張智躍 梁 旭 游江維

（中國礦業(yè)大學(xué)〈北京〉機(jī)電與信息工程學(xué)院，中國 北京100083）

0 引言

采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR）進(jìn)行采煤工作面的三維場景仿真，將整個采煤過程可視化，進(jìn)行采礦生產(chǎn)過程模擬，服務(wù)于工作面的隱患預(yù)警，提高煤炭開采的安全性，用于煤礦人員技術(shù)培訓(xùn)。

采煤工作面的設(shè)備包括刮板輸送機(jī)、采煤機(jī)和液壓支架，其中液壓支架的結(jié)構(gòu)組成復(fù)雜。液壓支架由多個部件構(gòu)成，組件類型多，部件的運動模式各不相同，包括垂直方向的升降運動、水平方向的平移運動，依賴升降的旋轉(zhuǎn)運動等，組件間的運動關(guān)系難以準(zhǔn)確描述。準(zhǔn)確的實施液壓支架運動仿真的基礎(chǔ)是設(shè)計液壓支架的運動控制技術(shù)，也是采煤工作面仿真的關(guān)鍵技術(shù)。

VR技術(shù)在煤礦領(lǐng)域的仿真工作主要有煤礦設(shè)備的虛擬設(shè)計、礦井火災(zāi)模擬和瓦斯爆炸模擬[1]等，但存在設(shè)備仿真模型粗糙、場景控制技術(shù)簡單和實時性差等缺陷。由于采煤設(shè)備的多樣性、采煤過程和場景的復(fù)雜性，采煤工作面的場景仿真研究很少。液壓支架的運動仿真及運動控制的相關(guān)研究沒有見諸報道。

1 基于時間參數(shù)的路徑無關(guān)關(guān)鍵幀生成技術(shù)

1.1 液壓支架的構(gòu)成及運動關(guān)系

1.1.1 液壓支架的組件

液壓支架一共由六個部件組成：前梁、頂梁、立柱、底座、掩護(hù)梁和連桿，如圖1。液壓支架的構(gòu)造可以簡化為圖2，其中A為頂梁，B是立柱，C是底座，D掩護(hù)梁，E是連桿,F是前梁。

圖1 液壓支架原圖

圖2 液壓支架示意圖

1.1.2 液壓支架的運動關(guān)系

液壓支架的運動由立柱的升降為主導(dǎo)，隨著B的升降，頂梁A隨著立柱平動，底座C保持不變，拉桿E繞著W點旋轉(zhuǎn)，掩護(hù)梁D的運動是最復(fù)雜的，不僅有升降還有旋轉(zhuǎn)，對D的運動控制是工作的重中之重。液壓支架組件描述表1如下：

表1 支架組件描述表

1.2 液壓支架的關(guān)鍵幀提取

液壓支架的運動是周期性的，設(shè)液壓支架的一個周期為時間T，整個周期T運動狀態(tài)又可以分為四個階段，支架部件在上述階段的運動模式見表2：

表2 支架部件不同階段運動模式

液壓支架運動過程表達(dá)為若干個關(guān)鍵幀，計算關(guān)鍵幀時刻支架所處的位置和狀態(tài)信息，以幀的形式組織描述支架狀態(tài)，連接關(guān)鍵幀形成支架運動仿真過程[2-3]。通過場景中的幾何模型關(guān)系計算求解關(guān)鍵幀的方法，解決了液壓支架的復(fù)雜運動部件的路徑信息難以獲取的問題。

設(shè)置運動路徑是常用的運動控制及仿真方法，即求出場景中物體的真實運動數(shù)學(xué)關(guān)系模型，根據(jù)運動數(shù)學(xué)模型生成運動路徑[4]。如果運動數(shù)學(xué)關(guān)系模型特別復(fù)雜，提取數(shù)學(xué)關(guān)系模型困難，以及場景仿真時會運算量巨大，仿真的實時性差，也無法提高渲染效率。提取關(guān)鍵幀的方法在保證仿真真實性的情況下，能夠很好的解決這個問題。

液壓支架的運動周期為[0,T4]，從支架的運動周期中提取N個關(guān)鍵幀，幀間的時隔：

液壓支架的關(guān)鍵幀表述為H(t),描述t時刻液壓支架的狀態(tài)，在液壓支架第m個運動周期的第i幀的時刻為：

關(guān)鍵幀由支架的各組件狀態(tài)組成：

2 液壓支架運動仿真實現(xiàn)

2.1 實現(xiàn)平臺OSG介紹

本系統(tǒng)是基于Open Scene Graph（OSG）圖形庫開發(fā)[5]，OSG包含了一系列的開源圖形庫，主要為圖形圖像應(yīng)用程序的開發(fā)提供場景管理和圖形渲染優(yōu)化的功能。它使用可移植的ANSIC++編寫，并使用已成為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的OpenGL底層渲染API。因此，OSG具備跨平臺性，可以運行在Windows，MacOSX和大多數(shù)類型的UNIX和Linux操作系統(tǒng)上。

OSG提供了樹狀的結(jié)構(gòu)組織模型，有效液壓支架進(jìn)行場景組織。3DMAX制作生成前六個設(shè)備部件模型文件，并進(jìn)行組織，然后由OSG Exp插件導(dǎo)出為.osg格式文件。

2.2 模型加載與控制

液壓支架是采煤工作面仿真的核心設(shè)備模型，通過OSG中加載模型函數(shù)osgDB::read Node File()從文件中讀取設(shè)備模型，然后對場景模型進(jìn)行相應(yīng)的運動控制。

