基于聯(lián)合仿真的林業(yè)采育作業(yè)模擬系統(tǒng)研究

郭世懷，黃青青，丁小康，劉晉浩

(北京林業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083)

裝備作業(yè)區(qū)域環(huán)境惡劣，主要為非鋪裝林間道路、立木林地和灌木叢林等地帶。地形起伏大，地面障礙多，作業(yè)區(qū)域缺乏裝備路徑規(guī)劃信息和地理信息，作業(yè)區(qū)域廣泛存在崎嶇地形、陡峭山地、臨水臨崖、倒木和火場(chǎng)等危險(xiǎn)作業(yè)情形。為發(fā)揮大型林業(yè)裝備在營(yíng)林撫育和消防安全等方面的功能，達(dá)到可靠、安全和高效的目的，必須對(duì)駕駛乘員進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間、持續(xù)性訓(xùn)練才能保證林業(yè)生產(chǎn)和消防工作過(guò)程中裝備的可靠性和安全性，提高林業(yè)裝備技術(shù)水平和林業(yè)生產(chǎn)效率[1]。

圖1 聯(lián)合采伐機(jī)主要結(jié)構(gòu)示意圖

伐木機(jī)作業(yè)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)基本上是采用了工程機(jī)械常用的工作裝置設(shè)計(jì)方式，主要由動(dòng)臂、吊臂、液壓缸和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等部分組成。如圖1所示。吊臂是伐木作業(yè)的主要工作部件，支撐和輔助完成伐木作業(yè)的各個(gè)動(dòng)作。機(jī)械臂的動(dòng)作由動(dòng)臂、吊臂的兩個(gè)液壓缸的液壓回路單獨(dú)或復(fù)合操縱完成[2-3]。圖2為采育機(jī)的作業(yè)場(chǎng)景和駕駛室內(nèi)部結(jié)構(gòu)。本文旨在通過(guò)對(duì)多功能林木聯(lián)合采育裝備虛擬駕駛仿真系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，為將來(lái)研究整個(gè)模擬培訓(xùn)系統(tǒng)建立一定的理論基礎(chǔ)。

將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于多功能林木作業(yè)與消防裝備培訓(xùn)系統(tǒng)，可以使受訓(xùn)人員在近似真實(shí)的環(huán)境下反復(fù)操練其要領(lǐng)，節(jié)約培訓(xùn)費(fèi)用與燃料；可以通過(guò)電腦的實(shí)時(shí)反饋系統(tǒng)精確考核駕駛員的操作水平，達(dá)到理論與實(shí)踐的完美結(jié)合；可以免去受訓(xùn)人員直接在多功能林木聯(lián)合采育裝備上操作的高昂費(fèi)用。

圖2 輪式聯(lián)合采育機(jī)的作業(yè)場(chǎng)景與駕駛室內(nèi)部

1 研究背景

1.1 輪式聯(lián)合采伐機(jī)車架構(gòu)造

輪式聯(lián)合采伐機(jī)的底盤多采用鉸接式車架構(gòu)造，這種車架構(gòu)造利于林木聯(lián)合采伐機(jī)在林地作業(yè)時(shí)保持車身的穩(wěn)定性，同時(shí)具備一定的越障能力[4-5]。因?yàn)槭谴笮凸こ虣C(jī)械，為避免產(chǎn)生整車大范圍的振動(dòng)，驅(qū)動(dòng)橋采用的都是剛性懸架，后橋采用擺動(dòng)式驅(qū)動(dòng)橋，前橋或固定在車架上(如圖3所示輪式采伐機(jī))。

圖3 “多功能林木采育機(jī)”樣機(jī)在通過(guò)實(shí)際林地

采用擺臂式驅(qū)動(dòng)橋，這種驅(qū)動(dòng)橋的特點(diǎn)是左右兩個(gè)擺臂相互獨(dú)立，可有效地應(yīng)對(duì)地面的凹凸，保持車體的穩(wěn)定。底盤部分變幅的主要作動(dòng)部件簡(jiǎn)圖如圖4所示。

圖4 六輪式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖與主要變幅參量

1.2 基于CAN總線的工作裝置控制系統(tǒng)

電液控制系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)CAN(Controller Area Network)總線來(lái)實(shí)現(xiàn)[6]。控制器局域網(wǎng)CAN屬于現(xiàn)場(chǎng)總線范疇，它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)采用總線式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 基于CAN總線的整機(jī)總線控制系統(tǒng)

