梁思瑞，王國慶，張仕超，邵嚴(yán)明，靳 浩

（1. 長安大學(xué) 工程機(jī)械學(xué)院，陜西 西安 710064；2. 杰瑞石油天然氣工程有限公司，山東 煙臺(tái) 264003；3. 武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063）

近年來，我國政府積極加大對(duì)交通、能源、水利等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)力度，各地工程施工量持續(xù)大幅增長［1］，工程機(jī)械的投入使用量也逐年增長。而培養(yǎng)合格的工程機(jī)械操作人員需要較長的培訓(xùn)周期，并耗費(fèi)較大的人力物力，這使得目前高質(zhì)量操作員數(shù)量明顯不足。對(duì)于操作復(fù)雜且價(jià)格昂貴的機(jī)器設(shè)備來說，對(duì)其操作員進(jìn)行虛擬訓(xùn)練可以降低訓(xùn)練成本，提高訓(xùn)練效率［2］。國外在虛擬訓(xùn)練方面進(jìn)行了相關(guān)研究：文獻(xiàn)［3］利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的互動(dòng)設(shè)備與虛擬環(huán)境組件構(gòu)建了基于PC集群的通用軟硬件平臺(tái)，可對(duì)宇航員進(jìn)行虛擬訓(xùn)練；文獻(xiàn)［4］使用Quanser觸覺作為模擬關(guān)節(jié)鏡手術(shù)中的用戶交互元件，使醫(yī)生能夠在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中與軟硬組織進(jìn)行交互，為外科醫(yī)生的訓(xùn)練提供了便利。國內(nèi)的高校和相關(guān)研究機(jī)構(gòu)同樣做了大量針對(duì)虛擬訓(xùn)練的研究：文獻(xiàn)［5］利用LabVIEW的事件結(jié)構(gòu)和平鋪式順序結(jié)構(gòu)，創(chuàng)建了基于實(shí)彈射擊的射擊操作和飛行控制的動(dòng)作響應(yīng)模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)導(dǎo)彈飛行的操作與控制，開發(fā)了一款導(dǎo)彈射擊操作虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)；文獻(xiàn)［6］運(yùn)用三維軟件和VIRTOOLS搭建虛擬塔式起重機(jī)仿真訓(xùn)練平臺(tái)，通過建立運(yùn)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型提高了真實(shí)感；文獻(xiàn)［7］建立空間站虛擬模型，利用局部正向法和整體正向法模擬航天員以不同身體姿態(tài)漫游時(shí)獲取的視覺反饋，研發(fā)了航天員艙內(nèi)導(dǎo)航訓(xùn)練系統(tǒng)。

然而，目前大多數(shù)虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)只是單純演示系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)，并沒有結(jié)合工程機(jī)械的控制器控制和施工中的實(shí)際環(huán)境。因此，本文針對(duì)工程機(jī)械提出了一種融合半物理仿真的臨境虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)構(gòu)架，即利用虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)平臺(tái)模擬工程機(jī)械實(shí)際運(yùn)動(dòng)，采用物理的控制器硬件控制虛擬模型的運(yùn)動(dòng)，使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集傳感器信號(hào)獲得模擬環(huán)境信息的低成本高臨境感虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)。以ZL50型裝載機(jī)為例，開發(fā)了一種裝載機(jī)半物理仿真臨境操作員訓(xùn)練系統(tǒng)。

1 總體架構(gòu)

本文提出的半物理仿真臨境虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)架構(gòu)融合了半物理仿真的思想，將工程機(jī)械中成本較低且相對(duì)更重要的控制器作為實(shí)物引入仿真回路，將成本較高且笨重占空間的機(jī)械實(shí)體用臨境訓(xùn)練系統(tǒng)中虛擬的可控運(yùn)動(dòng)模型代替。為了提高仿真的真實(shí)性和臨境感，為系統(tǒng)添加了采集模擬環(huán)境信息的數(shù)據(jù)采集器和供操作員操作的控制手柄。同時(shí)，為了完成一些訓(xùn)練系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)置和管理并給操作員提供更好的人機(jī)交互體驗(yàn)，將利用虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)平臺(tái)開發(fā)的臨境訓(xùn)練系統(tǒng)嵌入在UI操作系統(tǒng)中顯示。其中UI操作系統(tǒng)和控制器間采用以太網(wǎng)通訊，控制手柄和控制器間采用USB OTG通訊，控制器和傳感器數(shù)據(jù)采集器間采用SPI通訊，UI操作系統(tǒng)與臨境訓(xùn)練系統(tǒng)間采用SOCKET通訊。