加載液壓支架模型，首先按照液壓支架的運動位移范圍及運動時間，切分出若干關(guān)鍵點實施控制?？刂谱兞堪ǎ弘p精度型時間變量，包括動畫的起始時間和持續(xù)時間；向量型變量osg::Vec，用來控制關(guān)鍵點節(jié)點的位置；表示運動方式的四元數(shù)變量osg::Quat，其矢量部分表示旋轉(zhuǎn)軸，標(biāo)量部分表示關(guān)鍵點之間的旋轉(zhuǎn)角度。

由于液壓支架各部件功能各異，其運動形式也不同。因為液壓支架為周期性運動，前面我們分析了在周期不同的階段各部件的運動狀態(tài)，針對不同階段不同的運動狀態(tài)給不同的部件編寫動畫函數(shù)。

首先設(shè)定動畫持續(xù)的時間time，為整個周期T內(nèi)一段時間，起始時間time_start，以及整個動畫過程由n個關(guān)鍵幀組成。

1）平移運動控制

平移以頂梁A為例，需設(shè)定升降的距離，即位移量displacement。由函數(shù)osg::Vec position()生成平動時兩關(guān)鍵幀之間的位移量；函數(shù)osg::Animation Path::insert()把運動時間、位移量插入動畫路徑函數(shù)，完成路徑設(shè)置。頂梁A節(jié)點調(diào)用動畫路徑回調(diào)函數(shù)osg::Node::set Update Callback()完成運動路徑。

2）旋轉(zhuǎn)運動控制

旋轉(zhuǎn)以連桿E為例，首先設(shè)置旋轉(zhuǎn)角度angle。關(guān)鍵幀之間的節(jié)點旋轉(zhuǎn)角度為angle/n，所用的時間為time/n，由函數(shù)osg::Quatrotation()更新旋轉(zhuǎn)角度。最后同樣調(diào)用insert()函數(shù)插入時間和當(dāng)前狀態(tài)，返回動畫路徑。同樣連桿E節(jié)點通過函數(shù)osg::Node::set Update Callback()調(diào)用動畫路徑。

3）旋轉(zhuǎn)和平移協(xié)同運動控制：

旋轉(zhuǎn)又平移以掩護(hù)梁D為例，首先設(shè)置旋轉(zhuǎn)角度angle，平移量displacement。關(guān)鍵點之間的節(jié)點旋轉(zhuǎn)角度為angle/n，平移量為displacement/n，所用的時間為time/n，由函數(shù)osg::Quat rotation()更新旋轉(zhuǎn)角度，由函數(shù)osg::Vec position()更新平移量。最后仍然調(diào)用insert()函數(shù)插入時間和當(dāng)前狀態(tài)，返回動畫路徑。最后節(jié)點調(diào)用回調(diào)函數(shù)osg::Node::set Update Callback()完成掩護(hù)梁D的運動路徑。

圖3

3 結(jié)論

論文主要研究了在基于OSG的虛擬場景中對模型運動的控制所需要的理論和方法，尤其是在對液壓支架的運動控制技術(shù)做了詳細(xì)設(shè)計，提出了一種新的設(shè)備運動控制方法，能夠解決復(fù)雜動畫路徑關(guān)系下對剛體的運動做準(zhǔn)確的運動控制，很好的解決了采煤工作面中復(fù)雜運動關(guān)系的控制。并且可以應(yīng)用在其它更復(fù)雜場景仿真中，都可以通過提取這種空間的幾何關(guān)系來取代運動路徑的數(shù)學(xué)模型關(guān)系，達(dá)到同樣的仿真效果。

系統(tǒng)也有自己的不足之處，首先設(shè)備模型單一，整個液壓支架精簡成了六個部件的運動，雖然能體現(xiàn)出液壓支架的運動狀態(tài)，但很多其他次要部件都被忽略。其次整個系統(tǒng)都沒有加入聲音系統(tǒng)，整個場景的運動都是無聲的狀態(tài)，不可避免的降低了場景的真實感。

隨著數(shù)字化礦山的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在礦業(yè)方面的應(yīng)用將會越來越廣，將來可以將三維仿真虛擬現(xiàn)實技術(shù)與動力學(xué)理論結(jié)合，做到場景的真實性，并且可以與傳感器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備一起結(jié)合，達(dá)到場景的實時性。

［1］禹亮.采煤工作面仿真系統(tǒng)研究[D].山東科技大學(xué),2008.

［2］X.Shen,R.Hage and N.D.Georganas.Agent-aided Collaborative Virtual Environments over HLA/RTI[C]//Proc.IEEE/ACM Third International Workshop on Distributed Interactive Simulation and Real Time Applications (D IS-R’99),Greenbelt MD,Oct.1999.

［3］J.C.Oliveira,X.Shen,N.D.Georganas.Collaborative Virtual Environment for Industrial Training and e-Commerce[C]//Proc.Workshop on Application of Virtual Reality Technologies for Future Telecommunication Systems,IEEEGlobecom’2000 Conference,Nov.-Dec.2000,San Francisco.

［4］肖甫,王汝傳,孫力娟．多關(guān)聯(lián)性虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J]．計算機(jī)技術(shù)與發(fā)展,2009,19(12):36－39．

［5］楊化斌.Open Scene Graph3.0三維視景仿真技術(shù)開發(fā)詳解[M].國防工業(yè)出版社,2012.