郭世懷，黃青青，丁小康，劉晉浩

(北京林業(yè)大學 工學院，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、倒木和火場等危險作業(yè)情形。為發(fā)揮大型林業(yè)裝備在營林撫育和消防安全等方面的功能，達到可靠、安全和高效的目的，必須對駕駛乘員進行長時間、持續(xù)性訓練才能保證林業(yè)生產(chǎn)和消防工作過程中裝備的可靠性和安全性，提高林業(yè)裝備技術水平和林業(yè)生產(chǎn)效率[1]。

圖1 聯(lián)合采伐機主要結構示意圖

伐木機作業(yè)機械臂的設計基本上是采用了工程機械常用的工作裝置設計方式，主要由動臂、吊臂、液壓缸和回轉機構等部分組成。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)的各個動作。機械臂的動作由動臂、吊臂的兩個液壓缸的液壓回路單獨或復合操縱完成[2-3]。圖2為采育機的作業(yè)場景和駕駛室內部結構。本文旨在通過對多功能林木聯(lián)合采育裝備虛擬駕駛仿真系統(tǒng)進行簡單介紹，為將來研究整個模擬培訓系統(tǒng)建立一定的理論基礎。

將虛擬現(xiàn)實技術應用于多功能林木作業(yè)與消防裝備培訓系統(tǒng)，可以使受訓人員在近似真實的環(huán)境下反復操練其要領，節(jié)約培訓費用與燃料；可以通過電腦的實時反饋系統(tǒng)精確考核駕駛員的操作水平，達到理論與實踐的完美結合；可以免去受訓人員直接在多功能林木聯(lián)合采育裝備上操作的高昂費用。

圖2 輪式聯(lián)合采育機的作業(yè)場景與駕駛室內部

1 研究背景

1.1 輪式聯(lián)合采伐機車架構造

輪式聯(lián)合采伐機的底盤多采用鉸接式車架構造，這種車架構造利于林木聯(lián)合采伐機在林地作業(yè)時保持車身的穩(wěn)定性，同時具備一定的越障能力[4-5]。因為是大型工程機械，為避免產(chǎn)生整車大范圍的振動，驅動橋采用的都是剛性懸架，后橋采用擺動式驅動橋，前橋或固定在車架上(如圖3所示輪式采伐機)。

圖3 “多功能林木采育機”樣機在通過實際林地

采用擺臂式驅動橋，這種驅動橋的特點是左右兩個擺臂相互獨立，可有效地應對地面的凹凸，保持車體的穩(wěn)定。底盤部分變幅的主要作動部件簡圖如圖4所示。

圖4 六輪式結構簡圖與主要變幅參量

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CAN(Controller Area Network)總線來實現(xiàn)[6]?？刂破骶钟蚓W(wǎng)CAN屬于現(xiàn)場總線范疇，它是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網(wǎng)絡。系統(tǒng)采用總線式網(wǎng)絡拓撲結構，其系統(tǒng)總體結構如圖5所示。

圖5 基于CAN總線的整機總線控制系統(tǒng)

為了對作業(yè)工況進行控制和監(jiān)測，采用搭載CAN總線模塊的PC與控制系統(tǒng)組成測控系統(tǒng)，系統(tǒng)的硬件組成如下：下位機是控制模塊2024，上位機即為PCI擴展內置通訊模塊的工控機，上位機根據(jù)下位機主要完成系統(tǒng)控制任務，包括系統(tǒng)參數(shù)設置、控制指令和參數(shù)的下達，以及把各項參數(shù)發(fā)送到CAN總線上。

