汽車起重機虛擬化教學訓練系統(tǒng)設計

房秋怡 劉 鵬 聞公玉 汪元波

武警士官學校 杭州 311400

0 引言

長期以來，汽車起重機培訓及考核工作受起重機械數(shù)量配備不足，作業(yè)場地和訓練環(huán)境等客觀因素的制約，難以靈活開展駕駛操作、維修保養(yǎng)的實訓和教學，起重機械的培訓、考核工作難以低成本、規(guī)模化推開。而傳統(tǒng)的培訓模式使作業(yè)人員對起重機械真實的結(jié)構(gòu)和操作處于模糊狀態(tài)，在實際應用時缺乏對起重機械故障排除、駕駛操作和應急事故的處理能力。

針對以上問題，虛擬仿真技術(shù)用于起重機作業(yè)人員培訓系統(tǒng)的開發(fā)已有基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的汽車起重機操作仿真模擬訓練系統(tǒng)的研究[1，2]，相關(guān)研究對雙臺/多臺汽車起重機模擬協(xié)同作業(yè)三維仿真系統(tǒng)的設計實現(xiàn)了三維場景建模、吊裝仿真以及其他一些輔助功能和交互設計[3，4]。但未見有關(guān)運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，結(jié)合AR頭盔和實裝操作部件，實現(xiàn)汽車起重機操作的虛擬仿真訓練考核，同時實現(xiàn)多臺汽車起重機對綜合性應用場景科目進行實時協(xié)作訓練的公開文獻報道。

本文提出了結(jié)合AR頭盔和實裝操作部件，開發(fā)一種實現(xiàn)汽車起重機操作的虛擬仿真訓練考核，同時實現(xiàn)多臺汽車起重機對綜合性應用場景科目的三自由度動態(tài)平臺教學訓練系統(tǒng)，加大模擬訓練力度，減少實裝損耗，節(jié)約訓練資源，提高訓練實戰(zhàn)化水平。

1 訓練系統(tǒng)總體方案設計

通過對汽車起重機仿真訓練交互模型和仿真訓練待實現(xiàn)功能的分析，結(jié)合虛擬現(xiàn)實建模、面向?qū)ο蠼：拖到y(tǒng)仿真等理論，提出了系統(tǒng)整體框架及各個組成模塊的開發(fā)方[5]，設計出基于虛擬仿真系統(tǒng)的三自由度動態(tài)平臺模擬訓練平臺，主要包括汽車起重機仿真系統(tǒng)、三維視景平臺和工程裝備運動模型解算平臺。各模塊功能如表1。

表1 汽車起重機全景模擬訓練平臺功能模塊

為使該模擬訓練平臺在教學訓練中具有實際使用意義，系統(tǒng)方案按照系統(tǒng)工程方法做整體布局總體設計，集中強調(diào)多信息平臺下的圖像協(xié)作渲染顯示技術(shù)研究和虛擬交互模型及模型運動碰撞檢測理論方法的研究，使該訓練平臺具有穩(wěn)定性、通用性、擴展性、可維護性、準確性等特點，詳情見表2。

表2 系統(tǒng)總體特性要求

2 硬件結(jié)構(gòu)設計

系統(tǒng)采用與真機相同的制造原理及工藝，主要包括原裝高精度操作手柄、功能開關(guān)（包含油門旋鈕、軟件退出、視角切換、點火鑰匙、鳴笛按鈕、菜單選擇搖桿等功能）、硬件單片機（具備USB接口、RS232接口、可擴展無線接口的）、操作顯示屏、VR頭盔以及原裝動態(tài)座椅等硬件設備。為使硬件系統(tǒng)可與上位機軟件進行數(shù)據(jù)交互，可將硬件系統(tǒng)按使用功能劃分為操作端、司索端和教師管理端，如圖1所示。

圖1 硬件組成簡圖

1）操作端

顯示系統(tǒng)采用3塊49寸工業(yè)拼接屏拼接而成，底座采用三自由度平臺，可有效模擬設備行進過程中的動態(tài)，給人最真實的感受。操作顯示屏為VR視景的全景平臺，真實再現(xiàn)操作設施，學員通過佩戴VR頭盔可在虛擬仿真的學習環(huán)境中扮演主要角色，實現(xiàn)在虛擬場景中的人機交互，減少因理論或?qū)嵺`知識掌握不足造成的設備損壞和安全事故。另外，操作端可進行合成訓練，通過2臺設備的協(xié)同，合力完成吊裝作業(yè)，整體提高實訓項目任務的學習質(zhì)量，充分體現(xiàn)虛擬現(xiàn)實的沉浸性和交互性[6]。

