精密壓力表標準裝置檢定仿真教學系統開發
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、實驗教學設備昂貴的問題，設計了一種精密壓力表標準裝置 檢定仿真教學系統。使用3DMAX建模軟件創建精密壓力表標準裝置檢定設備模 型’ Photoshop軟件處理設備貼圖’ 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。系統包括結構原理展示、視頻動畫 教學和虛擬仿真實操三種教學方式，實現了精密壓力表標準裝置檢定仿真教學的 功能，交互式設計能夠增加學生的學習熱情和效率，彌補了傳統教學方式的不足。
測試表明，系統具有開發成本低、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 等壓力參數相關領域中最常用的一種計量標準器。 由于受到環境溫濕度、介質氣氛、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，國家計量檢定規程JJ494013《彈性元件式精密壓力表和真空表》強制規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教學中的重要內容。
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，但是由于該設備價格非常昂 貴，因此購買大量設備的方法并不現實。
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據處理 程序，節約了運算時間，提高了運算結果精確度，是 將計算機技術應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，設計了計算機管理系 統和數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據輸入工作，但是系統只適用 于數字式壓力計，對于廣泛使用的彈簧式壓力表并不 適用。另外還出現了一種基于PLC的壓力表自動檢 定系統，雖然實現了壓力表檢定全程自動化，但系統硬件結構復雜價格昂貴，因此并未得到廣泛使用。
針對以上問題，對仿真教學系統設計關鍵技術進 行了研究，設計了仿真加壓過程的IK算法，壓力表結 構拆解算法和光線投射碰撞檢測方法，開發了一種交 互性強、經濟實用、操作方便的精密壓力表標準裝置檢 定仿真教學系統。系統由結構原理展示、視頻動畫教 學和虛擬仿真實操三部分組成。結構原理展示部分可 以使學員對設備的外形結構有一定的感性認識，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.系統總體設計
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主要應用 于輔助高校儀器儀表相關專業的教學，利用虛擬仿真 技術形象逼真的特點降低相關知識的理論深度，使抽 象理論講解變成可視化、可交互的學習過程。系統 需要實現對臺式氣壓泵、臺式水壓泵和精密壓力表三 個設備的仿真教學功能，如圖1所示，以臺式氣壓泵為 例每一個設備都需要實現以下幾個功能：
（1）結構原理展示。實現臺式氣壓泵的三維模型 展示，對實驗室環境的仿真，以及鼠標對模型的縮放和 旋轉控制。設定產品概述、技術參數介紹、音頻講解和 更多操作4個側邊彈窗，通過按鈕控制彈窗顯示和隱 藏。其中技術參數應包括臺式氣壓泵使用環境、壓力 范圍、調節細度、傳壓介質和壓力連接等。更多操作部 分需要實現各組成部分名稱顯示和隱藏，以及除去外 殼部分的內部結構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構原理有一定的認識之后，進一 步對其技術規格和操作規范的三維動畫講解。包括標 準表的清零、單位轉換、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，系統要 提供操作步驟提示，并根據學生操作對錯決定是否進 入下一步操作。需要實現標準表和被檢表表盤的近距 離展示，以減小讀數誤差，增加檢定的準確性。此 外，學生應能夠將讀數填入檢定記錄表格中，生成檢定記錄文檔，并實現Word轉pdf格式的功能。
1.2技術路線
系統開發分為前期準備工作和虛擬場景開發，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上面 片數應盡量少，特別是像臺式水壓泵這樣結構復雜的 模型，減少面片數的方法包括刪除看不到的面和減少 面的分段數，以減輕硬件負擔，從而減少應用程序啟動 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貼圖、Unity3 D中的材質紋理貼 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 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的資產文件夾 中，在Unity3D系統開發過程中使用。