聯(lián)合采伐機整套工作裝置通過安裝在駕駛室內操作員座位扶手兩旁的操縱手柄來實現(xiàn)人機交互控制，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方向軸的輸出比例信號輸出機械臂位置控制參數(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)合采伐過程作業(yè)情況復雜，具有很強的非線性特征，為了提供作業(yè)的可靠性和效率，必須對作業(yè)流程進行研究和規(guī)劃。由于操作手柄的運動直接控制液壓缸力和關節(jié)旋轉速度，為了使機械臂末端及伐木頭在作業(yè)動作中迅速操作至期望的位置，作業(yè)流程必須經(jīng)過人機工學的優(yōu)化，同時操作員必須經(jīng)過嚴格的訓練和操作實踐。

圖6 Ponsse采伐機操作駕駛模擬器

圖7 多功能林木聯(lián)合采育裝備虛擬培訓系統(tǒng)框圖

2 總體方案設計

駕駛模擬器研制開發(fā)的基本步驟[7-8]：

(1)首先針對林木采育機械在林間作業(yè)的特點進行調查和研究，對已有的作業(yè)機械進行考察和測試，在有關建模軟件環(huán)境下進行林木采育機械主要工作裝置的分析和建模。

(2)通過研究其工作裝置的工作過程和動作分解，在工作裝置的建?；A上，利用仿真軟件(Matlab等)建立一個工作裝置的動力學模型。

(3)利用仿真軟件手段建成的虛擬環(huán)境，導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)的應用程序接口。

(4)實現(xiàn)與工作裝置控制軟件進行聯(lián)合的實時仿真，通過用戶界面鼠標或手柄實現(xiàn)工作裝置的軌跡控制。

2.1 半實物仿真系統(tǒng)構架

本方案中，采用高層體系結構(HLA)作為分布式仿真系統(tǒng)框架，如圖7所示。以連接六自由度運動平臺和模擬駕駛艙的實時車輛仿真模型為核心，并結合高逼真度、高臨場感的三維視景系統(tǒng)，構建一個能夠滿足聯(lián)合采伐機研制、模擬訓練和采伐作業(yè)研究等多層次需求的聯(lián)合采伐機人機環(huán)境仿真系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)，用戶能夠實現(xiàn)整車平順性仿真試驗、聯(lián)合采伐操作人員模擬操作訓練試驗及相應的研究。

2.2 半實物仿真系統(tǒng)要求

設計車輛運動半實物仿真系統(tǒng)主要是在虛擬的作業(yè)環(huán)境中用液壓平臺模擬車輛的隨機和振動動感，以考核乘載員在一定的路面與情況下的振動對作業(yè)的影響，同時可以用來研究提高裝備舒適性。液壓系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、液壓驅動系統(tǒng)、六自由度運動平臺和支架和吊車等輔助設備組成，如圖8所示。

3 采育機運動學與動力學分析

為了使車輛實現(xiàn)轉向行駛，必須在車輛上產(chǎn)生一個與轉向方向一致的轉向力矩，用來克服車輛的轉向阻力矩。根據(jù)工程車輛獲得轉向力矩方式的不同，工程車輛的轉向又可分為：偏轉車輪轉向，鉸接車架轉向和差速轉向。在本文的研究中，對單泵四馬達并聯(lián)液壓獨立驅動的四輪車輛，僅針對差速轉向方式進行討論。如圖8所示。

圖8 實物仿真系統(tǒng)硬件組成布置圖

3.1 車輛轉向行駛的動力學分析

圖9 車輛轉向運動簡圖

如圖9所示的鉸鏈式車輛底盤，當轉向角為0時(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表示前后橋的長度，θfθr為方位角。通過車輛的幾何模型以及pf和pr的坐標關系，可以得到：

(1)

(2)

由于車架的剛性結點，前后車橋具有相同的速度變化，相對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，鉸鏈轉角γ是由前橋方位角與后橋方位角的差值得到，結合以上的關系式，可以得到前車橋角速度的計算公式：

(5)

當前后橋的長度不一樣時，前橋角速度與后橋角速度的值也不同，后橋角速度的計算公式：

(6)

