精密壓力表標準裝置檢定仿真教學系統(tǒng)開發(fā)
針對當前精密壓力表標準裝置檢定教學中存在的理論教學過于抽象、多媒 體視頻教學缺少互動、實驗教學設(shè)備昂貴的問題，設(shè)計了一種精密壓力表標準裝置 檢定仿真教學系統(tǒng)。使用3DMAX建模軟件創(chuàng)建精密壓力表標準裝置檢定設(shè)備模 型’ Photoshop軟件處理設(shè)備貼圖’ Adobe After Effects軟件制作教學視頻，然后利用 Umty3D虛擬仿真引擎搭建虛擬仿真教學系統(tǒng)。系統(tǒng)包括結(jié)構(gòu)原理展示、視頻動畫 教學和虛擬仿真實操三種教學方式，實現(xiàn)了精密壓力表標準裝置檢定仿真教學的 功能，交互式設(shè)計能夠增加學生的學習熱情和效率，彌補了傳統(tǒng)教學方式的不足。
測試表明，系統(tǒng)具有開發(fā)成本低、沉浸性強和教學效果好的特點。
0.引言
精密壓力表是壓力測量測試、檢測校驗、檢驗檢定 等壓力參數(shù)相關(guān)領(lǐng)域中最常用的一種計量標準器。 由于受到環(huán)境溫濕度、介質(zhì)氣氛、彈簧管變形等因素的 影響，其測量準確度會受到影響，因此必須進行周期性 檢定，國家計量檢定規(guī)程JJ494013《彈性元件式精密壓力表和真空表》強制規(guī)定精密壓力表的檢定周期不 超過1年。因此，精密壓力表標準裝置檢定方法被 列為儀器儀表測試類專業(yè)教學中的重要內(nèi)容。
高校對精密壓力表標準裝置檢定的教學以理論講 解為主，輔助以多媒體視頻播放，理論講解抽象難懂， 缺乏實際練習的學生很難真正掌握檢定方法。無疑通 過購買大量精密壓力表標準裝置供學生實操練習是改 善教學效果的有效方式，但是由于該設(shè)備價格非常昂 貴，因此購買大量設(shè)備的方法并不現(xiàn)實。
目前，對精密壓力表標準裝置檢定仿真研究尚處 于初級階段。林卓凡研究的計算機檢定記錄數(shù)據(jù)處理 程序，節(jié)約了運算時間，提高了運算結(jié)果精確度，是 將計算機技術(shù)應(yīng)用于壓力表檢定的先例，但并未進一 步對壓力表的檢定過程進行仿真。還有一種基于 Visual Basic的壓力表檢定系統(tǒng)，設(shè)計了計算機管理系 統(tǒng)和數(shù)字式壓力計接口程序，免去了大量原始記錄和 證書打印過程中的數(shù)據(jù)輸入工作，但是系統(tǒng)只適用 于數(shù)字式壓力計，對于廣泛使用的彈簧式壓力表并不 適用。另外還出現(xiàn)了一種基于PLC的壓力表自動檢 定系統(tǒng)，雖然實現(xiàn)了壓力表檢定全程自動化，但系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)復雜價格昂貴，因此并未得到廣泛使用。
針對以上問題，對仿真教學系統(tǒng)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)進 行了研究，設(shè)計了仿真加壓過程的IK算法，壓力表結(jié) 構(gòu)拆解算法和光線投射碰撞檢測方法，開發(fā)了一種交 互性強、經(jīng)濟實用、操作方便的精密壓力表標準裝置檢 定仿真教學系統(tǒng)。系統(tǒng)由結(jié)構(gòu)原理展示、視頻動畫教 學和虛擬仿真實操三部分組成。結(jié)構(gòu)原理展示部分可 以使學員對設(shè)備的外形結(jié)構(gòu)有一定的感性認識，視頻 動畫教學是通過三維視頻對檢定過程的詳細講解，虛 擬仿真實操是對學習效果的實際練習和測試。
1.系統(tǒng)總體設(shè)計
1.1功能需求分析
