了廣泛應用與發展。AR技術的應用優勢如下。

1)AR技術屬于一種高新技術，可以提高維修技術人員的知識學習興趣。在車用內燃機維修過程中，可以實現對內燃機的拆卸演示、認知識別、裝配演示等，可以為維修人員提供一種新的學習方式，改善了傳統枯燥的教學操作模式。

2)能夠提高教學環境，提升學習效率。在目前汽車維修專業的教學環境中，主要采用“教材+板書+PPT”進行書面講解，課程枯燥無味，學生學習效率較低。將AR技術融入教學過程中，可以更加形象、立體地向學生展示豐富的教學內容，可以提高汽修專業學生的學習興趣與學習效率。

3)降低維修成本與投入資金。傳統汽車維修，企業維修人員在維修中或是職業院校學生在實訓時由于相關操作失誤，會導致零件受損、維修質量難控、維護成本高等問題，將AR技術融入可有效解決上述問題，降低維修成本與投入資金。

綜上所述，AR技術在汽車維修中具有操作簡單、認知性能強等應用優勢，可以用于汽車維修企業對內燃機輔助維修及員工的職業培訓、相關高校教學。

1.2 發展現狀

AR技術可以將各類圖像信息等資源整合，然后融入到現實環境中，并基于可視化技術呈現到用戶面前，增強用戶的真實體驗感。AR技術起源于20世紀中期，由美國飛歌公司研發，創造出首個增強現實的系統，到20世紀末期逐漸實現商業化應用。后期，Magic Book將教學內容以動畫和3D場景展示出來，可以通過特制的眼鏡看到虛擬場景。

日本奈良科學院在2005年將AR技術用于塞班系統智能手機服務，墨爾本大學將AR技術應用到醫學掃描中，可以直接掃描出人體骨骼與肌肉構造。相關研究預測，預計在2025年，AR技術將在Google、Apple、Facebook等三巨頭的推動下，使用用戶將達到35億[8]。

我國AR技術的研究起步較晚，使用數量與應用范圍與國外還存在一定的差距。但是，近年來，隨著國家的支持與高度重視，我國在各個地區逐漸開展以AR技術和虛擬現實技術試驗基地的建設與發展。如香港城市大學基于AR技術將古物，如壁畫等展示給觀眾，解決了由于壁畫脆弱而導致人員無法直接參觀的問題。華中師范大學將AR技術應用到生物教學中，更加直觀地展示復雜的人體結構。目前，AR技術在工業生產中也得到了廣泛應用，解決了工業產品中由于裝配工序較多導致操作失誤等問題，基于AR技術，維修人員可以實時根據AR畫面指引進行標準化維修與操作，提高工作效率。

2 基本結構與關鍵技術研究

2.1 整體思想

本研究主要是解決車用內燃機維修中出現的難題。首先是可以進行輔助教學、企業培訓，提高學生、員工的理論知識，其次可以在維修人員進行內燃機維修過程中和學生學習實訓中，實現輔助維修的作用。

2.2 系統要求

車用內燃機AR檢修系統主要分為3個技術模塊，既理論認知模塊、拆裝教學模塊和檢修演示模塊，如圖1所示。

圖1 AR系統整體組成結構示意圖

2.2.1 理論認知模塊

用戶可以對車用內燃機相關結構進行全面分析與介紹。

2.2.2 拆裝教學模塊

對車用內燃機關鍵部件，如曲柄連桿機構、潤滑系統、燃油供給系統等進行系統介紹，同時可以生動展示各個模塊的拆解與安裝過程，效果生動形象。

2.2.3 檢修展示模塊

在實現上述功能的基礎上，可以對車用內燃機常見故障與故障排除方法進行詳細展示，并根據實際問題提出合理的解決方案，達到汽車維修過程中的輔助維修目的。

2.3 系統開發工具

2.3.1 系統建模軟件

車用內燃機建模軟件主要包括UG、Solid Works、3D Max等技術。可以對車用內燃機進行1∶1建模。

2.3.2 系統開發工具選擇

完成AR檢修系統中場景編輯、腳本編輯和文件轉化等，實現數據交換、場景協調整合及三維數據管理等功能。

2.4 顯示設備

AR系統中重點為虛擬場景的生成區，通過計算機建模在生成區進行場景展示，然后進行場景渲染，進而實現虛擬與現實的結合。

3 車用內燃機AR系統研究

本研究主要以安卓手機系統為移動終端，實現對車用內燃機的檢修與結構認知，可以對車用內燃機拆解過程、維修原理和裝配技術等進行可視化展示，實現內燃機檢修，如圖2所示。主要實現以下三個功能：一是通過掃描展示內燃機簡圖，實現對整體結構的認知。二是通過手機對內燃機某一部分進行掃描時，可以展示立體效果，分解拆裝步驟；對工量具進行掃描時，可以展示其功能及使用方法。三是通過人機交互窗口實現對車用內燃機整體結構的認知與輔助檢修模塊的使用。

圖2 系統整體結構組成

在車用內燃機AR檢修系統使用過程中，首先可以實現對車用內燃機的結構學習，還可以在車用內燃機維修中進行工量具使用、零件拆裝步驟參考與自主操作。用手機掃描相關目標圖片后，手機屏幕就可以展示目標模型，并通過人機交互實現實時交流，用戶可以通過手機屏幕上各個功能模塊的掃描，點擊以縮放、旋轉方式實現結構認知，動圖、視頻原理展示，拆裝和檢修步驟提醒，故障實例展示等功能。

4 結語

本研究以車用內燃機維修為研究對象，使用三維建模軟件和Unity3D為主要開放平臺建立內燃機AR檢修系統。通過對車用內燃機AR檢修系統關鍵技術和結構進行系統論述。研究結果可以實現輔助維修、企業培訓及教學，對于推動汽車維修行業的發展具有重要意義，對于提升車用內燃機維修效率提供技術參考。未來還應該進一步完善汽車發動機建模細節，擴大汽車發動機故障檢修內容。