3.2 車輛轉向行駛的運動學分析

在偏轉角不為0的情況下，鉸鏈式車輛的運動學模型可以通過轉向角的幾何分析來研究。如圖9所示，車輛位置的主要影響因素是兩個滑動變量α和β，它們分別被定義為前后橋的偏轉角，在偏轉角的作用下，r1、r2是前后橋轉向運動時瞬時速度圓心的半徑。其中軌道的初始曲率圓心，是在假設偏轉角為0的情況下得到的。下列公式中帶有下標‘s’的變量表示是在偏轉角不為0情況下的變量。在偏轉角作用下的前橋的運動學等式可以表示為：

(7)

(8)

在本研究中，車輛運動不僅取決于運動速度、鉸鏈角度和車輛長度，還與車輛的偏轉角角度有關?；谲囕v是恒穩(wěn)態(tài)的假設，前后橋的運動速度可以計算如下：

(9)

(10)

通過求解以上等式，前后橋的角速度可以得到：

(11)

(12)

根據(jù)其運動學原理，在場景運動控制代碼中簡化為以下代碼模型：

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)；// 前車架轉向角度

4 作業(yè)模擬系統(tǒng)軟件的開發(fā)

建立一個好的仿真模型是實現(xiàn)實時性的關鍵[9-10]。目前市面上流行的建模軟件種類繁多，工程應用的Solidworks/ProE等軟件和造型應用的Maya/3DMAX等軟件均可勝任。然而一個優(yōu)質的模型包含大量的數(shù)據(jù)信息，包括面片數(shù)量、材質與紋理信息等，需要專門針對可視化仿真行業(yè)應用特點推出的實時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雜光影效果、多面片3D模型等導入到實時3D現(xiàn)實環(huán)境中面臨的主要問題：如何提高模型的實時性，同時，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行工作。建好的模型可以被分步驅動，可以從不同三維視點觀看模型的實時渲染。此外Unity3D能夠利用TCP/IP、UDP等多種網(wǎng)絡傳輸協(xié)議進行數(shù)據(jù)交換。利用Unity3D的以上優(yōu)良的開發(fā)特性，能夠開發(fā)出實時性強，視景系統(tǒng)逼真的模擬培訓視景系統(tǒng)[13]。

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

首先，在車輛實時仿真模型的前端，通過AD、DIO、CAN、SIO 等轉換接口和數(shù)據(jù)處理機制，采集駕駛員模擬艙的各種操作信號。信號經(jīng)過采集之后，對應的車輛狀態(tài)機模型(MAtlab/simulink)，確定車輛狀態(tài)(開關、按鈕和方向盤等狀態(tài)信息)。

一部分狀態(tài)信息通過處理后，輸入Matlab/Simulink/AMEsim車輛動力學模型運行環(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)送到運動平臺信號接口，驅動虛擬現(xiàn)實視景仿真系統(tǒng)進行虛擬車輛的姿態(tài)調整。

另一部分狀態(tài)信息經(jīng)過處理后，進入Unity3D的聲音驅動狀態(tài)模型，驅動聲音和振動仿真VR環(huán)境，輸出振動器和音響設備。

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

在高采樣頻率駕駛座艙輸入采集系統(tǒng)和實時動力學與液壓等仿真系統(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)訓練的裝備模擬駕駛艙外，使駕駛員體驗到在虛擬的林業(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)境中模擬行走的場景

5 結束語

將虛擬現(xiàn)實技術應用于多功能林木作業(yè)與消防裝備培訓系統(tǒng)，可以使受訓人員在近似真實的環(huán)境下反復操練其要領，節(jié)約培訓費用與燃料；可以通過電腦的實時反饋系統(tǒng)精確考核駕駛員的操作水平，達到理論與實踐的完美結合；可以免去受訓人員直接在多功能林木聯(lián)合采育裝備上操作的高昂費用。此外，這還對縮短培訓周期、提高培訓質量、改善訓練單一性以及降低訓練過程中的受傷情況有很重要的意義。

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