圖1 半物理仿真臨境虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)構(gòu)架

系統(tǒng)運(yùn)行過程中，傳感器組從模擬施工環(huán)境中采集實(shí)時(shí)環(huán)境信息，通過數(shù)據(jù)采集器發(fā)送到控制器，控制器將信號(hào)發(fā)給操作手柄和UI操作系統(tǒng)，操作手柄接到信號(hào)后即可以開始被操作，UI操作系統(tǒng)將信息進(jìn)行處理后，向臨境訓(xùn)練系統(tǒng)發(fā)送命令，臨境訓(xùn)練系統(tǒng)中即可生成符合實(shí)時(shí)環(huán)境的施工場景。操作員在計(jì)算機(jī)上的UI操作系統(tǒng)中可以進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置，并實(shí)時(shí)觀看虛擬施工場景和被控工程機(jī)械的作業(yè)情況。操作員根據(jù)臨境訓(xùn)練系統(tǒng)中顯示的施工狀況進(jìn)行分析，使用控制手柄對(duì)工程機(jī)械進(jìn)行操作。這樣，就完成了一次系統(tǒng)的工作循環(huán)。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)。

2.1 數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計(jì)

為了提高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和集成性，采用ADI公司的ADAS3023模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行多路傳感器信號(hào)采集。它是系統(tǒng)級(jí)工業(yè)數(shù)據(jù)采集芯片，集成了8通道、采樣保持、可編程增益儀表放大器，具有高共模抑制特性。同時(shí)采用金太陽的A2415S芯片提供片內(nèi)輸入多路復(fù)用器所需的±15V高壓電源。數(shù)據(jù)采集器的核心電路如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集器核心電路圖

2.2 系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用1個(gè)主處理器和多個(gè)從處理器的多核異構(gòu)控制器?；谌蝿?wù)分工的多處理器協(xié)同工作模式，使控制器功能結(jié)構(gòu)相對(duì)獨(dú)立。不同功能的硬件模塊由不同處理器管理，并由主處理器進(jìn)行從處理器間的任務(wù)調(diào)度。各個(gè)處理器同時(shí)工作，有效提高了系統(tǒng)控制器的可靠性和運(yùn)行速度。

圖3 系統(tǒng)控制器總體架構(gòu)圖

本系統(tǒng)控制器總體架構(gòu)如圖3所示，包括1個(gè)主處理器和3個(gè)從處理器，分別負(fù)責(zé)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集傳輸、數(shù)據(jù)通訊和算法運(yùn)行。此外，主處理器上連接高邊開關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)工程機(jī)械中的液壓比例控制系統(tǒng)，連接USB接口用于調(diào)試控制器。數(shù)據(jù)通訊從處理器上連接W5500芯片，用于實(shí)現(xiàn)其與計(jì)算機(jī)中UI操作系統(tǒng)間的以太網(wǎng)通訊。

其中，主處理器芯片選擇STM32F405RG，從處理器芯片選擇STM32F103C8T8。主從芯片間采取主從控制模式，實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立調(diào)試與多任務(wù)同步運(yùn)行。運(yùn)行在主控制器上的操作系統(tǒng)對(duì)從處理器發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，再將任務(wù)分配給各個(gè)從處理器。從處理器有條不紊的完成任務(wù)，相互獨(dú)立又彼此協(xié)作，共同實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制。主從處理器之間采用一種改進(jìn)的SPI通訊，即在傳統(tǒng)SPI通訊的基礎(chǔ)上，在主從處理器之間增添信號(hào)中斷反饋線。這樣即可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的主從切換，達(dá)到真正意義的雙向通訊。數(shù)據(jù)通訊從處理芯片與W5500以太網(wǎng)通訊模塊同樣使用這種改進(jìn)的SPI通訊。以太網(wǎng)通訊模塊核心電路如圖4所示。

