雷達裝備機電液理虛實綜合教學平臺設計與實現

權建洲 李曉峰 焦盼德 李純仁

摘 要? 為滿足雷達裝備機電液系統保障教學需求，基于理虛實一體化教學理念，充分發揮虛擬現實技術與實裝實訓的優勢，對原有的雷達天線自動調平舉升實訓臺電氣控制系統和軟件系統進行升級，升級后該教學平臺綜合原理講解演示、虛擬拆裝訓練、實操訓練、故障診斷于一體。實踐表明，該平臺可以有效激發學員的學習興趣，為提升教學質量提供有力支撐。

關鍵詞? 雷達裝備機電液；綜合教學平臺；實訓

中圖分類號：E252? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2023）10-0032-06

Design and Implementation of Comprehensive Experimental Platform for Radar Equipment Hydromechatronics//QUAN Jianzhou， LI Xiao-feng， JIAO Pande， LI Chunren

Abstract? In order to meet the teaching needs of ra-dar equipment hydromectronics， based on the inte-grated teaching concept of theory， virtual reality and reality， the original electrical control system and software system of radar antenna automatic le-veling and lifting training platform are upgraded， giving full play to the respective advantages of?virtual reality technology and experimental training，?and integrating principle explanation and demons-tration， virtual disassembly， practical training and fault diagnosis. Practice shows that the platform can effectively stimulate students interest in learning and provide strong support for improving teaching quality.

Key words? radar equipment hydromectronics; compre-hensive experimental platform; training

Authors address? Radar Sergeant School， Air Force Early Warning Academy， Wuhan， China， 430019

0? 引言

現代戰爭中地面雷達有著舉足輕重的作用，自20世紀90年代以來，機電液技術因其獨特的優勢，在雷達天線自動調平、舉升與翻轉中得到越來越廣泛的應用[1-5]。為滿足雷達裝備機電液系統保障教學需要，開發雷達天線機電液自動調平架撤實訓臺，該實訓臺自建成后，在培養雷達裝備機電液系統保障專業人才中發揮了重要作用。但在長期教學實踐中發現該實訓臺存在一些不足：

1）功能相對較為單一，僅有天線調平、舉升翻轉等操作訓練功能，沒有專門設置故障排查訓練等功能；

2）控制系統實現上與實裝有差距，如支撐腿著地檢測方式與實際裝備不符；

3）信息化技術手段運用不足，如缺少對機電液系統的演示講解、排故訓練功能不充分、缺少考核模塊等問題。

近年來，以虛擬現實技術為代表的信息技術因其交互性好、沉浸感強，可以有效提升學習者的學習興趣、激發探索創新等優勢，在教學訓練中得到了廣泛的應用[6-10]。因此，有必要基于理虛實一體化教學理念，對原有的雷達天線自動調平舉升實訓臺電氣控制系統和軟件系統進行信息化改造，融合現代計算機技術、虛擬現實技術、仿真技術、系統集成技術等先進技術，對實訓臺軟硬件進行全面升級，將相關的機電液理論知識、虛擬操作、實操實訓、維修訓練、考核評價等模塊集成在雷達裝備機電液理虛實綜合教學平臺下，各模塊相互獨立、互為補充，平臺將課程教學的理論和實踐相結合，將虛擬仿真與實際操作相結合，學習者可通過自主式、沉浸式、互動式的學習，達到所學即所用，所用即其所學，使其在雷達裝備機電液系統保障人才培養中發揮更大效益。

1? 實訓臺簡介

現有的雷達裝備機電液實訓臺如圖1所示。該實驗臺由模擬天線座車的支撐平臺、水平傳感器、控制箱、支撐腿及鎖緊裝置、天線舉升框架、舉升支腿等部分組成。其中，支撐平臺模擬天線座車，在其下方設置四條固定長度的機械支撐腿，用于實訓臺在處于非工作狀態時承載整個實訓臺重量。四個液壓油缸分別安裝在固定框架的四個側面作為調平支撐腿，在調平時，通過分別控制四個液壓缸的伸出量，進行調平實驗。舉升框架用于模擬實現雷達天線的舉升，該框架采用平行四邊形結構，分別與固定框架和舉升油缸鉸接。通過兩個舉升油缸驅動天線舉升平行四邊形框架，從而實現天線的舉升和撤收。雙向水平傳感器安裝在支撐平臺的中心，用于獲取支撐平臺平面坐標X軸和Y軸方向的水平誤差信號。