為了對(duì)作業(yè)工況進(jìn)行控制和監(jiān)測(cè)，采用搭載CAN總線模塊的PC與控制系統(tǒng)組成測(cè)控系統(tǒng)，系統(tǒng)的硬件組成如下：下位機(jī)是控制模塊2024，上位機(jī)即為PCI擴(kuò)展內(nèi)置通訊模塊的工控機(jī)，上位機(jī)根據(jù)下位機(jī)主要完成系統(tǒng)控制任務(wù)，包括系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、控制指令和參數(shù)的下達(dá)，以及把各項(xiàng)參數(shù)發(fā)送到CAN總線上。

聯(lián)合采伐機(jī)整套工作裝置通過(guò)安裝在駕駛室內(nèi)操作員座位扶手兩旁的操縱手柄來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互控制，如圖6所示。操作手柄帶有CAN接口和多種按鈕，雙軸操作手柄的二維平面兩個(gè)方向軸的輸出比例信號(hào)輸出機(jī)械臂位置控制參數(shù)。在操作手柄上還有一些操作按鈕用于伐木頭的作業(yè)流程控制。聯(lián)合采伐過(guò)程作業(yè)情況復(fù)雜，具有很強(qiáng)的非線性特征，為了提供作業(yè)的可靠性和效率，必須對(duì)作業(yè)流程進(jìn)行研究和規(guī)劃。由于操作手柄的運(yùn)動(dòng)直接控制液壓缸力和關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)速度，為了使機(jī)械臂末端及伐木頭在作業(yè)動(dòng)作中迅速操作至期望的位置，作業(yè)流程必須經(jīng)過(guò)人機(jī)工學(xué)的優(yōu)化，同時(shí)操作員必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的訓(xùn)練和操作實(shí)踐。

圖6 Ponsse采伐機(jī)操作駕駛模擬器

圖7 多功能林木聯(lián)合采育裝備虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)框圖

2 總體方案設(shè)計(jì)

駕駛模擬器研制開(kāi)發(fā)的基本步驟[7-8]：

(1)首先針對(duì)林木采育機(jī)械在林間作業(yè)的特點(diǎn)進(jìn)行調(diào)查和研究，對(duì)已有的作業(yè)機(jī)械進(jìn)行考察和測(cè)試，在有關(guān)建模軟件環(huán)境下進(jìn)行林木采育機(jī)械主要工作裝置的分析和建模。

(2)通過(guò)研究其工作裝置的工作過(guò)程和動(dòng)作分解，在工作裝置的建模基礎(chǔ)上，利用仿真軟件(Matlab等)建立一個(gè)工作裝置的動(dòng)力學(xué)模型。

(3)利用仿真軟件手段建成的虛擬環(huán)境，導(dǎo)入工作裝置模型和環(huán)境模型，完成輸入系統(tǒng)和輸出系統(tǒng)的應(yīng)用程序接口。

(4)實(shí)現(xiàn)與工作裝置控制軟件進(jìn)行聯(lián)合的實(shí)時(shí)仿真，通過(guò)用戶界面鼠標(biāo)或手柄實(shí)現(xiàn)工作裝置的軌跡控制。

2.1 半實(shí)物仿真系統(tǒng)構(gòu)架

本方案中，采用高層體系結(jié)構(gòu)(HLA)作為分布式仿真系統(tǒng)框架，如圖7所示。以連接六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和模擬駕駛艙的實(shí)時(shí)車輛仿真模型為核心，并結(jié)合高逼真度、高臨場(chǎng)感的三維視景系統(tǒng)，構(gòu)建一個(gè)能夠滿足聯(lián)合采伐機(jī)研制、模擬訓(xùn)練和采伐作業(yè)研究等多層次需求的聯(lián)合采伐機(jī)人機(jī)環(huán)境仿真系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)，用戶能夠?qū)崿F(xiàn)整車平順性仿真試驗(yàn)、聯(lián)合采伐操作人員模擬操作訓(xùn)練試驗(yàn)及相應(yīng)的研究。

2.2 半實(shí)物仿真系統(tǒng)要求

設(shè)計(jì)車輛運(yùn)動(dòng)半實(shí)物仿真系統(tǒng)主要是在虛擬的作業(yè)環(huán)境中用液壓平臺(tái)模擬車輛的隨機(jī)和振動(dòng)動(dòng)感，以考核乘載員在一定的路面與情況下的振動(dòng)對(duì)作業(yè)的影響，同時(shí)可以用來(lái)研究提高裝備舒適性。液壓系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和支架和吊車等輔助設(shè)備組成，如圖8所示。

