徐 正 單忠德 李 周 Hans Peter Lentes

1.機(jī)械科學(xué)研究總院先進(jìn)制造技術(shù)研究中心,北京,100083 2.弗勞恩霍夫工業(yè)經(jīng)濟(jì)與組織研究所,斯圖加特,德國(guó),70569

0 引言

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的生產(chǎn)線仿真可以對(duì)邏輯、控制進(jìn)行系統(tǒng)仿真并對(duì)生產(chǎn)能力進(jìn)行評(píng)估。但因設(shè)計(jì)者無法判斷自身所處的真實(shí)環(huán)境和具體尺度[1],故整個(gè)仿真過程并不十分直觀?；贚ightning的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)解決了生產(chǎn)線仿真的此類問題,采用1∶1的比例對(duì)在線設(shè)備進(jìn)行仿真,為生產(chǎn)線設(shè)計(jì)者提供一個(gè)具有高度沉浸感和真實(shí)性的最優(yōu)平臺(tái)。同時(shí)系統(tǒng)可以還利用來自CAD的幾何數(shù)據(jù)和在線設(shè)備的控制信號(hào)對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行進(jìn)一步的評(píng)估,在來自在線設(shè)備實(shí)時(shí)控制信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下,模擬設(shè)備的真實(shí)運(yùn)行過程。

1 系統(tǒng)框架

在一定數(shù)量的硬件基礎(chǔ)上,虛擬現(xiàn)實(shí)可實(shí)現(xiàn)多視角環(huán)境[2]。為此本系統(tǒng)在硬件方面,采用英偉達(dá)Quadro FX5800專業(yè)顯卡的工作站,并外接了光學(xué)跟蹤系統(tǒng) ART;軟件方面,采用基于Ubuntu操作系統(tǒng)的Lightning,成功地搭建了面向?qū)ο蟮亩嘁朁c(diǎn)環(huán)境(圖1)。系統(tǒng)的設(shè)備管理器負(fù)責(zé)以上硬件的管理工作;交互管理器負(fù)責(zé)跟蹤設(shè)備及控制設(shè)備的信號(hào)運(yùn)算,并將計(jì)算結(jié)果發(fā)送到Lightning內(nèi)核中;模型管理器負(fù)責(zé)管理模型數(shù)據(jù)庫(kù)中的虛擬模型,以確保模型在虛擬場(chǎng)景中具有正確的渲染順序。

圖1 基于Lightning的生產(chǎn)線虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)框架

1.1 Lightning虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)

Lightning虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)作為快速的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用開發(fā)工具于1996年面世[3],最初應(yīng)用在建筑和展示領(lǐng)域,后來發(fā)展成為擁有3D用戶接口的工程交互仿真系統(tǒng)[4]。利用它可以進(jìn)行不同應(yīng)用類型的開發(fā)實(shí)驗(yàn),如對(duì)CAD設(shè)計(jì)的評(píng)估、虛擬裝配和數(shù)字化工廠等。Lightning的另一個(gè)重要特性是可以連接各類外部資源庫(kù),以此來快速擴(kuò)展其功能模塊,在程序運(yùn)行時(shí)載入指定的庫(kù)文件,使所有模塊都將共享這些庫(kù)文件;實(shí)際的主程序則成為一種帶有內(nèi)部解釋器的加載器,可加載程序運(yùn)行中的各類模塊。Lightning引入域變量作為各類參數(shù)的載體(所有的對(duì)象都存在于對(duì)象池中)。同時(shí),Lightning將簡(jiǎn)捷的腳本語言TCL作為其接口開發(fā)語言集成到核心系統(tǒng)中,更方便了程序的快速開發(fā)。

1.2 建立模型數(shù)據(jù)庫(kù)

Lightning支持很多標(biāo)準(zhǔn)的虛擬現(xiàn)實(shí)文件格式(如 VRML-97 、obj、flt),因此可以更加自由地創(chuàng)建模型數(shù)據(jù)庫(kù)。來自生產(chǎn)線設(shè)計(jì)者的數(shù)據(jù)一般為CAD模型格式,這類數(shù)據(jù)不僅包含了模型的幾何信息,還包含了約束、公差和其他的工程信息。如果直接將其轉(zhuǎn)換為虛擬現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù),模型將會(huì)含有大量的多邊形,而過多的多邊形將給圖形工作站帶來極大負(fù)擔(dān),無法完成此類數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)渲染任務(wù)。因此,建立模型數(shù)據(jù)庫(kù)的第一步是優(yōu)化這類直接由CAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的虛擬現(xiàn)實(shí)模型,在減少模型多邊形數(shù)量的前提下最大限度地保存其幾何信息。如圖2所示,優(yōu)化后多邊形的數(shù)量不到原模型多邊形數(shù)量的1/10,而模型的幾何信息得到了較好的保留。

