程 華
(武漢客運(yùn)專線基礎(chǔ)設(shè)施維修基地,武漢 430000)
隨著我國鐵路事業(yè)的不斷發(fā)展,鐵路維護(hù)工作顯得越發(fā)重要,并且日益繁重。大型養(yǎng)路機(jī)械作為我國鐵路維護(hù)工作中的主要工具,起著不可替代的作用。09-32型搗固車是鐵路系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的養(yǎng)路機(jī)械,但09-32型搗固車結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作難度大、作業(yè)空閑時(shí)間少,影響了操作員的實(shí)際駕駛培訓(xùn)工作,給新操作員的培訓(xùn)工作帶來諸多不便。
模擬駕駛培訓(xùn)系統(tǒng)是集傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、三維實(shí)時(shí)動(dòng)畫技術(shù)、計(jì)算機(jī)接口技術(shù)、人工智能技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)、多媒體技術(shù)于一體的綜合性高新技術(shù)系統(tǒng)[1]。它可以接收受培訓(xùn)者通過各種操作發(fā)出的指令,在感觀效果上做出接近于真實(shí)情況的反應(yīng),使受培訓(xùn)者有身臨其境的感覺,從而加強(qiáng)培訓(xùn)效果,縮短培訓(xùn)時(shí)間,可以有效地解決大型養(yǎng)路機(jī)械操作員因缺乏實(shí)際操作培訓(xùn)而無法快速掌握操作技能的問題。
本文所述模擬駕駛培訓(xùn)系統(tǒng),在計(jì)算機(jī)中以virtools軟件設(shè)計(jì)了一套虛擬現(xiàn)實(shí)程序,配合三維視景顯示方案,能夠?qū)崿F(xiàn)與實(shí)際搗固車操作動(dòng)作一致的三維圖像顯示。系統(tǒng)包含與實(shí)際搗固車操作環(huán)境一致的操作臺(tái)、操作流程和各種指示。系統(tǒng)從操作流程到感官效果實(shí)現(xiàn)了虛擬與現(xiàn)實(shí)的逼近,可進(jìn)行09-32型搗固車收放車作業(yè)、搗固作業(yè)、抄平作業(yè)等基本操作的模擬駕駛培訓(xùn)。
模擬駕駛培訓(xùn)系統(tǒng)由操作臺(tái)接收操作動(dòng)作,將操作動(dòng)作進(jìn)行編碼并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中。計(jì)算機(jī)得到操作編碼后與標(biāo)準(zhǔn)的09-32型搗固車操作流程進(jìn)行對(duì)比,根據(jù)對(duì)比結(jié)果,按照實(shí)際情況顯示具體的動(dòng)作畫面、發(fā)出與實(shí)際一致的聲音并控制操作臺(tái)上的各種器件進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作與指示。軟件部分使用virtools開發(fā),圖形建模使用3Dmax,動(dòng)作畫面使用偏振式三維顯示技術(shù)通過兩臺(tái)投影儀在投影幕布上進(jìn)行展示,操作者通過佩戴的三維眼鏡即可觀察到三維的動(dòng)作畫面,結(jié)合聽覺與操作臺(tái)的各種反應(yīng),使其有身臨其境的操作感覺。整套系統(tǒng)軟硬件結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。
圖1 系統(tǒng)實(shí)物
操作臺(tái)由三個(gè)與搗固車控制箱實(shí)際尺寸一致的電氣柜構(gòu)成。電氣柜面板上安裝有與實(shí)際控制箱一致的各類元件,包含按鈕開關(guān)、旋轉(zhuǎn)開關(guān)、指示燈、數(shù)碼管、計(jì)數(shù)器、液壓表、電位計(jì)等。為了實(shí)現(xiàn)各種操作動(dòng)作的檢測(cè)和反饋信號(hào)的輸出,針對(duì)各種元件設(shè)計(jì)了具體電路。由于動(dòng)作元件數(shù)量眾多,設(shè)計(jì)了以ARM處理器為核心的主控制板,并對(duì)處理器I/O口數(shù)量進(jìn)行了擴(kuò)展,用于實(shí)現(xiàn)集中控制和與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。
電氣元件供電電壓多為24 V,ARM主控制板為3.3 V電壓供電,為實(shí)現(xiàn)操作電平轉(zhuǎn)換,各種開關(guān)量輸入輸出器件通過光電耦合電路與主控制板連接,實(shí)現(xiàn)信號(hào)交互。電位器等元件輸出的模擬信號(hào)通過A/D轉(zhuǎn)換電路傳輸?shù)街骺刂瓢?。各種壓力表則改變其驅(qū)動(dòng)方式,使用電信號(hào)驅(qū)動(dòng),用于模擬實(shí)際系統(tǒng)的液壓狀態(tài)。為節(jié)約主控制板上的I/O口資源,使用串并轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行數(shù)碼管驅(qū)動(dòng),顯示各種操作數(shù)據(jù)。
圖2 模擬駕駛培訓(xùn)系統(tǒng)構(gòu)成
主控制板與計(jì)算機(jī)通信使用RS485方式,保證了通信質(zhì)量。在接收到操作員的操作信號(hào)后,主控制板將信號(hào)編碼并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中,在接收到計(jì)算機(jī)的反饋指令后,主控制板控制相應(yīng)的元件進(jìn)行動(dòng)作或顯示。操作臺(tái)電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 操作臺(tái)電路結(jié)構(gòu)
