挖掘機(jī)虛擬仿真訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)的分析與構(gòu)建

畢瀚文 張引瓊

摘要：工程機(jī)械的高學(xué)習(xí)成本及高危作業(yè)方式，該項(xiàng)目將虛擬仿真作為教學(xué)項(xiàng)目的研究對(duì)象。本文闡述了基礎(chǔ)模型構(gòu)建和仿真系統(tǒng)的構(gòu)建方式，為相關(guān)仿真實(shí)驗(yàn)制作提供方向。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真;工程機(jī)械;教學(xué)實(shí)踐;虛擬實(shí)驗(yàn);三維建模

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）31-0267-02

挖掘機(jī)虛擬駕駛視覺仿真器為安全教育和駕駛訓(xùn)練提供一個(gè)良好的平臺(tái)。在成本上和風(fēng)險(xiǎn)承擔(dān)上大大減輕了駕駛訓(xùn)練者和教育機(jī)構(gòu)的負(fù)擔(dān)。采用虛擬仿真實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)的虛擬駕駛，具有安全、環(huán)保和不受時(shí)間、天氣等限制的特點(diǎn)。同時(shí)需要借助相關(guān)的圖形學(xué)、動(dòng)力學(xué)仿真、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)分別應(yīng)用于駕駛仿真器的部分，并清晰地展露了較大空間的使用前景。

1虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境的構(gòu)建

1.1仿真環(huán)境的三維建模

挖掘機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中涉及大量的三維模型，由于模型構(gòu)建在系統(tǒng)中的資源占用程度較高，為了減輕開發(fā)過程工作量，借助3DsMax或其他三維建模軟件，完成構(gòu)建和優(yōu)化。

仿真實(shí)驗(yàn)講究真實(shí)性，由于和跟現(xiàn)實(shí)生活相關(guān)的特性，所以制作的模型不能有違常理，在制作的過程中需要充分把握物體的客觀表現(xiàn)，真實(shí)的還原。因此，在開始制作模型之前，采集現(xiàn)實(shí)物體的圖片作為參考圖，做足夠的調(diào)研或考察，對(duì)于細(xì)節(jié)的刻畫拍攝越精細(xì)越好，以便后期制作的呈現(xiàn)更準(zhǔn)確。嘲實(shí)地考察挖掘機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，根據(jù)其外形特點(diǎn)對(duì)挖掘機(jī)進(jìn)行大體塊劃分，如分為：動(dòng)臂、斗桿、鏟斗、轉(zhuǎn)臺(tái)、駕駛室、履帶、驅(qū)動(dòng)輪等。通過3DMax建模軟件進(jìn)行簡單的Box堆疊，不需要對(duì)各種細(xì)節(jié)進(jìn)行刻畫，有助于把握整體結(jié)構(gòu)特征。

如表1示，通過3D手繪建模與次世代建模的對(duì)比可以看出，次世代的建模流程相對(duì)傳統(tǒng)3D手繪過程步驟復(fù)雜。傳統(tǒng)3D手繪為了節(jié)省系統(tǒng)資源，只制作低模，以達(dá)到用最少的面表現(xiàn)較好的效果。為了逼真的還原效果，采用次世代建模方式，模型的初始制作需先建立高模，后進(jìn)行細(xì)分高模，制作低模，從而可以讓程序占用資源少但效果相差無幾。“最重要的步驟是利用高模烘焙的法線貼圖回貼到低模上，這一方法流程能有效減少因?yàn)楦吣Ｈ敲孢^多資源占用過載的問題，同時(shí)使得在開發(fā)引擎中的低模顯示效果和高模一致，滿足實(shí)現(xiàn)效果。

1.2三維模型重構(gòu)

由于在3DMAX中創(chuàng)建的3D模型導(dǎo)入U(xiǎn)ni-ty3D會(huì)產(chǎn)生坐標(biāo)錯(cuò)位、材質(zhì)和模型無法獨(dú)立、比例出錯(cuò)的問題，故需針對(duì)這三方面的問題進(jìn)行模型重構(gòu)，常見重構(gòu)方法如下：

1）工程機(jī)械三維模型x軸向偏轉(zhuǎn)重構(gòu)

Unity3D和3DMax采用的是分別是左、右手坐標(biāo)系，所以基于3DMax的模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D后，x軸會(huì)自動(dòng)偏轉(zhuǎn)270度。在項(xiàng)目制作過程中需要重復(fù)調(diào)整模型的角度，給工程實(shí)現(xiàn)帶來一定的困難，為了加快開發(fā)速率，在模型導(dǎo)出時(shí)選擇導(dǎo)出為.3Ds，模型的坐標(biāo)就會(huì)保持一致。

2）工程機(jī)械三維模型材質(zhì)和部件重構(gòu)

制作好的.FBX或.3Ds模型導(dǎo)入到Unity 3D過程中都會(huì)丟失材質(zhì)，但Unity 3D會(huì)自動(dòng)創(chuàng)建相應(yīng)材質(zhì)的材質(zhì)球，將材質(zhì)球賦給模型即可。在模型制作過程中盡量采用Box組合方式，便于可操作機(jī)械結(jié)構(gòu)在代碼編程的過程中拆解為組件，才可以正常的讓裝置移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)。

3）工程機(jī)械三維模型的縮放重構(gòu)

在默認(rèn)情況下，Unity3D中的一單位是FBX文件中的一單位的一百倍，所以需要適當(dāng)?shù)卦?DMax中調(diào)整三維模型的比例大小，同時(shí)要讓模型在場景中居中，使得導(dǎo)人物體的重心位置正確。

