CN108153932A - 桌面式三维虚拟维修模型的建模系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种桌面式三维虚拟维修模型的建模系统，包括：几何属性建模单元，用于绘制虚拟维修对象的外形结构，建立约束关系；过程属性建模单元，用于将维修对象的维修过程序列化、标准化；行为属性建模单元，用于设置虚拟工具，并建立对虚拟工具的实时跟随；交互属性建模单元，用于建立虚拟维修过程中与用户的交互模式，所述交互模式包括：虚拟维修演示模式和虚拟维修训练模式。本发明提供的桌面式三维虚拟维修模拟维修模型的建模系统，能够利用计算机将相关的设备硬件和虚拟软件结合，对维修对象建立三维虚拟维修模型，在虚拟环境中实现对维修对象的仿真模拟。

Description

桌面式三维虚拟维修模型的建模系统
技术领域
本发明涉及虚拟现实技术领域，尤其涉及虚拟现实技术在武器装备维修领域的应用。
背景技术
近年来，随着机械电子技术以及制造技术的发展，各种装备的复杂程度越来越高，从而导致了装备的维护保养以及维修成本大幅度上升，同时维修工作对保持机械电子类产品和复杂装备的完好性和持续运行有着极其重大的意义。所以，复杂机械机电类产品和装备的维修工作越来越受到各方面的极大关注。以往对装备的维修培训，评价以及验证考核工作大部分都是在实装上完成，对装备维修人员的培训主要由某装备的生产厂家或者专门的配套培训机构两种途径完成。而这两种途径都有一个共同的特点，那就是都需要在实际装备上完成培训工作。正是因为这种实装训练的方式导致维修培训工作中有着很多的不足。
尽管教材或者PPT方式的教学可以让学员较快的掌握维修相关的知识，然而远离实装现场，很难有形象直观的感受。维修学员对维修的装备以及维修工况环境也不能印象深刻。
但是，如果将维修培训工作安排于实装上，则会面临诸如实装的数量、类型有限，训练场地不足等限制。这样，难以保证那些接受训练的维修学员在实装上操作训练的时间以及数量，维修的人员培训时间会延长。而且在维修培训过程中需要消耗大量的器材以及对装备造成损耗，这样就会大大提高了维修训练的成本。
在实际装备上训练时，大量的故障现象以及维修手段难以重现，因而难以满足维修人员培训的需要。
实际训练的装备难以跟上新装备的开发进度，而且一些新装备开发后，需要同时保证维修人员，此时的实装训练基本上不可实行，从而影响维修人员的质量。
由于这些不足，一个更为优秀的维修训练解决方案的出现就显得格外重要。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供了一种桌面式三维虚拟维修模拟维修模型的建模系统，能够利用计算机将相关的设备硬件和虚拟软件结合，对维修对象建立三维虚拟维修模型，在虚拟环境中实现对维修对象的仿真模拟。
为了解决上述问题，本发明提供一种桌面式三维虚拟维修模型的建模系统，包括：
几何属性建模单元，用于绘制虚拟维修对象的外形结构，建立约束关系；
过程属性建模单元，用于将维修对象的维修过程序列化、标准化；
行为属性建模单元，用于设置虚拟工具，并建立对虚拟工具的实时跟随；
交互属性建模单元，用于建立虚拟维修过程中与用户的交互模式，所述交互模式包括：虚拟维修演示模式和虚拟维修训练模式。
可选地，所述几何属性建模单元基于维修工具、维修对象绘制所述外形结构，所述约束关系包括：装配约束、维修对象的部件的材质信息，所述约束关系作为模型轻量化的基础。
可选地，所述几何属性建模单元的外形结构包括：高精度几何属性模型，用于建立维修对象的零件细节模型；低精度几何属性模型，用于从维修任务出发，对维修场景、维修对象、维修工具外形进行建模。
可选地，所述几何属性建模单元利用双向多层次集合属性模型建模方法建立所述几外形结构，通过烘焙方法将高精度几何属性模型的细节用贴图渲染出来，并且将渲染出来的贴图贴到低精度的模型上。
可选地，所述过程属性建模单元基于GB/T21654-2008《顺序功能图用GRAFCE规范语言》对维修过程进行拆装过程建模，以Petri网格理论为基础，采用图形表示，用步与转换描述维修过程。