2? 綜合教學平臺升級要求

雷達裝備機電液理虛實綜合教學平臺按照功能分為三大模塊：理論知識模塊、操作訓練模塊、考核模塊。其中，理論知識模塊對實訓臺中涉及的機電液理論知識，包括機械系統（調平機構、調平腿機構及翻轉機構）、液壓系統（液壓元件、液壓回路及液壓系統）及電器系統（傳感器及PLC）等相關知識，通過視頻、動畫、微課等形式進行講解與演示。操作訓練模塊由虛擬拆裝訓練、實操訓練及維修訓練組成。虛擬拆裝訓練包括機械機構的虛擬拆裝、液壓原件虛擬拆裝等；實操訓練包括對實訓臺實現平臺自動調平、舉升、回收，系統故障自動檢測、顯示、上報，通過VR技術同步演示系統操作及三維動畫影像；維修訓練包括對實訓臺機電液故障進行診斷與排除的綜合訓練?？己四K主要是針對機電液理論知識和機電液系統的故障排除考核。具體功能如圖2所示。

3? 綜合教學平臺升級方案設計

3.1? 總體方案設計

為滿足功能指標要求，同時，考慮教學要求，雷達裝備機電液理虛實綜合教學平臺系統總體架構如圖3所示，主要由工業控制計算機（IPC）、可編程邏輯控制器（PLC）、虛擬仿真硬件設備（VR頭盔、操作手柄及定位器）、觸摸顯示屏、雙傾角傳感器、壓力傳感器、位置開關等傳感器組成。整個系統以工業控制計算機為核心，控制系統各模塊之間的協調和數據存儲等任務；PLC作為實訓臺控制中心，通過接受工控機的命令，采集壓力傳感器、水平檢測儀、位置傳感器等傳感器信息，完成系統自動調平、舉升及撤收等功能。VR頭盔、操控手柄和定位器以及安裝在工業控制計算機IPC的插槽中高性能獨立顯卡，配合完成虛擬仿真拆裝訓練；兩臺大型顯示屏用于分別顯示虛擬操作過程和工控機操作界面，便于實時教學講解演示操作。

3.2? 理論知識模塊開發

理論知識模塊中采用高清大屏幕顯示器展現教學演示功能，工業控制計算機（IPC）作為理論知識模塊數據存儲與播放設備，理論知識內容來源于相關教材，相關動畫素材為實裝測繪后形成的2D圖像或3D動畫。結構組成及原理演示主要采用Unity3D+C#軟件平臺開發，由爆炸圖和鍵盤鼠標交互操縱實現，通過精確的爆炸圖展示機械結構、液壓原件的裝配關系，通過鍵盤鼠標點選需要裝配的構件，拖動拆裝路線可以實現結構拆裝順序的檢驗。利用組態軟件，實現傳感器（雙軸水平傳感器、壓力傳感器、位置傳感器）工作原理講解與動畫演示、PLC控制裝置工作原理講解與動畫演示等功能。

3.3? 操作訓練模塊開發

操作訓練模塊主要由虛擬拆裝子模塊、實操訓練子模塊和維修訓練子模塊構成，涵蓋平臺安裝、拆卸、實際操作、故障維修的完整訓練過程。

3.3.1? 虛擬拆裝子模塊

虛擬拆裝子模塊主要實現液壓元件的虛擬拆裝和機械及液壓機構的虛擬拆裝訓練。充分考慮系統構建的合理性、經濟性、穩定性以及擴展性等諸多綜合因素后，提出以下設計方案。仿真系統結構如圖4所示。

1）三維建模。液壓雷達調平舉升平臺三維模型的建立是液壓虛擬拆裝系統建設的基礎，也是后續液壓VR系統基本回路實驗、液壓系統仿真的實現基礎。首先需要基于SolidWorks三維建模軟件對綜合平臺進行建模，構成完整的三維模型系統。