2）司索端

通過司索指揮臺部署的1套司索系統(tǒng)，通過司索系統(tǒng)可全方位查看操作環(huán)境下的所有視口，通過視口進行遠程司索指揮。司索端以司索指令為主要交互手段，通過指令選擇將有效指令發(fā)送給駕駛員和操作人員，指導起吊工作與駕駛操作進行有效對接。司索工位并非必須存在的工位，可隨時加入或退出項目操作，通過科目設置按鈕可打開或關(guān)閉司索工位，司索工位操作主要以輔助功能體現(xiàn)在系統(tǒng)中，同時也為司索指揮者提供一個訓練機會。

3）教師管理端

教師端可以管理學員信息，記錄學習數(shù)據(jù)，形成單個學員的訓練成長路線圖，還可實時監(jiān)控學員訓練和考核界面，分析訓練過程中學員的操作情況，以便對操作存在的問題進行針對性溝通。

3 軟件功能實現(xiàn)

汽車起重機全景模擬訓練平臺系統(tǒng)可模擬操作駕駛感受，依據(jù)操作單元進行實物數(shù)字化改造，將機械總成改造成可與單片機通信的數(shù)字化總成。通過標準接口數(shù)據(jù)傳遞，將機械控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為虛擬的模擬數(shù)據(jù)，從而可在軟件系統(tǒng)中進行復雜的運算處理，變成三維可視化影像。

3.1 環(huán)境視景與機械模型構(gòu)建

如圖2所示，運用3D Studio Max、Autodesk Maya等三維建模軟件創(chuàng)建三維模型，嚴格避免重面、廢面、破面、面與面之間的連接閉合不出現(xiàn)裂痕，并確保模型與實物一比一還原。

圖2 仿真系統(tǒng)零部件模型

1）貼圖和材質(zhì)

根據(jù)實物進行全方位拍照，將照片作為貼圖素材，用Adobe Photoshop等二維繪圖軟件進行調(diào)色和拼接，必要時結(jié)合模型的UV展開圖調(diào)試并保證貼圖與模型貼合，提高模型的還原度，使模型在視覺上實現(xiàn)高度仿真。對于材質(zhì)單一且無復雜圖案的器具（如彈簧、金屬桿等），直接使用材質(zhì)編輯器編輯材質(zhì)以達到理想效果。

2）場景界面搭建及渲染烘焙

如圖3所示，分析多個模塊的需求搭建界面場景，根據(jù)場景的環(huán)境變化編寫不同的Shader代碼。當模擬真實環(huán)境時，不同材質(zhì)在光線照射下的物品漫反射、反射和折射的數(shù)值都不同，應使其更接近于真實環(huán)境中的狀態(tài)；在教學展示中，適當減少其反射和折射的數(shù)值，可令操作者在查看模型時感覺更舒適。

圖3 仿真系統(tǒng)環(huán)境視景

3）交互式設計與處理

①系統(tǒng)采用NVIDIA公司的Physx物理引擎，系統(tǒng)可通過物理引擎高效逼真地模擬剛體碰撞、車輛駕駛、繩索、重力等物理效果，使仿真畫面更加真實而生動。所有的渲染物體和模型均可進行動力學屬性的設置（包括摩擦力），且提供了許多和動力學有關(guān)的功能和設置[7]。通過剛體組件系統(tǒng)可輕松模擬汽車起重機在運行中的物理碰撞、吊鉤的繩索擺動、車輛行駛的傳動系統(tǒng)等，對于車輛錯誤操作導致的車輛傾翻、斷索等情況均可通過物理模擬出來。

②VR結(jié)合實物沉浸式體驗。系統(tǒng)通過HTC vive沉浸式VR頭盔進行設備操作，學員通過佩戴頭盔顯示器，結(jié)合陀螺儀可實時觀看全場景，通過VR頭盔上的左右眼顯示的圖像位移差，讓左右眼接收不同的視差影像，在大腦的處理下形成立體影像。學員眼睛的可視范圍全部被顯示屏覆蓋，從而達到虛擬沉浸的軟件操作效果，結(jié)合實物的手感，產(chǎn)生與真實操作幾乎一致的臨場感。