3 采育機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析

為了使車輛實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向行駛，必須在車輛上產(chǎn)生一個(gè)與轉(zhuǎn)向方向一致的轉(zhuǎn)向力矩，用來(lái)克服車輛的轉(zhuǎn)向阻力矩。根據(jù)工程車輛獲得轉(zhuǎn)向力矩方式的不同，工程車輛的轉(zhuǎn)向又可分為：偏轉(zhuǎn)車輪轉(zhuǎn)向，鉸接車架轉(zhuǎn)向和差速轉(zhuǎn)向。在本文的研究中，對(duì)單泵四馬達(dá)并聯(lián)液壓獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的四輪車輛，僅針對(duì)差速轉(zhuǎn)向方式進(jìn)行討論。如圖8所示。

圖8 實(shí)物仿真系統(tǒng)硬件組成布置圖

3.1 車輛轉(zhuǎn)向行駛的動(dòng)力學(xué)分析

圖9 車輛轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

如圖9所示的鉸鏈?zhǔn)杰囕v底盤，當(dāng)轉(zhuǎn)向角為0時(shí)(α=β=0)，(xf，yf)和(xf，yf)分別代表了前橋和后橋的位置，pf和pr是前后橋的重心，lf和lr表示前后橋的長(zhǎng)度，θf(wàn)θr為方位角。通過(guò)車輛的幾何模型以及pf和pr的坐標(biāo)關(guān)系，可以得到：

(1)

(2)

由于車架的剛性結(jié)點(diǎn)，前后車橋具有相同的速度變化，相對(duì)速度向量可以表示為：

(3)

(4)

其中，vf和vr分別代表前后橋的速度，鉸鏈轉(zhuǎn)角γ是由前橋方位角與后橋方位角的差值得到，結(jié)合以上的關(guān)系式，可以得到前車橋角速度的計(jì)算公式：

(5)

當(dāng)前后橋的長(zhǎng)度不一樣時(shí)，前橋角速度與后橋角速度的值也不同，后橋角速度的計(jì)算公式：

(6)

3.2 車輛轉(zhuǎn)向行駛的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

在偏轉(zhuǎn)角不為0的情況下，鉸鏈?zhǔn)杰囕v的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型可以通過(guò)轉(zhuǎn)向角的幾何分析來(lái)研究。如圖9所示，車輛位置的主要影響因素是兩個(gè)滑動(dòng)變量α和β，它們分別被定義為前后橋的偏轉(zhuǎn)角，在偏轉(zhuǎn)角的作用下，r1、r2是前后橋轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)時(shí)瞬時(shí)速度圓心的半徑。其中軌道的初始曲率圓心，是在假設(shè)偏轉(zhuǎn)角為0的情況下得到的。下列公式中帶有下標(biāo)‘s’的變量表示是在偏轉(zhuǎn)角不為0情況下的變量。在偏轉(zhuǎn)角作用下的前橋的運(yùn)動(dòng)學(xué)等式可以表示為：

(7)

(8)

在本研究中，車輛運(yùn)動(dòng)不僅取決于運(yùn)動(dòng)速度、鉸鏈角度和車輛長(zhǎng)度，還與車輛的偏轉(zhuǎn)角角度有關(guān)。基于車輛是恒穩(wěn)態(tài)的假設(shè)，前后橋的運(yùn)動(dòng)速度可以計(jì)算如下：

(9)

(10)

通過(guò)求解以上等式，前后橋的角速度可以得到：

(11)

(12)

根據(jù)其運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，在場(chǎng)景運(yùn)動(dòng)控制代碼中簡(jiǎn)化為以下代碼模型：

function FixedUpdate() // 固定刷新函數(shù)

{…

frontWheel1.steerAngle=

frontWheel1.steerAngle +(steer * steerSpeed * Time.deltaTime)；//轉(zhuǎn)向角速度

…

frontWheel2.steerAngle=

frontWheel1.steerAngle；

wheelFL.localEulerAngles.y=frontWheel 1.steerAngle；

wheelFR.localEulerAngles.y=frontWheel 2.steerAngle；

wheelFR.Rotate(frontWheel1.rpm * 5 * Time.deltaTime，0，0)；

wheelFL.Rotate(frontWheel2.rpm * 5 * Time.deltaTime，0，0)；// 前車架轉(zhuǎn)向角度

4 作業(yè)模擬系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)