計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)軟件是系統(tǒng)的核心,是實(shí)現(xiàn)模擬實(shí)際情況的根本。本系統(tǒng)以各種作業(yè)狀態(tài)下的搗固車為虛擬對(duì)象,應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)virtools構(gòu)建主要程序框架,采用3Dmax對(duì)虛擬搗固車和周邊環(huán)境進(jìn)行模型建立,實(shí)現(xiàn)搗固車各種作業(yè)狀態(tài)的三維模擬,具有真實(shí)性、交互性、語言簡潔和易實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)。
1.3.1 模型的創(chuàng)建和導(dǎo)入
三維模型的構(gòu)建主要采用幾何建模技術(shù)。搗固車和周邊環(huán)境的輪廓和形狀采用了點(diǎn)、直線、多邊形、曲線或者曲面方程、圖像等方法表示。針對(duì)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景中遠(yuǎn)景和近景將對(duì)象分為重點(diǎn)和非重點(diǎn)對(duì)象,對(duì)其分別進(jìn)行精細(xì)建模和粗略建模[2]。將搗固車的實(shí)際圖片附著在3Dmax建立的模型上,使模型效果更加逼真。以NMO格式保存模型文件,并將NMO文件導(dǎo)入到virtools軟件中。導(dǎo)入到virtools三維編輯區(qū)的三維或二維元素可以加以觀察、控制,也可以安裝SDK插件編輯更多的行為模塊(BBS),從而實(shí)現(xiàn)虛擬單元在虛擬環(huán)境中的各種運(yùn)動(dòng)功能。搗固車模型如圖4所示。
1.3.2 模型的控制
使用virtools對(duì)三維編輯區(qū)元素進(jìn)行控制,一種方法是直接調(diào)用行為模塊庫中內(nèi)置的BBS,另一種是使用VC++手工編寫B(tài)BS。前者簡單方便,后者更為靈活。本系統(tǒng)采用前一種方式,將模塊庫中內(nèi)置的BBS添加到具體的虛擬運(yùn)動(dòng)單元上,然后在schematic的相應(yīng)的script中編輯各個(gè)參數(shù),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬單元的運(yùn)動(dòng)控制,構(gòu)建一個(gè)逼真的虛擬運(yùn)動(dòng)仿真平臺(tái)。
圖4 搗固車模型
整個(gè)平臺(tái)從功能上分為以下幾種模塊:①單個(gè)虛擬運(yùn)動(dòng)單元在虛擬空間的旋轉(zhuǎn)、進(jìn)退、上下等動(dòng)作(例如:搗固車搗鎬的下插與提起,搗固小車的走行,撥道表指針的轉(zhuǎn)動(dòng)等);②虛擬運(yùn)動(dòng)單元之間的協(xié)同運(yùn)動(dòng)控制(例如:起撥道夾鉗的移動(dòng)與撥道表指針的轉(zhuǎn)動(dòng)相互協(xié)調(diào));③虛擬運(yùn)動(dòng)單元之間的相互干涉控制(例如:判斷并體現(xiàn)搗固作業(yè)是否正確對(duì)準(zhǔn)枕木空隙)。圖5,圖6和圖7分別是各種功能模塊的設(shè)計(jì)。
為提供給操作者更加真實(shí)的視覺效果,視景顯示選擇偏振式三維顯示技術(shù)。人之所以能夠觀察到物體立體的圖像,是因?yàn)樽笱酆陀已凼菑牟煌嵌葘?duì)物體進(jìn)行觀察的,看到的兩幅不同的圖像疊加形成三維視覺效果。對(duì)于常規(guī)的平面顯示畫面,進(jìn)入左右眼視線的圖像是一樣的,因此只能構(gòu)成平面效果。為了讓人在平面顯示畫面中得到三維立體的視覺效果,進(jìn)入左右眼的應(yīng)當(dāng)是兩幅從不同角度觀察的圖像。
圖5 搗固小車走行腳本
圖6 協(xié)同運(yùn)動(dòng)腳本
圖7 搗固作業(yè)成敗判斷腳本
偏振式三維顯示技術(shù)使用兩臺(tái)投影儀,分別投放出從兩個(gè)角度觀察的圖像。為了避免兩幅圖像相互干擾,兩臺(tái)投影儀加裝了偏振片,分別選擇透過垂直方向和水平方向的光線,經(jīng)過過濾后,投放出來的兩幅圖像的光線分別分布在垂直方向和水平方向上。觀看者佩戴特殊的偏振眼鏡,左右眼只能夠分別感受到垂直方向的光線和水平方向的光線,這樣,投影儀投放出來的兩幅圖像就分別進(jìn)入到觀看者的左右眼,這兩幅圖像在大腦中疊加后就形成了三維的視覺效果[3]。
偏振式三維顯示技術(shù)具有成像效果好,技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn),是目前較優(yōu)秀的三維顯示方案之一。原理示意圖如圖8所示。
圖8 偏振式三維顯示
09-32型搗固車三維模擬駕駛培訓(xùn)系統(tǒng)操作流程與實(shí)際一致,情景模擬效果與3D視景,顯示效果良好,能夠創(chuàng)造具備沉浸感的培訓(xùn)環(huán)境,對(duì)于搗固車操作員的培訓(xùn)能夠起到良好的促進(jìn)作用。
[1]王曉梅,王賢民.基于 PLC的汽車駕駛模擬器控制系統(tǒng)[J].電氣技術(shù),2008(5):90-93.
[2]張雪鵬,陳國華,戴鶯鶯,等.基于3D的虛擬運(yùn)動(dòng)仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)及 virtools功能實(shí)現(xiàn)[J].北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,36(4):93-95.
[3]白云.淺議光學(xué)式立體三維顯示技術(shù)[OL].2008-6-26.[url]http://www.ty360.com/technology/2008/2008_5_15477.htm.