可选地，所述过程属性建模单元还用于在建模过程中加入报错机制，所述报错机制适用于在违反标准序列化操作时的报错机制。
可选地，行为属性建模单元通过将虚拟工具挂在鼠标的光标中实现对维修工具的实时跟随。
可选地，所述虚拟维修演示模式是通过按钮触发维修部件的拆装动画，为防止按钮触发动画时维修部件出现紊乱，在设计每个拆装步骤时保存维修部件的当前状态，在触发相应维修步骤按钮时首先调用上一步骤的部件维修状态，通过此设计思路，可以达到实时演示每一个虚拟维修步骤。
可选地，所述虚拟维修训练模式是通过鼠标碰撞检测拾取维修工具，移动工具到达维修部位，通过碰撞检测或约束感知辅助定位的方法寻找拆卸零件，此时系统按照约束特征对工具和零部件进行匹配检测；检测通过后，系统调用目标状态库中的信息，确定工具盒零部件的连接状态；然后激活拆卸动作，并调用拆卸行为库的拆卸行为模型逆过程表现装配过程。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明提供的桌面式三维虚拟维修模拟维修模型的建模系统，能够利用计算机将相关的设备硬件和虚拟软件结合，对维修对象建立三维虚拟维修模型，在虚拟环境中实现对维修对象的仿真模拟，其能够为装备的操作训练，维修操作训练等提供一个形象直观的模拟环境，从而有效的缩短的训练的时间，大大提升了训练的质量，以及节约了训练的费用。
进一步优化地，通过双向多层次几何属性模型的建模方法，通过烘焙的方法把高精度模型上的细节用贴图渲染出来，然后把渲染出来的贴图贴到低精度的模型上，使得低精度的模型外观有了高精度模型的细节效果。这样不但增强仿真效果，同时对几何模型达到了轻量化的目的，从而降低了虚拟仿真对计算机硬件的性能要求，提高了虚拟仿真的效率。
进一步优化地，所述虚拟维修演示模式下是通过按钮触发维修部件的拆装动画，为防止按钮触发动画时维修部件出现紊乱，在设计每个拆装步骤时保存维修部件的当前状态，在触发相应维修步骤按钮时首先调用上一步骤的部件维修状态，通过此设计思路，可以达到实时演示每一个虚拟维修步骤。
附图说明
图1是本发明一个实施例的桌面式三维虚拟维修模型的建模系统的结构示意图。
图2是本发明一个实施例的几何属性建模过程示意图。
图3是本发明一个实施例的过程属性中常见过程构型示意图。
图4是本发明一个实施例的过交互属性建模过程示意图。
具体实施方式
所谓桌面式三维虚拟维修就是使用计算机图形学、虚拟现实等技术，本发明的桌面式三维虚拟维修模型的建模系统利用计算机，将相关设备硬件和虚拟软件结合起来，在虚拟环境中实现对实体装备的仿真，用于实装的维修训练的系统。其能够为装备的操作训练，维修操作训练等提供一个形象直观的模拟环境，从而有效的缩短的训练的时间，大大提升了训练的质量，以及节约了训练的费用。
具体地，本发明提供一种桌面式三维虚拟维修模型的建模系统，包括：
几何属性建模单元，用于绘制虚拟维修对象的外形结构，建立约束关系；
过程属性建模单元，用于将维修对象的维修过程序列化、标准化；
行为属性建模单元，用于设置虚拟工具，并建立对虚拟工具的实时跟随；
交互属性建模单元，用于建立虚拟维修过程中与用户的交互模式，所述交互模式包括：虚拟维修演示模式和虚拟维修训练模式。
下面结合具体的实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。首先，几何属性建模单元基于维修工具、维修对象绘制所述外形结构，所述约束关系包括：装配约束、维修对象的部件的材质信息，所述约束关系作为模型轻量化的基础。通过几何建模获得装备几何模型数据，同时利用虚拟引擎提供的文件输出功能转化为所需要的文件格式，然后在虚拟引擎中，通过数据简化，对几何模型的层级结构从新进行划分，同时获得装配约束、部件的质量材质等基本信息，为物理属性建模提供基础。为达到模型轻量化目的。
所述几何属性建模单元的外形结构包括：高精度几何属性模型，用于建立维修对象的零件细节模型；低精度几何属性模型，用于从维修任务出发，对维修场景、维修对象、维修工具外形进行建模。