圖4 W5500以太網(wǎng)通訊模塊核心電路圖

3 軟件設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

本系統(tǒng)架構(gòu)中軟件部分各模塊的主要功能是：UI操作系統(tǒng)接收來自控制器的控制信號(hào)進(jìn)行信息處理，然后向臨境訓(xùn)練系統(tǒng)發(fā)送命令，在臨境訓(xùn)練系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械的運(yùn)動(dòng)仿真和施工環(huán)境的模擬。操作員根據(jù)臨境訓(xùn)練系統(tǒng)虛擬環(huán)境中裝載機(jī)的運(yùn)動(dòng)情況，實(shí)時(shí)操作控制手柄，完成操作員和虛擬環(huán)境的交互，達(dá)到訓(xùn)練目的。此外，操作員在UI操作系統(tǒng)上還需進(jìn)行相關(guān)的系統(tǒng)設(shè)置。

由以上分析可知，系統(tǒng)軟件部分涉及到的關(guān)鍵技術(shù)是臨境訓(xùn)練系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)仿真和UI操作系統(tǒng)與臨境訓(xùn)練系統(tǒng)間的通訊。

3.1 虛擬環(huán)境運(yùn)動(dòng)仿真

目前，可以實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境搭建的平臺(tái)有很多，如Virtools、Unity3D、QUEST3D等。要在這些虛擬環(huán)境中實(shí)現(xiàn)控制器可控的運(yùn)動(dòng)仿真，方法大同小異，主要是進(jìn)行三維模型、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型的建立，進(jìn)行一些仿真參數(shù)的設(shè)定，完成對(duì)虛擬模型的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)。這里采用Unity 3D實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)虛擬環(huán)境的搭建。

首先，建立運(yùn)動(dòng)建模和三維建模。運(yùn)動(dòng)建模包括工程機(jī)械行走機(jī)構(gòu)和工作裝置的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程和動(dòng)力學(xué)方程，三維建模在三維建模軟件中完成。其次，實(shí)現(xiàn)虛擬運(yùn)動(dòng)，包括三維模型的導(dǎo)入、組件（剛體、碰撞器、物理材料、聲音等）的添加、運(yùn)動(dòng)腳本的編寫和掛載以及場景視角和聲效的實(shí)現(xiàn)。最后，建立運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)控制器硬件對(duì)虛擬模型的運(yùn)動(dòng)控制。再將控制器輸出信號(hào)導(dǎo)入模型，計(jì)算出機(jī)構(gòu)下一刻的運(yùn)動(dòng)過程，將計(jì)算得到的位移、速度以及軌跡傳給虛擬環(huán)境中的被控運(yùn)動(dòng)對(duì)象，實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，達(dá)到使模型按照控制器命令進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的目的。

3.2 UI操作系統(tǒng)與臨境訓(xùn)練系統(tǒng)通訊

為把虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)中搭建的臨境訓(xùn)練系統(tǒng)嵌入U(xiǎn)I操作系統(tǒng)中運(yùn)行，我們采用高并發(fā)的異步socket通訊實(shí)現(xiàn)其間的相互通訊，其中臨境訓(xùn)練系統(tǒng)中掛載腳本的被控運(yùn)動(dòng)對(duì)象做客戶端，UI操作系統(tǒng)做服務(wù)器端，使用TCP協(xié)議。因?yàn)榕R境訓(xùn)練系統(tǒng)中的被控對(duì)象數(shù)量較多，為防止阻塞并提高系統(tǒng)效率，系統(tǒng)利用對(duì)象池建立多并發(fā)的異步socket通訊。它可以實(shí)現(xiàn)UI操作系統(tǒng)作為服務(wù)器能同時(shí)與大量被控運(yùn)動(dòng)對(duì)象進(jìn)行通訊的功能。