3.2 仿真訓練系統(tǒng)模塊功能實現(xiàn)

1）QY16C汽車起重機模擬基礎訓練

進入軟件課題選擇界面，選擇主菜單上的基礎訓練模式，點擊進入訓練界面（見圖4），進入駕駛基礎訓練的軟件界面后，根據(jù)軟件界面上方的任務以及提示操作模擬器上的硬件按鈕，依次進行通電、按喇叭、點火、掛擋、松手剎等基礎啟動操作，然后進行伸出支撐、支離地面、提升大臂、伸長起吊臂、放下吊鉤、吊起物品等駕駛基礎訓練。

圖4 基礎訓練

2）QY16C汽車起重機駕駛訓練

①駕駛項目訓練 如圖5所示，進入綜合駕駛的軟件界面后，根據(jù)軟件界面上方的任務以及提示操作模擬器上的硬件按鈕，進行綜合駕駛訓練；起步后，按照正確路線依次完成S彎道行駛、8字路行駛、直角拐彎、左右單邊橋、顛簸路、上坡操作等綜合駕駛項目。

②停車項目訓練 如圖6所示，選擇倒車入庫，點擊中樞控制臺上的確定按鍵進入倒車入庫界面，然后根據(jù)該界面上方的任務以及提示操作模擬器上的按鈕，完成汽車起重機倒車入庫和側(cè)方停車操作。

圖6 停車訓練

3）QY16C汽車起重機作業(yè)訓練

進入軟件選擇界面，選擇主菜單上的作業(yè)訓練模式（見圖7），點擊確定按鍵進入繞定位桿的界面，然后根據(jù)軟件界面上方的任務以及提示操作模擬器上的按鈕進行繞定位桿訓練，通過操作模擬器上的組合按鈕和手柄等硬件部件，將汽車起重機在指定位置做支離地面、抬起大臂、旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺（左手柄左右控制轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)）、伸縮吊臂（左手柄前后控制大臂伸縮）至合適的角度和位置、下主鉤、吊起物品等動作，完成定點投放訓練和實物吊裝任務。

①繞定位桿 按照路線完成繞定位桿動作，并在每一個定點位置放下吊裝物。

②定點投放 按照箭頭指示方向依次放置在定點位置。

③實物吊裝 將5個吊裝物（管道、受損車輛、大樹等）放置在定點位置上。

4）QY16C汽車起重機實戰(zhàn)應用

進入軟件選擇界面，選擇主選單上的實戰(zhàn)應用模式，點擊確定鍵進入操作界面，依次選擇管道吊裝、巨石吊裝、車輛吊裝課題，該模塊還可多機協(xié)作作業(yè)共同完成某個設定任務，見圖8。

圖8 協(xié)作訓練

①單機訓練 完成唐家山堰塞湖管道吊裝、山體滑坡巨石吊裝、泥石流受損車輛吊裝等對應救援工作。

②協(xié)作訓練 山體滑坡樹木吊裝。

操作訓練會依據(jù)學員的訓練時長逐級增加難度（如駕駛訓練），初次接觸的學員限時20 min完成訓練。如果學員在駕駛訓練使用的總時長超過60 min，系統(tǒng)會自動將限時20 min改為限時15 min，以此類推。

訓練系統(tǒng)根據(jù)學員每次的訓練結(jié)果得出綜合技術(shù)評分，如訓練時長、課題完成度、操作流程是否正確、是否發(fā)生不必要的碰撞等，系統(tǒng)會依據(jù)此項評分賦予學員相應的經(jīng)驗值，學員可通過累積經(jīng)驗值提升等級。等級是最直觀地反饋學員訓練情況的指標，也是為學員自身設立的訓練標尺，等級只在基礎訓練中體現(xiàn)，作為服務端對學員的訓練情況的直觀掌握。

4 總結(jié)

綜合運用VR技術(shù)、三維仿真技術(shù)和信息技術(shù)等手段，模擬汽車起重機駕駛和作業(yè)訓練科目，既可部分替代實物實場地教學和訓練，節(jié)省訓練經(jīng)費，減少訓練損耗，還可縮短訓練時間，增強訓練的針對性，有效促進汽車起重機實操訓練形式的發(fā)展，貼近實際情況和裝備保障要求，具備技術(shù)先進、教學訓練效果優(yōu)異的顯著特點，具有很大的推廣價值和效益。