结合图2，图2是本发明一个实施例的几何属性建模过程示意图。所述几何属性建模单元利用双向多层次集合属性模型建模方法建立所述几外形结构，主要从维修任务出发，对维修场景、维修对象、维修工具外形上进行建模。 所述双向包括A-向和B-向，其中A-向为几何信息处理与应用，A-向为高精度几何属性建模，主要包括维修部件的各零件细节建模，获得零部件运动属性信息、零部件物理属性信息，零部件特征属性信息、零部件约束属性信息等，B-向为低精度几何属性建模，主要从维修任务出发，对维修场景、维修对象、维修工具外形上进行建模，获得装备几何实体模型、工具几何实体模型、地形实体几何模型、其他维修仿真模型等
然后，通过烘焙的方法把高精度模型上的细节用贴图渲染出来，然后把渲染出来的贴图贴到低精度的模型上，使得低精度的模型外观有了高精度模型的细节效果。这样不但增强仿真效果，同时对几何模型达到了轻量化的目的，从而降低了虚拟仿真对计算机硬件的性能要求，提高了虚拟仿真的效率。
本发明所述的过程属性建模单元基于GB/T21654-2008《顺序功能图用GRAFCE规范语言》对维修过程进行拆装过程建模，以Petri网格理论为基础，采用图形表示，用步与转换描述维修过程。
GRAFCE规范基本元素包括：
步，表示组件拆装过程中，当前组件所处状态。
转换，由一步到另一步，转换由一条垂直于两步之间有向连接线表示，在这个过程中需要对维修工具进行约束。
请结合图3，图3是本发明一个实施例的过程属性中常见过程构型示意图。常见的过程包括：
顺序：表示当前拆卸状态完成即可进入下一个状态；
And分支：表示当前拆卸状态完成可以同时进入下几个状态；
And交汇：表示当前几个拆卸状态必须都完成才可进入下一个状态；
Or分支：表示当前状态完成可以进入以下几个状态中的其中一个；
Or交汇：表示当前几个状态有其中一个完成即可进入下一个状态。
这样步骤与步骤之间构成了条件_事件的关系，即后一个操作是在前一个操作完成的基础上进行。
所述过程属性建模单元还用于在建模过程中加入报错机制，所述报错机制适用于在违反标准序列化操作时的报错机制。实际维修训练中经常出现误拿工具或者违反正规流程的操作，因此在该过程属性建模中加入了违反标准序列化操作时报错机制。其设计原理是在条件_事件中加入错误提醒，同时满足工具和标准序列条件时进入下一步操作，否则调用错误提醒。此外，为保证后续程序的正常运行，在每步操作结束时应对条件进行归零设置。
该过程结束时，应给出实际维修训练结果，让学员了解自身训练任务完成质量。设计思路如下：
当学员选择当前拆装训练任务时，系统会自动记录此次训练的科目，并调出该训练科目总的步骤数；
在学员拆装操作训练中每完成一步，系统自动记录该步骤信息，当学员选择训练结束后，系统会给出此次已训练的步骤数以及训练的开始和结束时间。
行为属性建模单元通过将虚拟工具挂在鼠标的光标中实现对维修工具的实时跟随。行为建模的难点是维修工具的选取和实时跟随。通过提前为每个工具设置唯一的标识，解决了工具正确选取的难题。通过将虚拟工具挂在鼠标的光标中实现了维修工具的实时跟随。
交互属性建模，用于建立虚拟维修过程中与用户的交互模式，所述交互模式包括：虚拟维修演示模式和虚拟维修训练模式，分别用于演示和训练。交互属性建模的过程请参考图4，图4是本发明一个实施例的过交互属性建模过程示意图。
演示模式下的交互模式是通过按钮触发维修部件的拆装动画。为防止按钮触发动画时维修部件出现紊乱，在设计每个拆装步骤时保存维修部件的当前状态，在触发相应维修步骤按钮时首先调用上一步骤的部件维修状态，通过此设计思路，可以达到实时演示每一个虚拟维修步骤。
训练模式下交互模式主要是通过鼠标碰撞检测拾取维修工具，移动工具到达维修部位，通过碰撞检测或约束感知辅助定位的方法寻找拆卸零件，此时系统按照约束特征对工具和零部件进行匹配检测；检测通过后，系统调用目标状态库中的信息，确定工具盒零部件的连接状态；然后激活拆卸动作，并调用拆卸行为库的拆卸行为模型逆过程表现装配过程。
所述虚拟维修演示模式是通过按钮触发维修部件的拆装动画，为防止按钮触发动画时维修部件出现紊乱，在设计每个拆装步骤时保存维修部件的当前状态，在触发相应维修步骤按钮时首先调用上一步骤的部件维修状态，通过此设计思路，可以达到实时演示每一个虚拟维修步骤。
