段克軍，丁明來，房秋怡

（武警士官學(xué)校機(jī)械系，浙江 杭州 311400）

搶險(xiǎn)救災(zāi)是武警部隊(duì)的重要職能任務(wù)之一，挖掘機(jī)操作在執(zhí)行任務(wù)中發(fā)揮了巨大的作用，為了提高執(zhí)行任務(wù)的能力，減少執(zhí)行任務(wù)中的傷亡，武警部隊(duì)官兵需要經(jīng)常性開展搶險(xiǎn)救災(zāi)模擬演練。但是在挖掘機(jī)的搶險(xiǎn)救災(zāi)模擬演練中存在以下問題：受實(shí)際訓(xùn)練場地、時(shí)間及氣候等因素影響較大，訓(xùn)練效率低；在訓(xùn)練時(shí)對挖掘機(jī)的損傷大，影響挖掘機(jī)的整體性能和使用壽命，對機(jī)手和教練的安全帶來風(fēng)險(xiǎn)；油耗較大，成本高，培訓(xùn)周期長[1，2，3]。

針對挖掘機(jī)操作訓(xùn)練中存在的上述問題，本文基于Unity3D技術(shù)，設(shè)計(jì)并開發(fā)了某型挖掘機(jī)搶險(xiǎn)救災(zāi)全景模擬訓(xùn)練平臺。該平臺以部隊(duì)列裝使用的某型挖掘機(jī)為原型，系統(tǒng)集成了理論教學(xué)、理論考試、實(shí)操練習(xí)、實(shí)操考核四個(gè)模塊，可以實(shí)現(xiàn)“從入門到精通”的學(xué)習(xí)訓(xùn)練效果。該平臺的開發(fā)成功，為該型挖掘機(jī)的教學(xué)訓(xùn)練提供了一種新的有效手段[4，5]。

1 需求分析

該平臺是為了滿足武警部隊(duì)挖掘機(jī)培訓(xùn)教學(xué)需要而開發(fā)的，為了保證訓(xùn)練的權(quán)威性和訓(xùn)練質(zhì)量，提高訓(xùn)練的安全性、經(jīng)濟(jì)性，擬定以下設(shè)計(jì)要求：（1）人機(jī)界面友好，可靠性高，便于操作。（2）訓(xùn)練科目豐富、仿真度高，具有基礎(chǔ)駕駛、挖斗練習(xí)、搶險(xiǎn)救災(zāi)等功能，能夠滿足部隊(duì)訓(xùn)練教學(xué)需求。（3）能夠?qū)崿F(xiàn)全景視角和駕駛室視角的切換。（4）能模擬鏟斗在挖掘過程中土壤表面的變化、卸土?xí)r土壤的灑落過程、土壤溢出裝土車外過程。（5）具有碰撞檢測功能，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤操作及時(shí)給出警告。（6）系統(tǒng)造價(jià)低，易于部隊(duì)裝備[1]。

2 總體構(gòu)成

模擬訓(xùn)練平臺主要由操控平臺、軟件平臺、顯示輸出平臺三大部分組成。

操控平臺按照某型挖掘機(jī)駕駛室1∶1制作，操作手柄、踏板、座椅等均與真實(shí)挖掘機(jī)完全一致，有利于提高訓(xùn)練的真實(shí)性。

軟件平臺由模擬訓(xùn)練軟件和軟硬件運(yùn)行環(huán)境組成。模擬訓(xùn)練軟件包括理論教學(xué)、理論考試、實(shí)操練習(xí)、實(shí)操考核四大模塊。軟硬件環(huán)境是指運(yùn)行模擬訓(xùn)練軟件必需的電腦硬件、操作系統(tǒng)等。

顯示輸出平臺由顯示輸出設(shè)備、顯示輸出設(shè)備接口組成。顯示輸出設(shè)備可選用電腦液晶屏或環(huán)幕投影設(shè)備，顯示輸出設(shè)備接口可選用專業(yè)的多屏輸出設(shè)備或支持多屏輸出的電腦顯卡[2]。