精密壓力表標準裝置檢定仿真教學系統(tǒng)主要應(yīng)用 于輔助高校儀器儀表相關(guān)專業(yè)的教學，利用虛擬仿真 技術(shù)形象逼真的特點降低相關(guān)知識的理論深度，使抽 象理論講解變成可視化、可交互的學習過程。系統(tǒng) 需要實現(xiàn)對臺式氣壓泵、臺式水壓泵和精密壓力表三 個設(shè)備的仿真教學功能，如圖1所示，以臺式氣壓泵為 例每一個設(shè)備都需要實現(xiàn)以下幾個功能：
（1）結(jié)構(gòu)原理展示。實現(xiàn)臺式氣壓泵的三維模型 展示，對實驗室環(huán)境的仿真，以及鼠標對模型的縮放和 旋轉(zhuǎn)控制。設(shè)定產(chǎn)品概述、技術(shù)參數(shù)介紹、音頻講解和 更多操作4個側(cè)邊彈窗，通過按鈕控制彈窗顯示和隱 藏。其中技術(shù)參數(shù)應(yīng)包括臺式氣壓泵使用環(huán)境、壓力 范圍、調(diào)節(jié)細度、傳壓介質(zhì)和壓力連接等。更多操作部 分需要實現(xiàn)各組成部分名稱顯示和隱藏，以及除去外 殼部分的內(nèi)部結(jié)構(gòu)展示和返回主操作界面的功能。
（2）視頻動畫教學。視頻動畫教學的目的是使學 生對臺式氣壓泵的結(jié)構(gòu)原理有一定的認識之后，進一 步對其技術(shù)規(guī)格和操作規(guī)范的三維動畫講解。包括標 準表的清零、單位轉(zhuǎn)換、被檢表的外觀檢查和零位檢 查，以及對示值誤差、回程誤差、輕敲位移檢定方法的 和收尾工作的三維視頻講解。
(3)虛擬仿真實操。虛擬仿真實操部分為了使學 生進行實際操作練習，以及學習效果進行測試，系統(tǒng)要 提供操作步驟提示，并根據(jù)學生操作對錯決定是否進 入下一步操作。需要實現(xiàn)標準表和被檢表表盤的近距 離展示，以減小讀數(shù)誤差，增加檢定的準確性。此 外，學生應(yīng)能夠?qū)⒆x數(shù)填入檢定記錄表格中，生成檢定記錄文檔，并實現(xiàn)Word轉(zhuǎn)pdf格式的功能。
1.2技術(shù)路線
系統(tǒng)開發(fā)分為前期準備工作和虛擬場景開發(fā)，如 圖2所示。
在前期的準備工作中，首先運用3Dmax軟件建立 臺式氣壓泵、臺式水壓泵、標準表、被檢表，實驗室和實 驗臺的三維模型，模型在達到一定精細度的基礎(chǔ)上面 片數(shù)應(yīng)盡量少，特別是像臺式水壓泵這樣結(jié)構(gòu)復雜的 模型，減少面片數(shù)的方法包括刪除看不到的面和減少 面的分段數(shù)，以減輕硬件負擔，從而減少應(yīng)用程序啟動 時場景加載的時間M。同時米用Photoshop圖片處理 軟件制作模型的材質(zhì)貼圖、Unity3 D中的材質(zhì)紋理貼 圖、特效貼圖和UI貼圖等，制作所需大小和分辨率的 圖片，保存為.png格式文件，并存放在Unity3D的資產(chǎn) 文件夾中。并利用Adobe After Effects圖形視頻處理 軟件制作模型動畫視頻，包括往快接頭上安裝標準表 和被檢表的視頻、輕敲被檢表的視頻、氣壓泵和水壓泵 的操作步驟講解視頻等。最后，為視頻加上配音和片 頭導出為.mov格式文件，放入Unity3D的資產(chǎn)文件夾 中，在Unity3D系統(tǒng)開發(fā)過程中使用。
虛擬場景開發(fā)包括主程序框架設(shè)計、模型交互特 性和動畫設(shè)計、角色控制、按鈕觸發(fā)事件設(shè)計、視頻播 放和相機切換控制以及數(shù)據(jù)庫連接。主程序框架設(shè)計 將仿真系統(tǒng)分為臺式氣壓泵、臺式水壓泵、標準表、被 檢表、實驗室、和主界面六個場景，系統(tǒng)運行時首先打 開主界面場景，點擊主界面上的不同按鈕會觸發(fā)相應(yīng) 的事件并加載對應(yīng)的場景。