建立一個(gè)好的仿真模型是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性的關(guān)鍵[9-10]。目前市面上流行的建模軟件種類繁多，工程應(yīng)用的Solidworks/ProE等軟件和造型應(yīng)用的Maya/3DMAX等軟件均可勝任。然而一個(gè)優(yōu)質(zhì)的模型包含大量的數(shù)據(jù)信息，包括面片數(shù)量、材質(zhì)與紋理信息等，需要專門針對(duì)可視化仿真行業(yè)應(yīng)用特點(diǎn)推出的實(shí)時(shí)可視化三維建模軟件[11-12]。與其他建模軟件不同，Unity3D能夠完好的處理好復(fù)雜光影效果、多面片3D模型等導(dǎo)入到實(shí)時(shí)3D現(xiàn)實(shí)環(huán)境中面臨的主要問(wèn)題：如何提高模型的實(shí)時(shí)性，同時(shí)，具有超大規(guī)模的不同的建模模塊，用戶可以根據(jù)不同的需要選擇適合的模塊進(jìn)行工作。建好的模型可以被分步驅(qū)動(dòng)，可以從不同三維視點(diǎn)觀看模型的實(shí)時(shí)渲染。此外Unity3D能夠利用TCP/IP、UDP等多種網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。利用Unity3D的以上優(yōu)良的開(kāi)發(fā)特性，能夠開(kāi)發(fā)出實(shí)時(shí)性強(qiáng)，視景系統(tǒng)逼真的模擬培訓(xùn)視景系統(tǒng)[13]。

車輛作業(yè)模擬系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)主要包括以下幾個(gè)方面：

首先，在車輛實(shí)時(shí)仿真模型的前端，通過(guò)AD、DIO、CAN、SIO 等轉(zhuǎn)換接口和數(shù)據(jù)處理機(jī)制，采集駕駛員模擬艙的各種操作信號(hào)。信號(hào)經(jīng)過(guò)采集之后，對(duì)應(yīng)的車輛狀態(tài)機(jī)模型(MAtlab/simulink)，確定車輛狀態(tài)(開(kāi)關(guān)、按鈕和方向盤等狀態(tài)信息)。

一部分狀態(tài)信息通過(guò)處理后，輸入Matlab/Simulink/AMEsim車輛動(dòng)力學(xué)模型運(yùn)行環(huán)境，與地形數(shù)據(jù)接口的路譜信息共同作為車輛模型的輸入，經(jīng)模型運(yùn)算處理后，輸出車輛車體位姿數(shù)據(jù)，最后將經(jīng)處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到運(yùn)動(dòng)平臺(tái)信號(hào)接口，驅(qū)動(dòng)虛擬現(xiàn)實(shí)視景仿真系統(tǒng)進(jìn)行虛擬車輛的姿態(tài)調(diào)整。

另一部分狀態(tài)信息經(jīng)過(guò)處理后，進(jìn)入U(xiǎn)nity3D的聲音驅(qū)動(dòng)狀態(tài)模型，驅(qū)動(dòng)聲音和振動(dòng)仿真VR環(huán)境，輸出振動(dòng)器和音響設(shè)備。

當(dāng)視景系統(tǒng)完成圖像、音響的所有信息處理，清空狀態(tài)數(shù)據(jù)，進(jìn)行下一周期數(shù)據(jù)采集。這一過(guò)程一般要求在10ms以內(nèi)完成。

在高采樣頻率駕駛座艙輸入采集系統(tǒng)和實(shí)時(shí)動(dòng)力學(xué)與液壓等仿真系統(tǒng)的支持下，系統(tǒng)以高于人體感知頻率(一般為65赫茲以上)刷新視景模型，將3D視景畫面投影在駕駛和作業(yè)訓(xùn)練的裝備模擬駕駛艙外，使駕駛員體驗(yàn)到在虛擬的林業(yè)環(huán)境中操作裝備系統(tǒng)的仿真感受(如圖10所示)。

圖10 采育聯(lián)合作業(yè)裝備在林區(qū)虛擬環(huán)境中模擬行走的場(chǎng)景

5 結(jié)束語(yǔ)

將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于多功能林木作業(yè)與消防裝備培訓(xùn)系統(tǒng)，可以使受訓(xùn)人員在近似真實(shí)的環(huán)境下反復(fù)操練其要領(lǐng)，節(jié)約培訓(xùn)費(fèi)用與燃料；可以通過(guò)電腦的實(shí)時(shí)反饋系統(tǒng)精確考核駕駛員的操作水平，達(dá)到理論與實(shí)踐的完美結(jié)合；可以免去受訓(xùn)人員直接在多功能林木聯(lián)合采育裝備上操作的高昂費(fèi)用。此外，這還對(duì)縮短培訓(xùn)周期、提高培訓(xùn)質(zhì)量、改善訓(xùn)練單一性以及降低訓(xùn)練過(guò)程中的受傷情況有很重要的意義。

【參 考 文 獻(xiàn)】

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