3 平臺系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 操控平臺設(shè)計(jì)

操控平臺采用某型挖掘機(jī)駕駛室1∶1制作，并根據(jù)需要進(jìn)行部分改裝。該型挖掘機(jī)真實(shí)駕駛室機(jī)械部分主要由駕駛室底盤、駕駛室殼體、座椅、操縱手柄、行走踏板/手動(dòng)桿、信息儀表盒、安全鎖、空調(diào)等組成?？紤]到模擬訓(xùn)練平臺安裝于室內(nèi)，所以不需要安裝駕駛室殼體、空調(diào)以降低模擬訓(xùn)練平臺重量和成本，其他部件直接采用原廠配件，以獲得最佳的操縱效果。由于真機(jī)操作手柄和行走踏板均采用液壓先導(dǎo)閥方式工作，輸出的是液壓信號，無法與軟件平臺對接，必須改裝為可輸出電信號的操縱傳感器。設(shè)計(jì)結(jié)果如圖1所示。

圖1 操控平臺

3.2 軟件設(shè)計(jì)

在軟件系統(tǒng)中主要使用3D MAX來進(jìn)行三維實(shí)體模型的建立，采用Unity3D面和框架進(jìn)行搭建，在Unity3D平臺上編寫模擬訓(xùn)練程序[6，7]。

環(huán)境模擬：場景環(huán)境搭建主要在3D MAX、Unity3D中進(jìn)行，Unity3D主要對環(huán)境的花草樹木、地形、環(huán)境光、水等自然物體進(jìn)行創(chuàng)建和渲染，Unity3D具有強(qiáng)大的地形編輯器，開發(fā)者可以在場景中快速創(chuàng)建數(shù)以千計(jì)的樹木、地表巖石還有無數(shù)的草坪，3D MAX主要對環(huán)境中的人工物體如建筑物、角色等進(jìn)行建模。

挖掘機(jī)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)：挖掘機(jī)動(dòng)作主要由兩個(gè)軟件來實(shí)現(xiàn)。挖掘機(jī)在3D MAX中進(jìn)行建模和實(shí)現(xiàn)履帶運(yùn)動(dòng)，使用IK反向動(dòng)力學(xué)實(shí)現(xiàn)大小臂聯(lián)動(dòng)。

挖掘機(jī)代碼控制：此部分工作主要是在Unity3D中完成，在Unity3D中通過C#編程語言寫出程序代碼實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)在虛擬環(huán)境中的基本運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)需求分析，該平臺軟件系統(tǒng)包括理論教學(xué)、理論考試、實(shí)操練習(xí)、實(shí)操考核等四大模塊，功能結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 軟件結(jié)構(gòu)框圖

各模塊的功能介紹如下：

1）理論教學(xué)模塊。包括圖片、文字、視頻三種形式，其中“圖片”采用9頁54輻漫畫形式對安全注意事項(xiàng)進(jìn)行教學(xué)，“文字”采用2頁文字對挖掘機(jī)安全操作規(guī)程進(jìn)行教學(xué)，“視頻”通過18條錄像的形式對操作要領(lǐng)和注意事項(xiàng)進(jìn)行教學(xué)，如圖3所示。

圖3 理論教學(xué)模塊

2）理論考試模塊。主要考查對挖掘機(jī)操作規(guī)范和安全注意事項(xiàng)的掌握情況，如圖4所示。

圖4 理論考試模塊

3）實(shí)操練習(xí)模塊。如圖5所示，將挖掘機(jī)常用的操作技能分解為駕駛和挖斗練習(xí)，在熟練掌握操作要領(lǐng)后，重點(diǎn)練習(xí)搶險(xiǎn)救援項(xiàng)目。搶險(xiǎn)救援項(xiàng)目主要針對武警部隊(duì)執(zhí)行的泥石流救援和地震救援任務(wù)進(jìn)行訓(xùn)練，如圖6～圖7所示。