為了實現(xiàn)結(jié)構(gòu)原理展示/ 視頻動畫教學和虛擬仿真實操三部分功能，模型交互 特性和動畫設(shè)計部分為每一個場景創(chuàng)建操作對象，這 些包括3Dmax中創(chuàng)建的模型和Unity3D自帶的簡單模 型，接下來為對象添加材質(zhì)、碰撞器、剛體、動畫控制 器、音頻偵聽器和腳本等組件，這些組件會用到前期制 作的圖片和視頻等資源，其中腳本組件是系統(tǒng)開發(fā)中 的重要內(nèi)容，系統(tǒng)中采用C #語言編寫腳本，實現(xiàn)視頻 播放控制、相機切換、模型交互和動畫播放暫?？刂埔?/span> 及連接數(shù)據(jù)庫等功能。建立標準表數(shù)據(jù)庫、被檢表數(shù) 據(jù)庫和檢定誤差記錄數(shù)據(jù)庫，使用SQL訪問數(shù)據(jù)庫， 實現(xiàn)數(shù)據(jù)的添加、查詢以及更新，并生成檢定記錄表。
2.仿真關(guān)鍵技術(shù)
加壓過程是一個包括加壓手柄的抬起和放下、加 壓手柄連接桿跟隨加壓手柄運動、標準表和被檢表示 數(shù)增加等一系列動作，是仿真的關(guān)鍵，針對這一問題提 出了基于IK算法的加壓過程仿真方法。為了實現(xiàn)壓 力表內(nèi)部結(jié)構(gòu)展示，設(shè)計了壓力表內(nèi)部結(jié)構(gòu)拆解算法。 實現(xiàn)了基于光線投射碰撞檢測方法對實驗室門打開狀 態(tài)控制和實操練習進度的控制。
2.1仿真加壓過程
在壓力表檢定過程中，需要有一個穩(wěn)定的壓力提 供源來實現(xiàn)加壓和減壓，本仿真的臺式氣壓泵就是一 個采用壓桿式設(shè)計的氣體壓力源。如圖3所示， 臺式氣壓泵由兩個標準的M20 X1.5快接頭、截止閥、 加壓手柄、微調(diào)手輪、壓力真空轉(zhuǎn)換閥、卸壓閥組成。 左側(cè)快接頭安裝精密壓力表標準裝置，右側(cè)快接頭安 裝被檢壓力表，通過按壓加壓手柄實現(xiàn)加壓，微調(diào)手輪 實現(xiàn)對壓力的微調(diào)，壓力真空轉(zhuǎn)換閥實現(xiàn)對真空表檢 定和壓力表檢定的轉(zhuǎn)換，卸壓閥用來降壓，截止閥用來 連通和截止氣道。
為了仿真加壓手柄的加壓過程，需要用到反向動 力學(Inverse Kinematics，IK)算法，與之相對應(yīng)的是正 向動力學（Forward Kinematics，F(xiàn)K)算法，首先建立其 數(shù)學模型，設(shè)加壓手柄為handleO，與加壓手柄相連接 的連桿為handle1，handleO與handle1的連結(jié)點為 intersection:
public GameObject handleO ； public GameObject handle1 ； public GameObject intersection；
在正向動力學中handle1的位置變化會帶動 intersection和handleO位置的改變，即用父層級帶動子 層級的運動；而在反向動力學中，是通過handleO的位置’反求intersection和handle1的位置變化的，即先確 定子層級的位置，然后反求推出n級父層級的位置。 算法中將handle0與handle1視為兩個圓circle [0]和 circle [1]的圓心，handle0 和 handle1 到 intersection 的距離分別為兩個圓的半徑：
for (inti = 0 ; i < circles. Length; i + + )
{
circles [i] = new Circle (); points [i] = new Point ();
}
circles [0 ] . Radius = Vector3. Distance ( handle0. transform. position, intersection. transform. position);
circles [1 ] . Radius = Vector3. Distance ( handle1. transform.