圖2 簡(jiǎn)化前后的多邊形數(shù)量

第二步是將模型有組織地加入到數(shù)據(jù)庫(kù)中并建立合理的層次結(jié)構(gòu)。雖然系統(tǒng)中的模型管理器會(huì)將模型按照正確的順序進(jìn)行渲染,但合理的數(shù)據(jù)庫(kù)層次結(jié)構(gòu)將會(huì)顯著提高計(jì)算機(jī)的渲染速度。邏輯結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)是模型數(shù)據(jù)庫(kù)中應(yīng)用最為廣泛的兩種結(jié)構(gòu)[5]。在邏輯結(jié)構(gòu)中,相同類型的模型(節(jié)點(diǎn))將被劃分至同一組中。由于相同類型的設(shè)備具有相同的行為,當(dāng)信號(hào)傳遞到由相同類型節(jié)點(diǎn)組成的組節(jié)點(diǎn)時(shí),所有的組內(nèi)節(jié)點(diǎn)將同時(shí)獲得這一信號(hào),因此模型間的信號(hào)傳遞時(shí)間將會(huì)大大縮短。在空間結(jié)構(gòu)中,相同區(qū)域內(nèi)的模型將被劃分至同一組,因?yàn)橄嗤瑓^(qū)域的模型在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)將在同一時(shí)間被渲染器剔除和繪制,判斷模型是否可見的時(shí)間將會(huì)大大縮短。考慮到兩類結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn),我們將模型數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)置為圖3所示結(jié)構(gòu)。圖3中,數(shù)據(jù)庫(kù)的上層節(jié)點(diǎn)以空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行組織,下層節(jié)點(diǎn)以邏輯結(jié)構(gòu)進(jìn)行組織,模型管理器占用的模型數(shù)據(jù)庫(kù)訪問時(shí)間將會(huì)降低到最少。

圖3 模型數(shù)據(jù)庫(kù)層次結(jié)構(gòu)

1.3 系統(tǒng)運(yùn)行過程

在本系統(tǒng)中,我們將基本的顯示和交互模塊,如窗口、攝像頭和按鈕控制定義在viewer.ltcl文件中,將與生產(chǎn)線相關(guān)的其他模塊定義在run.ltcl文件中。解釋器將執(zhí)行run.ltcl文件并生成計(jì)算循環(huán),通過定義在腳本中的時(shí)間模塊所產(chǎn)生的系統(tǒng)時(shí)間來渲染并更新系統(tǒng)的狀態(tài)。

系統(tǒng)在開始運(yùn)行時(shí),首先通過傳感器或從外部信號(hào)處獲得輸入數(shù)據(jù),然后開始計(jì)算循環(huán),如圖4所示。計(jì)算循環(huán)中,系統(tǒng)將輸入數(shù)據(jù)傳遞給模型對(duì)象中的函數(shù),基于這些數(shù)據(jù),模型對(duì)象的狀態(tài)如位置、方位和運(yùn)動(dòng)速度將在每一幀中被更新。經(jīng)函數(shù)運(yùn)算后,模型對(duì)象之間的內(nèi)部信號(hào)也將路由到其他模型的接收端口。同時(shí),系統(tǒng)將利用已經(jīng)更新的數(shù)據(jù)來渲染新的狀態(tài),并將輸出數(shù)據(jù)傳遞給外部硬件設(shè)備。結(jié)束一幀的計(jì)算后,系統(tǒng)將返回循環(huán)的開始并進(jìn)行下一幀的計(jì)算。