2）三維模型的修飾、渲染及導入。首先，將建

好的三維模型轉化成stl格式，導入3DMax中，對零部件的中心位置坐標軸進行調整，對模型導入后缺失的點、線、面進行優化處理，并根據實際情況附上材質；其次，進一步利用Photoshop軟件制作精美的貼圖，配合模型在 Unity3D中使用；最后，將3DMax中渲染完成的模型導出為fbx格式，導入到Unity3D開發平臺中，進行場景內容制作、UI 界面設計等VR實驗系統開發。

3）界面優化、虛擬實驗場景制作。結合模型和課程實驗，制作VR虛擬實驗場景和交互功能的設計，主要包括結合實驗需求的UI界面、基于C#腳本語言編程操控的虛擬場景人機交互。

4）發布。將開發調試好的系統選擇PC端平臺發布，生成可直接執行的VR實驗系統。最終使用HTC Vive Pro2.0進行VR實驗系統的人機交互，實現液壓雷達調平舉升平臺虛擬拆裝系統的虛擬場景漫游、平臺結構展示、虛擬拆裝練習、虛擬拆裝實訓等模塊功能。

3.3.2? 實操訓練子模塊開發

硬件改造主要涉及人機交互系統的改造及配合控制系統所需的傳感器及電氣線路改造等?？刂葡到y以可編程邏輯控制器PLC作為控制中心，主要完成泵站的啟?？刂?，實訓臺的自動調平、手動調平，天線舉升、撤收控制等功能；增加壓力傳感器用于檢測液壓撐腿的壓力，當壓力傳感器組達到設定壓力時，表明液壓撐腿著地成功；為防止出現“虛腿”現象，增加了觸地傳感器。四個支腿油缸由四路電磁閥獨立控制，以完成平臺的整體升降，并根據雙傾角傳感器反饋平臺的位姿進行姿態調平；天線的架設、撤收由兩只舉升油缸完成，設置同步分流集流閥以實現油缸的同步動作，在油缸前端均設置有鎖止閥，可使實驗臺在斷電后仍保持狀態不變。液壓系統原理如圖5所示。工控機作為上位機，通過PLC實時通信實現了實訓操作過程中，虛擬場景與實際設備的同步演示。虛擬場景與實物同步原理如圖6所示。

3.3.3? 維修訓練子模塊

該模塊主要通過預設多種傳感器組、附設電路、信號屏蔽、虛假顯示設置等方式，實現器件故障的檢測、油路泄漏等的檢測指示。根據系統的特點和教學需求，設置的故障主要包括：人機界面顯示傾角值與實際明顯不一致；撐腿“著地”時不停，系統一直升高；撐腿“著地”時，單個或多個撐腿都不動；人機界面顯示系統壓力過低、過高；油缸無動作，系統無法達到調平要求等。在訓練過程中，系統中有專家系統進行排故提示，對故障現象和排故策略、流程、方法進行指導，其操作粒度精確到元件級別。水平傳感器故障導致人機界面顯示傾角值與實際不一致的情況如表1所示。

3.3.4? 考核模塊開發

考核模塊主要由理論考核子模塊、維修考核子模塊構成。該部分的設計擬采用理論考試系統配合維修實操系統共同完成。理論考試系統包含機電液相關知識點題庫，題目以客觀題（選擇、判斷）為主，考試開始時系統自動抽取試題庫，組卷供學員進行理論考試，考試結束后系統自動判卷并保存成績，同時理論考試系統具有考試結果統計分析、學員成績報表、打印等功能。維修考核是機電液故障排除考核，教員通過高壓球閥、水平傳感器、位置傳感器組、壓力繼電器組隨機設置故障，學員通過觀察及思考進行系統故障的識別及排除，故障排除結束后系統自動打分。

4? 雷達裝備機電液理虛實綜合教學平臺應用

在使用雷達裝備機電液理虛實綜合教學平臺時，打開電源開關，電源指示燈亮，系統進入工作狀態，登錄注冊賬號進入主控選擇界面，通過點擊不同的按鈕進入相應的操作模式。系統流程如圖7所示。