综上，本发明提供的桌面式三维虚拟维修模拟维修模型的建模系统，能够利用计算机将相关的设备硬件和虚拟软件结合，对维修对象建立三维虚拟维修模型，在虚拟环境中实现对维修对象的仿真模拟，其能够为装备的操作训练，维修操作训练等提供一个形象直观的模拟环境，从而有效的缩短的训练的时间，大大提升了训练的质量，以及节约了训练的费用。
进一步优化地，通过双向多层次几何属性模型的建模方法，通过烘焙的方法把高精度模型上的细节用贴图渲染出来，然后把渲染出来的贴图贴到低精度的模型上，使得低精度的模型外观有了高精度模型的细节效果。这样不但增强仿真效果，同时对几何模型达到了轻量化的目的，从而降低了虚拟仿真对计算机硬件的性能要求，提高了虚拟仿真的效率。
进一步优化地，所述虚拟维修演示模式下是通过按钮触发维修部件的拆装动画，为防止按钮触发动画时维修部件出现紊乱，在设计每个拆装步骤时保存维修部件的当前状态，在触发相应维修步骤按钮时首先调用上一步骤的部件维修状态，通过此设计思路，可以达到实时演示每一个虚拟维修步骤。
因此，上述较佳实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种桌面式三维虚拟维修模型的建模系统，用于对维修对象建立三维虚拟维修模型，在虚拟环境中实现对维修对象的仿真模拟，其特征在于，包括：
几何属性建模单元，用于绘制虚拟维修对象的外形结构，建立约束关系；
过程属性建模单元，用于将维修对象的维修过程序列化、标准化；
行为属性建模单元，用于设置虚拟工具，并建立对虚拟工具的实时跟随；
交互属性建模单元，用于建立虚拟维修过程中与用户的交互模式，所述交互模式包括：虚拟维修演示模式和虚拟维修训练模式。
2.如权利要求1所述的桌面式三维虚拟维修模型的建模系统，其特征在于，所述几何属性建模单元基于维修工具、维修对象绘制所述外形结构，所述约束关系包括：装配约束、维修对象的部件的材质信息，所述约束关系作为模型轻量化的基础。
3.如权利要求1所述的桌面式三维虚拟维修模型的建模系统，其特征在于，所述几何属性建模单元的外形结构包括：高精度几何属性模型，用于建立维修对象的零件细节模型；低精度几何属性模型，用于从维修任务出发，对维修场景、维修对象、维修工具外形进行建模。
4.如权利要求3所述的桌面式三维虚拟维修模型的建模系统，其特征在于，所述几何属性建模单元利用双向多层次集合属性模型建模方法建立所述几外形结构，通过烘焙方法将高精度几何属性模型的细节用贴图渲染出来，并且将渲染出来的贴图贴到低精度的模型上。
5.如权利要求1所述的桌面式三维虚拟维修模型的建模系统，其特征在于，所述过程属性建模单元基于GB/T21654-2008《顺序功能图用GRAFCE规范语言》对维修过程进行拆装过程建模，以Petri网格理论为基础，采用图形表示，用步与转换描述维修过程。
6.如权利要求5所述的桌面式三维虚拟维修模型的建模系统，其特征在于，所述过程属性建模单元还用于在建模过程中加入报错机制，所述报错机制适用于在违反标准序列化操作时的报错机制。
7.如权利要求1所述的桌面式三维虚拟维修模型的建模系统，其特征在于，行为属性建模单元通过将虚拟工具挂在鼠标的光标中实现对维修工具的实时跟随。
8.权利要求1所述的桌面式三维虚拟维修模型的建模系统，其特征在于，所述虚拟维修演示模式是通过按钮触发维修部件的拆装动画，为防止按钮触发动画时维修部件出现紊乱，在设计每个拆装步骤时保存维修部件的当前状态，在触发相应维修步骤按钮时首先调用上一步骤的部件维修状态，通过此设计思路，可以达到实时演示每一个虚拟维修步骤。
9.权利要求1所述的桌面式三维虚拟维修模型的建模系统，其特征在于，所述虚拟维修训练模式是通过鼠标碰撞检测拾取维修工具，移动工具到达维修部位，通过碰撞检测或约束感知辅助定位的方法寻找拆卸零件，此时系统按照约束特征对工具和零部件进行匹配检测；检测通过后，系统调用目标状态库中的信息，确定工具盒零部件的连接状态；然后激活拆卸动作，并调用拆卸行为库的拆卸行为模型逆过程表现装配过程。
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