以使用WPF開發(fā)UI操作系統(tǒng)為例。使用上述的socket通訊方法將臨境訓(xùn)練系統(tǒng)的.exe程序嵌入WPF程序中，實(shí)現(xiàn)其間的通訊。在WPF界面添加一個(gè)WinForm自定義控件。在自定義控件內(nèi)新建一個(gè)可以綁定句柄的控件，通過API將.exe程序綁定在控件的句柄上，實(shí)現(xiàn)臨境訓(xùn)練運(yùn)行界面在UI操作系統(tǒng)中的顯示。在WPF中建立服務(wù)器端，實(shí)現(xiàn)大容量高并發(fā)的異步socket通訊，其要點(diǎn)是在程序初始化時(shí)建立對(duì)象池，將一定數(shù)量的SocketA-syncEventArgs對(duì)象放入對(duì)象池中。這樣在接收到客戶端的連接請(qǐng)求時(shí)，不需要再創(chuàng)建任何新的線程，使用由對(duì)象管理的.NET底層提供的IO線程即可。并且，在程序初始化后開啟一個(gè)用于監(jiān)聽客戶端連接請(qǐng)求的socket連接，監(jiān)聽到連接請(qǐng)求之后調(diào)用編寫的自定義方法StartAccept（）開始接受異步連接。每個(gè)對(duì)象都編寫有接收數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)、清理對(duì)象等方法。在需要完成發(fā)送或接收操作時(shí)，從對(duì)象池中取出一個(gè)對(duì)象，將特定的socket連接賦給對(duì)象的.ConnectSocket屬性，調(diào)用對(duì)象的相關(guān)函數(shù)完成操作即可。當(dāng)對(duì)象完成指定操作后，系統(tǒng)會(huì)清空對(duì)象中的所有數(shù)據(jù)，以便下次使用。利用對(duì)象池實(shí)現(xiàn)對(duì)象的復(fù)用，避免了在異步套接字IO量非常大時(shí)發(fā)生重復(fù)的對(duì)象分配和同步問題，顯著提高了通訊性能。服務(wù)器端初始化函數(shù)，即對(duì)象池的建立代碼如圖5。監(jiān)聽到socket的連接請(qǐng)求后，接受客戶端連接的主要代碼如圖6。Unity 3D中的被控對(duì)象作為客戶端，其上掛載腳本的通訊部分使用普通的socket通訊。經(jīng)測試，該方法可行。

圖5 服務(wù)器端初始化函數(shù)

圖6 接受客戶端連接的主要代碼

4 裝載機(jī)臨境訓(xùn)練系統(tǒng)

基于上文中所述的半物理仿真系統(tǒng)架構(gòu)，設(shè)計(jì)了一款ZL50型裝載機(jī)的臨境訓(xùn)練系統(tǒng)。使用上文在虛擬環(huán)境運(yùn)動(dòng)仿真中介紹的方法，建立運(yùn)動(dòng)模型和三維模型，添加組件，編寫和掛載腳本。圖7中依次為裝載機(jī)三維建模、將模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D進(jìn)行分組、組件的添加和腳本的掛載。其中較關(guān)鍵的是組件添加和腳本編寫部分。

圖7 運(yùn)動(dòng)仿真主要實(shí)現(xiàn)步驟

4.1 組件添加

在添加組件時(shí)，對(duì)裝載機(jī)的主要性能參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，將真實(shí)的參數(shù)添加進(jìn)組件，在虛擬環(huán)境中模擬真實(shí)行走運(yùn)動(dòng)。

以挖掘機(jī)進(jìn)行原地轉(zhuǎn)向時(shí)的阻力矩為例進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。將輪胎與地面的接觸面抽象為直徑為輪胎寬度的圓型。輪胎繞接觸面的圓心轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生的摩擦力矩M大小等于接觸面單位面積上的摩擦力對(duì)圓心取矩的總和，摩擦力矩方向與轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，即

式中 F為車輪上的垂直載荷，φ為輪胎與地面間的附著數(shù)，ρ為當(dāng)量半徑，b為輪胎寬度［8］。

設(shè)置車輪碰撞器（WheelCollider），將行走參數(shù)（即運(yùn)動(dòng)時(shí)車輪的驅(qū)動(dòng)力矩、阻力矩等）、真實(shí)車重和地面摩擦系數(shù)等參數(shù)添加進(jìn)組件，能更真實(shí)的模擬裝載機(jī)的運(yùn)行情況。

4.2 腳本編寫

運(yùn)行腳本的編寫是運(yùn)動(dòng)仿真的重點(diǎn)，它確定了模型各個(gè)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)方式。編寫運(yùn)行腳本的基礎(chǔ)是運(yùn)動(dòng)模型，而對(duì)于裝載機(jī)而言，主要是其行走機(jī)構(gòu)和工作裝置的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。