圖4 系統(tǒng)運(yùn)行過程

2 系統(tǒng)功能仿真

為了更加快捷高效地對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì),仿真過程采用適用于快速開發(fā)的解釋性語言TCL[6]為開發(fā)語言。所有模塊都可以通過應(yīng)用程序中的腳本進(jìn)行加載,通過簡(jiǎn)單的連接口,TCL還可以提供外部工具和內(nèi)置解釋器的連接。在Lightning中,TCL以基于字符串的形式被集成在系統(tǒng)層次,因此不會(huì)受限于個(gè)別的節(jié)點(diǎn)實(shí)例。

2.1 設(shè)備功能的模塊化仿真

模型數(shù)據(jù)庫(kù)中的模型僅僅含有幾何信息,模型相應(yīng)的行為信息則需要進(jìn)一步進(jìn)行設(shè)置。當(dāng)虛擬設(shè)備的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與真實(shí)生產(chǎn)線上的設(shè)備行為相一致時(shí),生產(chǎn)線的虛擬場(chǎng)景才會(huì)更具有真實(shí)性,從而讓人更加信服。設(shè)備行為的實(shí)現(xiàn)有兩種方式:一種是在VRML文件中定義模型的運(yùn)動(dòng),并加入相應(yīng)的javascript腳本,然后在Lightning中調(diào)用VRML模塊;另一種是利用 TCL語言直接在Lightning中定義運(yùn)動(dòng)模塊。

Lightning支持VRM L模型的各種行為,包括插補(bǔ)器和javascript的應(yīng)用,因此對(duì)于設(shè)備的簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)過程,可以在VRML-97格式的文件中利用時(shí)間插補(bǔ)器、位置插補(bǔ)器、方位插補(bǔ)器等來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng),其中的VRML模塊可以讀取VRML-97格式的文件,并可為其定義域值,從而控制模型的運(yùn)行。我們定義系統(tǒng)時(shí)間輸入域變量來接受當(dāng)前的系統(tǒng)時(shí)間,同時(shí)VRML模塊將系統(tǒng)時(shí)間直接路由給VRML-97文件中的時(shí)間傳感器,并以此來驅(qū)動(dòng)文件中的所有插補(bǔ)器,如圖5所示。定義的端口還可以作為外部控制信號(hào)的接口通過javascript中的函數(shù)來進(jìn)行訪問。

圖5 VRML模塊的實(shí)現(xiàn)

使用VRML中的插補(bǔ)器和腳本很難實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的復(fù)雜運(yùn)動(dòng),特別是一些需要有運(yùn)動(dòng)學(xué)方程計(jì)算而得出的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。為了達(dá)到實(shí)時(shí)處理的目的,我們可以通過TCL腳本直接定義包含優(yōu)化算法的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)模塊,如圖6所示,Lightning在運(yùn)行時(shí)直接調(diào)用運(yùn)動(dòng)模塊,系統(tǒng)用來解釋VRML腳本的時(shí)間將會(huì)被節(jié)省。

對(duì)于一個(gè)典型的設(shè)備,我們將其劃分為若干功能部分,如控制部分、傳感器、電源部分、電機(jī)等,然后利用TCL腳本來定義各功能部分對(duì)應(yīng)的抽象模塊,這些抽象的模塊將分別仿真其對(duì)應(yīng)部分的功能。

圖6 設(shè)備模塊及腳本實(shí)現(xiàn)

在每一次計(jì)算循環(huán)中,域存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)都會(huì)更新,模塊中的函數(shù)將同步檢查域的狀態(tài)并相應(yīng)更新其參數(shù)值。

2.2 信號(hào)的多層次仿真

設(shè)備是生產(chǎn)線的基本元素,但在線的每臺(tái)設(shè)備并不是相互獨(dú)立存在的,而是相互協(xié)同工作來完成整條生產(chǎn)線的任務(wù),因此在生產(chǎn)線運(yùn)行時(shí),在線設(shè)備間的相互通信將變得尤為重要。在本系統(tǒng)中,我們根據(jù)信號(hào)傳遞的優(yōu)先級(jí)和范圍將其劃分為3個(gè)等級(jí):設(shè)備級(jí)、功能單元級(jí)和生產(chǎn)線級(jí),如圖7所示。