4.1? 實訓臺操作訓練與考核

實訓臺操作有四個選項：操作模式、培訓模式、考核模式和教學演示模式。圖8為操作模式界面，在該模式下，通過選擇不同按鈕，可以實現參數設置、工控/機械操作面板的切換、手動/自動切換，實現單腿伸縮、自動調平舉升等。培訓模式與考核模式的界面與操作模式下的界面基本相同，在培訓模式下，教員可以手動設置故障讓學員進行故障排除訓練，如圖9所示，選擇要設置的故障選項點擊確定進入故障模式，然后按照正常模式進行操作。當系統故障現象出現時，系統會停止工作并且彈出故障提示，學員需要針對當前故障現象判斷故障原因并排除故障。在考核模式下，系統會隨機給出五個不同故障讓學員針對不同故障進行故障排除考核，當五個故障都排除完成后系統會自動打分，考生點擊“確認”按鈕后即可結束考核。在教學演示模式下，可觀看雷達液壓舉升系統的教學演示視頻。

4.2? ?虛擬操作訓練

點擊虛擬操作訓練界面后，首先進入虛擬拆裝系統的主場景，操作人員戴上VR頭盔，通過按下操作手柄的圓盤鍵實現在場景的指定區域內移動，同時按下圓盤鍵和扳機鍵點擊裝備介紹按鈕、拆卸學習按鈕、裝配學習按鈕、拆卸實操按鈕、裝配實操按鈕、液壓缸按鈕、換向閥按鈕、溢流閥按鈕、液壓拆卸按鈕、液壓裝配按鈕、調平拆卸按鈕、調平裝配按鈕、舉升拆卸按鈕、舉升裝配按鈕后會進入相應的子場景；點擊退出系統按鈕后會退出系統。虛擬操作訓練場景圖如圖10所示。

5? 結束語

為滿足雷達裝備機電液教學需求，基于理虛實一體化教學理念，對原有的雷達天線自動調平舉升實訓臺電氣控制系統和軟件系統進行了升級，充分發揮虛擬現實技術與實驗實訓各自的優勢，開發了集原理講解演示、虛擬拆裝、實操訓練、故障診斷于一體的雷達裝備機電液理虛實綜合教學平臺。實踐表明，該平臺對創新裝備機電液課程教學模式、提高教學質量提供了有力的支撐作用，同時，為其他相應裝備維修保障類實驗平臺的開發提供了借鑒參考。

6? 參考文獻

[1] 陳常明，丁飛，江偉.某車載雷達結構總體設計[J].機械與電子，2018，36（9）：56-59.

[2] 夏鑫.某型軍用雷達車自動架撤電液控制系統研究[D].成都：西南交通大學，2018.

[3] 武雷.車載高機動雷達一鍵式自動架撤控制系統研究[J].電子機械工程，2017，33（5）：21-23，64.

[4] 嚴諾，江偉，王勁宣.某高機動雷達天線舉升機構液壓系統設計[J].科技展望，2015，25（21）：112-113，115.

[5] 林潘英.基于ARM的車載雷達調平及舉升系統的設計[D].南京：東南大學，2015.

[6] 趙銘超，孫澄宇.虛擬仿真實驗教學的探索與實踐[J].實驗室研究與探索，2017，36（4）：90-93.

[7] 劉亞豐，余龍江.虛擬仿真實驗教學中心建設理念及發展模式探索[J].實驗技術與管理，2016，33（4）：108-111，114.

[8] 杜月林，黃剛，王峰，等.建設虛擬仿真實驗平臺探索創新人才培養模式[J].實驗技術與管理，2015，32（12）：26-29.

[9] 孫偉峰，楊華，齊玉娟，等.C/C++程序設計多元協同實驗教學平臺構建[J].實驗室研究與探索，2019，38（3）：144-148，233.

[10] 盛雪云.虛擬仿真，引領教育變革新時代[J].在線學?習，2021（12）：67-69.