虛擬場景開發包括主程序框架設計、模型交互特 性和動畫設計、角色控制、按鈕觸發事件設計、視頻播 放和相機切換控制以及數據庫連接。主程序框架設計 將仿真系統分為臺式氣壓泵、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相應 的事件并加載對應的場景。為了實現結構原理展示/ 視頻動畫教學和虛擬仿真實操三部分功能，模型交互 特性和動畫設計部分為每一個場景創建操作對象，這 些包括3Dmax中創建的模型和Unity3D自帶的簡單模 型，接下來為對象添加材質、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開發中 的重要內容，系統中采用C #語言編寫腳本，實現視頻 播放控制、相機切換、模型交互和動畫播放暫停控制以 及連接數據庫等功能。建立標準表數據庫、被檢表數 據庫和檢定誤差記錄數據庫，使用SQL訪問數據庫， 實現數據的添加、查詢以及更新，并生成檢定記錄表。
2.仿真關鍵技術
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 數增加等一系列動作，是仿真的關鍵，針對這一問題提 出了基于IK算法的加壓過程仿真方法。為了實現壓 力表內部結構展示，設計了壓力表內部結構拆解算法。 實現了基于光線投射碰撞檢測方法對實驗室門打開狀 態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，需要有一個穩定的壓力提 供源來實現加壓和減壓，本仿真的臺式氣壓泵就是一 個采用壓桿式設計的氣體壓力源。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、微調手輪、壓力真空轉換閥、卸壓閥組成。 左側快接頭安裝精密壓力表標準裝置，右側快接頭安 裝被檢壓力表，通過按壓加壓手柄實現加壓，微調手輪 實現對壓力的微調，壓力真空轉換閥實現對真空表檢 定和壓力表檢定的轉換，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，與之相對應的是正 向動力學（Forward Kinematics，FK)算法，首先建立其 數學模型，設加壓手柄為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;
要實現根據加壓手柄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
設計算法實現了壓力表內部結構的拆解。首先在 StateHelper 類中聲明 bool 型變量 swtichDisassembly 代 表是否展示壓力表內部結構。初始值為false。當按下 內部結構按鈕時，swtichDisassembly轉變為true。 public static bool swtichDisassembly = false;
swtichDisassembly 轉 變 為 true 時 ， 即 Press Disassembly類中的拆解函數Disassembly中的最外層 的if語句條件為真，接著執行內層的語句，當localX的 值設置為真時，物體在1 s之內沿X軸方向移動到 CordinateNum的位置，實現拆解。當再次按下內部結 構按鈕時，swtichDisassembly轉變為false，此時執行 else語句，各個拆解部分在1 s之內還原到原來所在的 位置。
控制顯示壓力表內部結構的算法如下：
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，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，以及抬起放下的高度大小。
2.2壓力表結構拆解
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，彈簧管內的齒輪轉動，帶 動指針的轉動，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中經常需要 判斷物體之間是否發生碰撞，例如學員進入實驗室時， 一旦檢測到與門發生了碰撞就將門打開，進入實驗室 之后，當學員與實驗臺發生碰撞且按下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生 碰撞時自動調用OnControllerColliderHit函數，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 據類型。也就是說當角色面向門且距離在兩米以內時 門就會自動打開，否則門將關閉。
3.系統測試
虛擬仿真系統開發完成之后，以.exe格式文件發 布，雙擊該文件進入系統，首先根據屏幕分辨率選擇窗 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構原理、三維 視頻和進行實操練習，結構原理講解和三維視頻學習 是掌握實操方法的基礎，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接頭上并且關閉截止閥和卸壓閥 時才可以進行加壓操作。而在結構原理部分不僅可以 展示設備的外部結構而且可以顯示其內部結構組成， 臺式水壓泵的外部結構和內部結構展示見圖6。
4.結語
基于Unity3D虛擬仿真技術，結合3DMAX三維建 模軟件以及Photoshop和Adobe After Effects軟件開發的精密壓力表標準裝置檢定仿真教學系統，實現了精密壓力表標準裝置檢定仿真教學的功能。該系統解決 了傳統教學枯燥乏味無法進行實際操作的問題，又節 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，并且激發學生的學習熱情，提高學習效率。
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