1.3次世代貼圖技術(shù)

傳統(tǒng)的貼圖技術(shù)采用二維圖片平鋪在三維模型上，對(duì)性能要求較低，完全可以滿足一般的應(yīng)用場景，但由于缺乏立體效果，模型效果不真實(shí)。所以采用高質(zhì)量的次世代中貼圖，貼圖中包含顏色、高度、光線與法線角度等一系列模型信息，貼圖類型一般包括了法線貼圖、漫反射貼圖、高光貼圖（Specular Map）、凹凸貼圖、自發(fā)光貼圖、環(huán)境閉塞貼圖，組合而成一整套貼圖。

由于貼圖的不同性質(zhì)，不是所有的模型都需要以上全部貼圖，在最基本、并節(jié)省資源的情況下至少需使用法線、漫反射、高光貼圖才能夠真正地表現(xiàn)出較高的視覺效果。在3DMax中制作完成的高?；蛘叩湍＝?jīng)烘焙后，輸出格式為FBX文件，利用ZBrush雕刻工具可進(jìn)行細(xì)節(jié)雕琢，制作漫反射貼圖，使模型的還原度更高。

1.4虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

利用Unity3D的地形工具在場景中建立不同地形場景。工程機(jī)械由的各個(gè)組成部分，能夠進(jìn)行操作的屬于工作裝置，每一部分需要在模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity后進(jìn)行組合，以便編寫程序?qū)Ω鱾€(gè)模型部分的引用。

挖掘機(jī)虛擬仿真框架構(gòu)建如圖1所示，在用戶進(jìn)入實(shí)驗(yàn)后，初始化數(shù)據(jù)，等待用戶進(jìn)行操作作為輸入數(shù)據(jù)，輸入數(shù)據(jù)經(jīng)過輸入核心進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，傳人Controller控制器，Controller控制器中包含了挖掘機(jī)的初始狀態(tài)、大小臂操作桿的位置、鏟斗操作桿的位置、上部轉(zhuǎn)機(jī)操作桿的初始位置、車輛所處位置等信息，調(diào)整對(duì)應(yīng)參數(shù)，數(shù)據(jù)分類后交由Model模型，Model模型中包含作業(yè)管理器、物理系統(tǒng)、音頻管理器、場景系統(tǒng)、uI管理器，由已經(jīng)封裝好的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，挖掘機(jī)會(huì)在View視圖中顯示大小臂的移動(dòng)、鏟斗的挖掘、車輛數(shù)據(jù)信息、進(jìn)行相應(yīng)的移動(dòng)、轉(zhuǎn)向等動(dòng)作，用戶得到反饋后可進(jìn)行下一操作。

2挖掘機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

挖掘機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以挖掘機(jī)的操作實(shí)踐操作為主，同時(shí)還可以兼顧傳統(tǒng)教學(xué)，充分發(fā)揮虛擬仿真平臺(tái)的優(yōu)勢。將系統(tǒng)分為五個(gè)部分，分別為仿真訓(xùn)練、文字資料、圖片資料、影視資料、理論考核。

同時(shí)，為了滿足不同訓(xùn)練的需求，仿真項(xiàng)目提供了20噸和6噸兩種不同型號(hào)的挖掘機(jī)供訓(xùn)練者選擇。進(jìn)入訓(xùn)練后，根據(jù)實(shí)際的操作內(nèi)容進(jìn)行場景選擇，分別為上下坡道、挖土用方、裝車作業(yè)、找平作業(yè)、挖溝作業(yè)、上下板車、破碎作業(yè)、掉管回填、刷坡作業(yè)共九個(gè)作業(yè)場景。文字資料、圖片資料以及影視資料作為輔助學(xué)習(xí)資料，理論考核中包含理論基礎(chǔ)和操作判斷內(nèi)容，檢測學(xué)習(xí)者知識(shí)掌握隋況。

2.1挖掘機(jī)輸入操作模塊

挖掘機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用了多平臺(tái)輸入方式，InputCore中對(duì)不同平臺(tái)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提供了單片機(jī)、操作桿、遠(yuǎn)程遙控三種APT可供使用，InputDataRaw中保存原數(shù)據(jù)，InputDataNornlal將獲取的原數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，根據(jù)不同類型的設(shè)備完成數(shù)據(jù)映射。

為了保證訓(xùn)練過程充分有效，每一個(gè)作業(yè)項(xiàng)目斗必須按照相應(yīng)的流程進(jìn)行操作，對(duì)挖掘機(jī)的位置、大臂張合角度、小臂張合角度、鏟斗張合角度、斗齒位置、行駛速度、轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)角度等、數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，在操作流程中，安全檢測模塊監(jiān)測各項(xiàng)數(shù)據(jù)，在訓(xùn)練過程中出現(xiàn)操作不當(dāng)、位置錯(cuò)誤后給出相關(guān)提示信息，以便訓(xùn)練者明白操作錯(cuò)誤原因，達(dá)到訓(xùn)練效果。

3結(jié)束語

采用虛擬仿真技術(shù)模擬挖掘機(jī)工程機(jī)械的實(shí)驗(yàn)教學(xué)操作，訓(xùn)練者可在單位時(shí)間內(nèi)有效的學(xué)習(xí)駕駛技術(shù)，對(duì)于工程車輛學(xué)習(xí)和職業(yè)教育有很大的幫助。然而，該系統(tǒng)的功能比較單一，還需要通過更深層次的開發(fā)，才能更好地發(fā)揮仿真實(shí)驗(yàn)的作用。