position, intersection. transform. position);
circles [0] . X = handle0. transform. position. x;
circles [0] . Y = handle0. transform. position. y;
circles [1] . X = handle1. transform. position. x;
circles [1] . Y = handle1. transform. position. y;
要實現(xiàn)根據(jù)加壓手柄handle0得位置確定連桿 handle1的位置，相當于使handle1得位置和兩個圓的 半徑不變，handle0的位置每改變一次，會形成一個新 的圓 circle [0 ]，通過 Circlelntersection 類中定義的 Insect函數(shù)確定兩個圓的相交情況，如果有一個交點， 那么這個交點的位置就是intersection移動后的位置， 算法中，point [0]是Insect函數(shù)中求出的交點，通過 temp變量臨時記錄交點的位置，然后把它賦值給 intersection變量。如果有兩個交點，則其中與handle [0]移動方向一致的那個點代表intersection移動后的 位置。
Switch ( CircleIntersection. Insect (circles， points))
{手柄
設(shè)計算法實現(xiàn)了壓力表內(nèi)部結(jié)構(gòu)的拆解。首先在 StateHelper 類中聲明 bool 型變量 swtichDisassembly 代 表是否展示壓力表內(nèi)部結(jié)構(gòu)。初始值為false。當按下 內(nèi)部結(jié)構(gòu)按鈕時，swtichDisassembly轉(zhuǎn)變?yōu)閠rue。 public static bool swtichDisassembly = false;
swtichDisassembly 轉(zhuǎn) 變 為 true 時 ， 即 Press Disassembly類中的拆解函數(shù)Disassembly中的最外層 的if語句條件為真，接著執(zhí)行內(nèi)層的語句，當localX的 值設(shè)置為真時，物體在1 s之內(nèi)沿X軸方向移動到 CordinateNum的位置，實現(xiàn)拆解。當再次按下內(nèi)部結(jié) 構(gòu)按鈕時，swtichDisassembly轉(zhuǎn)變?yōu)閒alse，此時執(zhí)行 else語句，各個拆解部分在1 s之內(nèi)還原到原來所在的 位置。
控制顯示壓力表內(nèi)部結(jié)構(gòu)的算法如下：
if ( StateHelper. swtichDisassembly)
{
if ( localX)
{
gameObject. transform. DOLocalMove X ( CordinateNum， 1. 0f);
}
else if
case 2:
Debug. Log( ”兩圓相交，有兩個交點”）；
temp. x = (float) points [0] . X;
temp. y = (float) points [0] . Y;
temp. z = intersection. transform. position. z;
intersection. transform. position = temp;
break;
}
通過以上算法實現(xiàn)了加壓手柄移動帶動連桿移動 的目的。仿真效果如圖4所示，圖（a)和（b)分別表示 加壓手柄抬起和放下的狀態(tài)，中間為藍色控制條，滑動 上面的黑色滑塊可以控制加壓手柄的抬起和放下狀 態(tài)，以及抬起放下的高度大小。
2.2壓力表結(jié)構(gòu)拆解