圖5 實(shí)操練習(xí)模塊

圖6 泥石流救援

圖7 地震救援

4）實(shí)操考核模塊通過“駕駛停放”、“跨越障礙”、“裝車作業(yè)”、“上下坡跨越障礙”四個(gè)科目來考查學(xué)員對挖掘機(jī)操作技能的掌握情況，如圖8所示。

圖8 實(shí)操考核模塊

3.3 顯示輸出平臺設(shè)計(jì)

在操控平臺設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)了駕駛室視角和全景視角的切換，如圖9所示。為了使顯示輸出平臺與操控平臺尺寸匹配，直接采用42寸液晶顯示屏。

圖9 視角切換功能

3.4 整體設(shè)計(jì)

操作手柄、踏板、座椅、點(diǎn)火開關(guān)等均采用與真機(jī)一致的產(chǎn)品，配置42寸液晶顯示屏、PC主機(jī)、PLC控制電路板（PL2303）、速度控制旋鈕，為方便移動(dòng)和停放，平臺下部安裝四個(gè)萬向輪和四個(gè)支腿。模擬訓(xùn)練平臺整體安裝如圖10所示。

圖10 模擬訓(xùn)練平臺整體圖

4 訓(xùn)練案例

以實(shí)操考核中“跨越障礙”科目為例，詳細(xì)介紹操作過程。

考核界面如圖11所示，學(xué)員通過小鍵盤輸入身份證號碼或者輸入18個(gè)“0”進(jìn)入。

圖11 考核界面

利用主操作桿選擇“跨越障礙”，按“確定”鍵進(jìn)入，如圖12、圖13所示，左上角顯示考核科目和已用時(shí)間。

圖12 選擇“跨越障礙”

圖13 進(jìn)入考核

啟動(dòng)挖掘機(jī)，頁面左上角顯示“碰撞次數(shù)”，將挖掘機(jī)行駛至坑溝邊緣，如圖14所示。

圖14 啟動(dòng)并行駛

把前臂伸到坑溝的另一邊，并用挖斗背貼住地面，然后繼續(xù)前進(jìn)，直到履帶跨越坑溝兩側(cè)，如圖15所示。

圖15 履帶跨越坑溝

然后回轉(zhuǎn)機(jī)身，把大臂旋轉(zhuǎn)至坑溝的另一端，如圖16所示。

圖16 回轉(zhuǎn)機(jī)身

用挖斗背抵住地面，然后繼續(xù)沿初始的方向前進(jìn)，如圖17所示。

圖17 繼續(xù)前進(jìn)

將挖掘機(jī)停放在指定位置，如圖18所示。

圖18 正確停放

考核結(jié)束，點(diǎn)擊功能按鈕上“返回”鍵，用主操作桿選擇“確定”選項(xiàng)，按下功能按鈕上“確定”鍵，如圖19所示。

圖19 考核結(jié)束

系統(tǒng)根據(jù)操作過程中的錯(cuò)誤次數(shù)和用時(shí)自動(dòng)評定本次考核成績，如圖20所示。

圖20 評定成績

5 結(jié)束語

本文根據(jù)挖掘機(jī)搶險(xiǎn)救災(zāi)全景模擬訓(xùn)練平臺的設(shè)計(jì)要求，基于Unity3D技術(shù)，詳細(xì)介紹了設(shè)計(jì)過程。本文設(shè)計(jì)的模擬訓(xùn)練平臺具有無風(fēng)險(xiǎn)、低成本、無環(huán)境條件制約、訓(xùn)練科目豐富、仿真度高等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)兩屆學(xué)員的使用效果來看，利用該模擬訓(xùn)練平臺，可使操作者在安全的環(huán)境下熟悉挖掘機(jī)的操作，無時(shí)間限制，可完成地震救援和泥石流救援的訓(xùn)練，可顯著節(jié)約訓(xùn)練成本、提高訓(xùn)練效果。