圖7 多層級(jí)信號(hào)傳遞

圖7中,在設(shè)備內(nèi)部傳遞的信號(hào)屬于設(shè)備級(jí)信號(hào),它是多層次信號(hào)仿真中的最低級(jí),所有模塊的信號(hào)與設(shè)備級(jí)通信模塊相連接。首先,傳感器模塊接收到外界信號(hào),并將其傳遞給通信模塊;然后控制模塊從通信模塊處取得信號(hào),對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析后將控制信號(hào)傳回通信模塊;最后,電機(jī)模塊和電源模塊得到控制信號(hào)并將驅(qū)動(dòng)信號(hào)傳遞給機(jī)械模塊。我們也可以直接向控制模塊發(fā)送信號(hào),并將其作為外部的緊急中斷。

為了完成某一項(xiàng)功能,若干設(shè)備協(xié)同工作并組成了一個(gè)功能單元。在功能單元內(nèi)部各設(shè)備之間傳遞的信號(hào)屬于功能單元級(jí)信號(hào),其處于多層級(jí)仿真的中間層級(jí)。在此層級(jí)中,所有的設(shè)備全部連接到控制總線上,控制中心接收來自設(shè)備的信號(hào),并將控制信號(hào)通過總線進(jìn)行反饋。功能單元之間傳遞的信號(hào)屬于生產(chǎn)線級(jí)信號(hào),是多級(jí)仿真中的最高級(jí),但是其擁有的優(yōu)先級(jí)最低,在緊急情況下可以被來自功能單元級(jí)或設(shè)備級(jí)的信號(hào)中斷。

這類多層級(jí)信號(hào)傳遞機(jī)制可以用來進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試,并可以很快找到故障的原因。當(dāng)我們進(jìn)行生產(chǎn)線的測(cè)試時(shí),可以將整條生產(chǎn)線劃分為簡(jiǎn)單的功能單元,然后將功能單元?jiǎng)澐譃槿舾稍O(shè)備的集合,最后將設(shè)備劃分為更為簡(jiǎn)單的功能模塊,這樣便可以通過逐步縮小故障的范圍最終來確定故障原因。

3 典型案例

我們以某全自動(dòng)紡織染整生產(chǎn)線為原型,建立了一套逼真的虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初期,將各類在線設(shè)備的CAD數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化及整合,建立了詳實(shí)而準(zhǔn)確的模型數(shù)據(jù)庫(kù)。在分析各在線設(shè)備的功能和內(nèi)部信號(hào)傳遞邏輯后,針對(duì)其各個(gè)模塊建立抽象的多層次模型。

系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)調(diào)用了各類外部的庫(kù)函數(shù),同時(shí)將烘干機(jī)、調(diào)濕機(jī)和移載車等設(shè)備的抽象模塊調(diào)入內(nèi)存,如圖8所示,在圖形工作站的實(shí)時(shí)渲染下,系統(tǒng)按照事先編訂的運(yùn)行程序仿真各類設(shè)備的運(yùn)行情況。若設(shè)備在運(yùn)行中出現(xiàn)干涉等錯(cuò)誤,虛擬場(chǎng)景中將出現(xiàn)提示信息。系統(tǒng)還具有輸入外部中斷信號(hào)的功能,可以對(duì)單個(gè)設(shè)備及整條生產(chǎn)線進(jìn)行人工調(diào)試,并觀察其實(shí)時(shí)的反饋情況。利用各種反饋信息,設(shè)計(jì)者可以及時(shí)對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行優(yōu)化和修改,在提高了工作效率的同時(shí),減少了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試所消耗的能源和材料。

4 結(jié)語

圖8 系統(tǒng)運(yùn)行場(chǎng)景

利用Lightning來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立和仿真,所有的設(shè)備都被抽象化為 Lightning中的模塊,而模塊之間的信號(hào)則被定義為模塊功能函數(shù)中的參數(shù),在這種設(shè)備-模塊的對(duì)應(yīng)關(guān)系中,可以方便地進(jìn)行整條生產(chǎn)線的仿真實(shí)驗(yàn)。建立了不同的在線設(shè)備對(duì)應(yīng)的幾何與行為模型,使其具有高度的沉浸感、真實(shí)性和交互性。生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)者可以通過增加或刪除對(duì)應(yīng)的模塊來方便地更改在線的設(shè)備并對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行系統(tǒng)的測(cè)試。在未來的研究中,將利用TK對(duì)系統(tǒng)添加各類對(duì)話模塊,以加強(qiáng)系統(tǒng)的交互性和靈活性,并采用物理引擎來模擬真實(shí)物體間的碰撞和響應(yīng)。

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