行走機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)包括車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)和車身的平動(dòng)。在裝載機(jī)上添加移動(dòng)腳本，給車輪碰撞器附加一個(gè)力矩，讓車輪碰撞器的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)整車的平動(dòng)?？刂栖囕嗈D(zhuǎn)動(dòng)的主要代碼如圖8，Quaternion.Eular（）返回的為歐拉角度，wheelAngle表示每秒車輪碰撞器繞z軸轉(zhuǎn)過的角度。用wheelCollider對(duì)象的Rotation坐標(biāo)右乘Quaternion.Eular（）來表示車輪碰撞器每秒繞z軸轉(zhuǎn)的角度。累加每一幀車輪的旋轉(zhuǎn)值，將該結(jié)果賦給車輪對(duì)象，即可得出車輪繞著z軸旋轉(zhuǎn)的角度。車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)腳本除控制部分，還包含3.2中介紹的通訊部分。

圖8 車輪腳本中實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)的主要代碼

ZL50型輪式裝載機(jī)工作裝置是一個(gè)反轉(zhuǎn)六連桿機(jī)構(gòu)。對(duì)其添加腳本，需要對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的目的是確定鏟斗端點(diǎn)的位置、姿態(tài)、速度和加速度以及各連桿的位置關(guān)系與各關(guān)節(jié)的速度和加速度。建立D-H剛體坐標(biāo)系，裝載機(jī)工作裝置可簡化為兩自由度的連桿機(jī)構(gòu)，如圖9。O0為裝載機(jī)與動(dòng)臂的鉸接點(diǎn)，O1點(diǎn)為動(dòng)臂與鏟斗的鉸接點(diǎn)，O2點(diǎn)為鏟斗的端點(diǎn)。

圖9 工作裝置簡化結(jié)構(gòu)示意圖

以計(jì)算鏟斗端點(diǎn)的位置為例進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算說明。工作裝置各關(guān)節(jié)間的齊次變換矩陣為

通過運(yùn)動(dòng)方程可以求得工作裝置上各個(gè)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，據(jù)此為裝載機(jī)工作裝置的各個(gè)構(gòu)件添加運(yùn)行腳本。

4.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效果

完成系統(tǒng)的主體設(shè)計(jì)后，還需設(shè)置模擬環(huán)境中攝相機(jī)拍攝的角度和位置，制作模擬場景，添加一些輔助的教學(xué)功能，將生成的應(yīng)用程序嵌入U(xiǎn)I操作系統(tǒng)中。最終完成的裝載機(jī)虛擬施工訓(xùn)練系統(tǒng)雨天施工場景下的遠(yuǎn)景視角如圖10，晴天施工場景下的操作員視角如圖11。如圖10中放大的系統(tǒng)菜單所示，系統(tǒng)具有ZL50挖掘機(jī)簡介、播放教學(xué)視頻、視角切換、晴天場景、雨天場景、操作能力測試等功能。

圖10 雨天施工場景下的遠(yuǎn)景視角

圖11 晴天施工場景下的操作員視角

5 結(jié)束語

提出了一種針對(duì)工程機(jī)械，結(jié)合實(shí)際控制器和施工真實(shí)環(huán)境的操作員訓(xùn)練系統(tǒng)架構(gòu)。該架構(gòu)融合了半物理仿真的思想，將成本較低且較重要的控制器作為實(shí)物引入仿真回路，將成本較高且笨重的機(jī)械實(shí)體用運(yùn)動(dòng)模型代替，將實(shí)際環(huán)境的實(shí)時(shí)信息引入系統(tǒng)，為操作員提供可供操作的手柄。該系統(tǒng)制造成本低，模擬真實(shí)化程度高，虛擬臨境體驗(yàn)感強(qiáng)，使用便捷?；诖思軜?gòu)具體設(shè)計(jì)了一種裝載機(jī)臨境訓(xùn)練系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以進(jìn)行教學(xué)、實(shí)操和測評(píng)。經(jīng)測試，該系統(tǒng)能對(duì)工程機(jī)械操作員進(jìn)行基礎(chǔ)訓(xùn)練，達(dá)到提高操作員培訓(xùn)效率和質(zhì)量，降低培訓(xùn)成本的目的。同時(shí)，在本系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)也為本文提出的系統(tǒng)架構(gòu)的進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。