精密壓力表由彈簧管、刻度盤、指針、襯圖、玻璃罩 和表殼組成，當壓力變化時，彈簧管內(nèi)的齒輪轉(zhuǎn)動，帶 動指針的轉(zhuǎn)動，指向刻度盤上的某一刻度。
}
else
{
gameObject. transform. DOLocalMove ( origin alPostion， 1. 0f);
}
壓力表拆解前后如圖 5。
2.3光線投射碰撞檢測方法
在精密壓力表標準裝置虛擬仿真系統(tǒng)中經(jīng)常需要 判斷物體之間是否發(fā)生碰撞，例如學員進入實驗室時， 一旦檢測到與門發(fā)生了碰撞就將門打開，進入實驗室 之后，當學員與實驗臺發(fā)生碰撞且按下F9鍵之后，就 進入虛擬仿真實操過程。Unity3D虛擬仿真引擎提供 了三種碰撞檢測方法，角色控制器碰撞檢測/光線投射 碰撞檢測和觸發(fā)器碰撞檢測。角色控制器碰撞 檢測方法是指當角色控制器和其他物體的碰撞器發(fā)生 碰撞時自動調(diào)用OnControllerColliderHit函數(shù)，使用該 方法的缺點是角色必須離門非常近幾乎貼到門上時門 才會打開，使用光線投射碰撞檢測方法就可以避免這 一問題。
Physics. Raycast ( gameObject. transform, position， gameObject. transform. forward， out hit，2f)
其中 gameObject. transform. position 表示投射光線 的初始位置為角色所在位置，gameObject. transform. forward表示光線的投射方向為角色面對的方向，out hit是RaycastHit類型的變量儲存了關(guān)于碰撞的信息， 2f表示光線的投射長度為2m，f代表float即浮點型數(shù) 據(jù)類型。也就是說當角色面向門且距離在兩米以內(nèi)時 門就會自動打開，否則門將關(guān)閉。
3.系統(tǒng)測試
虛擬仿真系統(tǒng)開發(fā)完成之后，以.exe格式文件發(fā) 布，雙擊該文件進入系統(tǒng)，首先根據(jù)屏幕分辨率選擇窗 口大小，然后進入主界面，學員可以選擇學習臺式氣壓 泵或者臺式水壓泵或者精密壓力表的結(jié)構(gòu)原理、三維 視頻和進行實操練習，結(jié)構(gòu)原理講解和三維視頻學習 是掌握實操方法的基礎(chǔ)，學生只有認真學習了前兩部 分之后才能夠順利進行虛擬實操，在實操練習過程中 只有當前步驟操作正確才可以進入下一步的操作，例 如臺式氣壓泵檢定壓力表的過程中，只有將標準表和 被檢表都安裝在對應(yīng)接頭上并且關(guān)閉截止閥和卸壓閥 時才可以進行加壓操作。而在結(jié)構(gòu)原理部分不僅可以 展示設(shè)備的外部結(jié)構(gòu)而且可以顯示其內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成， 臺式水壓泵的外部結(jié)構(gòu)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)展示見圖6。
4.結(jié)語
基于Unity3D虛擬仿真技術(shù)，結(jié)合3DMAX三維建 模軟件以及Photoshop和Adobe After Effects軟件開發(fā)的精密壓力表標準裝置檢定仿真教學系統(tǒng)，實現(xiàn)了精密壓力表標準裝置檢定仿真教學的功能。該系統(tǒng)解決 了傳統(tǒng)教學枯燥乏味無法進行實際操作的問題，又節(jié) 約了購買教學儀器的費用。測試表明，學習后學生不 僅能理解壓力表檢定的原理，而且可以更快掌握采用 臺式氣壓泵和臺式水壓泵檢定壓力表的實際操作步 驟，并且激發(fā)學生的學習熱情，提高學習效率。
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