摘 要： 將帶電作業(yè)中的絕緣斗臂車操作訓(xùn)練與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合，以Quest3D4.0和VC++6.0等軟件為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，在完成整體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了絕緣斗臂車虛擬仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)通過(guò)建立視景仿真和絕緣斗臂車模擬控制系統(tǒng)，受訓(xùn)者可在虛擬操作環(huán)境中真實(shí)體驗(yàn)在現(xiàn)實(shí)世界中的工況，有力地保障了仿真培訓(xùn)的效果，為電力系統(tǒng)的帶電作業(yè)培訓(xùn)提供了一種新的思維方式。
關(guān)鍵詞： 虛擬仿真；場(chǎng)景建模；運(yùn)動(dòng)控制；絕緣斗臂車
電力系統(tǒng)運(yùn)行是電力安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，作為電力線路維護(hù)的作業(yè)人員，不僅要掌握相關(guān)理論知識(shí)，還要在此基礎(chǔ)上鍛煉實(shí)際應(yīng)用和操作水平，因此做好電力系統(tǒng)仿真培訓(xùn)工作具有很大的實(shí)際意義。傳統(tǒng)基于實(shí)體的培訓(xùn)系統(tǒng)，由于需要專用設(shè)備實(shí)現(xiàn)，設(shè)備不僅相對(duì)復(fù)雜，需要相對(duì)較大的空間，而且價(jià)格昂貴，學(xué)習(xí)人員需要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力到專門的培訓(xùn)機(jī)構(gòu)學(xué)習(xí)，這在一定程度上限制了學(xué)習(xí)人數(shù)和學(xué)習(xí)質(zhì)量。因此，近年來(lái)虛擬技術(shù)的模擬培訓(xùn)系統(tǒng)在電力系統(tǒng)培訓(xùn)中得到了廣泛的應(yīng)用。
絕緣斗臂車是配電線路帶電作業(yè)中常用的工具，用來(lái)把操作人員和設(shè)備送到指定位置，掌握其在作業(yè)中操作要領(lǐng)是順利完成帶電作業(yè)的重要保障。借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的3I特性——沉浸(Immersion)、交互(Interaction)和構(gòu)想(Imagination)，建立絕緣斗臂車虛擬仿真系統(tǒng)，使受訓(xùn)者可以沉浸在虛擬操作環(huán)境當(dāng)中，根據(jù)虛擬環(huán)境提供的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)反饋，直接感知操作對(duì)象的結(jié)構(gòu)和工作原理，構(gòu)想操作動(dòng)作要領(lǐng)，體驗(yàn)在現(xiàn)實(shí)作業(yè)中可能發(fā)生的狀況，能有效地保證培訓(xùn)效果。同時(shí)使受訓(xùn)者的訓(xùn)練不受時(shí)間、氣候、場(chǎng)地的限制，極大地保證了訓(xùn)練的安全性。
1 絕緣斗臂車虛擬仿真系統(tǒng)構(gòu)成
絕緣斗臂車虛擬仿真系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示，由模擬斗操作系統(tǒng)、主控計(jì)算機(jī)、視景仿真系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)模擬系統(tǒng)等構(gòu)成。
模擬斗是支撐操縱裝置、作業(yè)人員的載體，是實(shí)現(xiàn)絕緣斗臂車模擬操作最基本的機(jī)械本體。受訓(xùn)者在模擬斗操作系統(tǒng)中通過(guò)數(shù)字桿、按鈕等控制虛擬環(huán)境中絕緣斗臂車的運(yùn)行情況，將動(dòng)作傳遞給主控計(jì)算機(jī)。視景仿真系統(tǒng)通過(guò)動(dòng)力學(xué)模型的計(jì)算，處理各種操作信息后進(jìn)行視景仿真，通過(guò)大屏幕顯示器和音響系統(tǒng)實(shí)時(shí)反映出來(lái)。同時(shí)，視景系統(tǒng)將仿真數(shù)據(jù)送給運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)伺服控制器來(lái)控制模擬運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的位姿（位置與姿態(tài)）。伺服控制器實(shí)時(shí)采集運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的數(shù)據(jù)，反饋給主控計(jì)算機(jī)，主控計(jì)算機(jī)通過(guò)閉環(huán)控制對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行更精確地控制，使模擬運(yùn)動(dòng)平臺(tái)產(chǎn)生逼真的絕緣斗臂車模擬運(yùn)動(dòng)效果。這樣，作業(yè)人員就得到視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)等多方面體驗(yàn)，如同在操作真實(shí)的絕緣斗臂車。絕緣斗臂車模擬操作系統(tǒng)外觀如圖2所示。
2 視景仿真系統(tǒng)的建立
虛擬帶電作業(yè)場(chǎng)景的顯示、音響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)、絕緣斗臂車運(yùn)動(dòng)效果的模擬、運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)位姿數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲得等，都需要虛擬作業(yè)視景系統(tǒng)產(chǎn)生實(shí)時(shí)的計(jì)算機(jī)仿真圖形作為基礎(chǔ)。因此，虛擬視景的快速、逼真、準(zhǔn)確顯示便成了衡量斗臂車模擬器的最重要因素。本文在Windows環(huán)境下，采用Quest3D和3DMax SDK，建立了一個(gè)絕緣斗臂車的視景仿真系統(tǒng)。
2.1 動(dòng)力學(xué)仿真模型及應(yīng)用
開(kāi)發(fā)絕緣斗臂車視景仿真系統(tǒng)，必須建立斗臂車動(dòng)力學(xué)模型，以確定當(dāng)前操作時(shí)絕緣斗臂車的運(yùn)動(dòng)速度和方向坐標(biāo)位置，供圖形實(shí)時(shí)生成系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地生成虛擬視景，提高視景仿真的沉浸感。因此，建立一個(gè)合適有效的動(dòng)力學(xué)模型是實(shí)現(xiàn)整個(gè)仿真操作系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。動(dòng)力學(xué)模型越準(zhǔn)確，其復(fù)雜程度也越高，并且復(fù)雜程度呈幾何級(jí)數(shù)增加，所需的計(jì)算空間和計(jì)算所占用的空間代價(jià)也呈幾何級(jí)數(shù)增加。圖形實(shí)時(shí)生成系統(tǒng)將占據(jù)大部分CPU時(shí)間，因此需要在模型的逼真度與復(fù)雜性作一折中，即在保證模擬精度的前提下簡(jiǎn)化運(yùn)算過(guò)程。本文中，絕緣斗臂車模擬器動(dòng)力學(xué)模型主要有數(shù)字桿轉(zhuǎn)向角與運(yùn)動(dòng)方向模型和剎車制動(dòng)與行駛速度模型。
2.2 虛擬場(chǎng)景的生成
在絕緣斗臂車仿真培訓(xùn)中，視覺(jué)是最重要的提示信息，受訓(xùn)者的動(dòng)作大部分依賴于視覺(jué)，因此，視景仿真系統(tǒng)渲染高質(zhì)量三維模型的能力是絕緣斗臂車模擬器真實(shí)感的重要保證。為了滿足圖像處理的實(shí)時(shí)和逼真，以及視覺(jué)的真實(shí)感，需要配置高性能的圖形渲染計(jì)算機(jī)，系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)，生成三維虛擬場(chǎng)景，再現(xiàn)配電作業(yè)的真實(shí)環(huán)境，給作業(yè)人員以最直接的視覺(jué)提示，增強(qiáng)作業(yè)的逼真度。當(dāng)作業(yè)人員沉浸在虛擬的場(chǎng)景中時(shí)，根據(jù)場(chǎng)景的變化可以進(jìn)行相應(yīng)的操作。利用3ds Max、photoshop和zbrush構(gòu)建模型場(chǎng)景，3Dmax主要解決3D模型的設(shè)計(jì)制作，photoshop主要解決圖片處理，zbrush主要解決人物模型貼圖的處理。綜合采用VC++6.0，Quest3D4.0和3dMax進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。模型建立流程如圖3所示，根據(jù)該流程創(chuàng)建的場(chǎng)景模型如圖4所示。
2.3 碰撞檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)
絕緣斗臂車虛擬仿真作為一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，斗臂車模擬運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與環(huán)境物體的碰撞檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)沉浸性的重要問(wèn)題。從數(shù)學(xué)上說(shuō)，碰撞檢測(cè)表現(xiàn)為兩個(gè)多面體的求交問(wèn)題，求解并不成問(wèn)題。在虛擬現(xiàn)實(shí)中，對(duì)碰撞檢測(cè)算法提出了實(shí)時(shí)性的要求，必須對(duì)碰撞檢測(cè)模型進(jìn)行優(yōu)化和簡(jiǎn)化。文中使用OpenGVS所提供的幾何工具(geometry facility)能很好地實(shí)現(xiàn)了斗臂車虛擬運(yùn)動(dòng)中景物跟隨和場(chǎng)景內(nèi)與其他物體的碰撞檢測(cè)。
2.4 音響仿真系統(tǒng)
根據(jù)絕緣斗臂車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和作業(yè)人員的不同動(dòng)作，音響仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景管理平臺(tái)中的聲音和音效處理。在訓(xùn)練過(guò)程中，絕緣斗臂車可以發(fā)出剎車聲、與物體碰撞聲及外圍環(huán)境聲音等。系統(tǒng)使用DirectX中的DirectSound和Direct Music組件來(lái)實(shí)現(xiàn)絕緣斗臂車運(yùn)動(dòng)中的各種聲音特效。
3 運(yùn)動(dòng)模擬系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是連接視景仿真系統(tǒng)和模擬斗系統(tǒng)的“神經(jīng)中樞”，首先接收視景仿真系統(tǒng)中傳來(lái)的汽車的姿態(tài)信號(hào)，然后通過(guò)一定的計(jì)算將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量控制運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)模擬斗的姿態(tài)控制。
3.1 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)原理
控制系統(tǒng)通過(guò)控制六自由度平臺(tái)的位姿，使受訓(xùn)者者獲得啟動(dòng)、加速、剎車、轉(zhuǎn)向等各種真實(shí)的觸覺(jué)感受。六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)通過(guò)空間定位和姿態(tài)定位(三個(gè)自由度用來(lái)表示物體在空間的位置變化，三個(gè)自由度分別表示仰俯、測(cè)滾、偏移)，能夠模仿運(yùn)動(dòng)載體特征，六自由度及坐標(biāo)系定義如圖5所示。搖動(dòng)裝置由6個(gè)閥控液壓缸驅(qū)動(dòng)，6個(gè)伺服缸并聯(lián)設(shè)置，共同驅(qū)動(dòng)上平臺(tái)。各伺服液壓缸需要協(xié)調(diào)一致動(dòng)作，才能使模擬斗穩(wěn)定運(yùn)行，不發(fā)生損壞現(xiàn)象。
運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)組成如圖6所示，分為控制計(jì)算機(jī)、電液伺服控制單元、執(zhí)行機(jī)構(gòu)單元、液壓系統(tǒng)、反饋單元五部分。其工作原理是：給控制計(jì)算機(jī)輸入一個(gè)位姿數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)將此信號(hào)傳送給電液伺服控制單元，電液伺服控制單元將信號(hào)進(jìn)行電壓到電流的轉(zhuǎn)換以驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)通過(guò)電液伺服閥控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)即六自由度平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，反饋單元進(jìn)行位移信號(hào)的采集，將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置信息反饋給計(jì)算機(jī)，以構(gòu)成位置閉環(huán)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)到達(dá)給定位置時(shí)，計(jì)算機(jī)根據(jù)判別，控制其速度為零，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位控制，最終達(dá)到模擬斗姿態(tài)的準(zhǔn)確控制。
3.2 控制流程
控制流程如圖7所示，訓(xùn)練開(kāi)始，系統(tǒng)進(jìn)行初始化；調(diào)用模擬斗平臺(tái)最低位至平衡位的運(yùn)動(dòng)曲線數(shù)據(jù)，使其運(yùn)行至平衡位；選擇六自由度運(yùn)動(dòng)模式及參數(shù)，調(diào)用相應(yīng)運(yùn)動(dòng)曲線開(kāi)始運(yùn)動(dòng)；軟件界面采集各編碼器脈沖，畫(huà)出6個(gè)伺服液壓缸實(shí)際運(yùn)行曲線圖。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，控制軟件通過(guò)模擬量及數(shù)字量輸入口時(shí)刻檢測(cè)力傳感器及限位開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，一旦滿足停機(jī)條件，將立即停止6個(gè)伺服電動(dòng)缸的運(yùn)動(dòng)并返回至平衡狀態(tài)。訓(xùn)練結(jié)束后，平臺(tái)返回最低位置，此時(shí)可以切斷電源。
運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)提供DOS下C語(yǔ)言函數(shù)庫(kù)和Windows下的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，通過(guò)調(diào)用函數(shù)庫(kù)中的指令可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制器的各種功能。系統(tǒng)采用VC++6.0為編程環(huán)境，在Windows系統(tǒng)下安裝驅(qū)動(dòng)程序后，調(diào)用函數(shù)庫(kù)中的函數(shù)編寫(xiě)可視化用戶界面來(lái)控制平臺(tái)的各種運(yùn)動(dòng)。圖8為模擬絕緣斗臂車運(yùn)動(dòng)的畫(huà)面。
系統(tǒng)集傳感器技術(shù)、運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)、三維實(shí)時(shí)動(dòng)畫(huà)技術(shù)、人工智能技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)、多媒體技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)于一體，以Quest3D4.0、VC++6.0和關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)MySQL4.1等軟件為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，在建立運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)、顯示系統(tǒng)、工作站等硬件設(shè)施的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了：(1)真實(shí)地模擬斗臂車啟動(dòng)、停止、加速、減速和轉(zhuǎn)向等各種運(yùn)動(dòng)情況；(2)能提供帶電作業(yè)時(shí)所需的各種視景；(3)能觀察和記錄斗臂車運(yùn)行時(shí)的各項(xiàng)性能參數(shù)；(4)能記錄作業(yè)人員的操作技術(shù)，便于及時(shí)改進(jìn)及修正。系統(tǒng)充分利用文本、圖形、三維影像、三維動(dòng)畫(huà)和聲音等多種媒體表現(xiàn)形式，通過(guò)刺激學(xué)員的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)神經(jīng)，調(diào)動(dòng)起學(xué)員的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，明顯提高仿真培訓(xùn)效果，大大降低培訓(xùn)系統(tǒng)的硬件投資，為提高仿真與培訓(xùn)的技術(shù)水平，降低培訓(xùn)風(fēng)險(xiǎn)提供了一種新的思維方式。
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