基于虛擬現(xiàn)實的動車組虛擬檢修仿真研究

周韶澤，楊文慶，聶春戈，張海峰

（1.大連交通大學(xué)交通運輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028；2.中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062）

1 引言

為保證動車組長期高速、安全、舒適運行，必須經(jīng)常對動車組進行整備、檢查、保養(yǎng)和維修[1]。動車組檢修分為五個等級，一級和二級檢修為運用檢修，主要涉及檢視檢修。三級、四級、五級檢修為定期檢修，主要涉及拆裝檢修。高速動車組是大型復(fù)雜產(chǎn)品，其檢修工作量大、涉及人員眾多，采用物理樣機進行培訓(xùn)成本很高。因此，為滿足動車組“快速檢修、安全可靠、高效運營”的要求，引入虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于動車組的檢修設(shè)計和培訓(xùn)中非常迫切和必要。

虛擬現(xiàn)實（VirtualReality，簡稱VR）是利用計算機模擬產(chǎn)生一個三維的虛擬空間，通過視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，使用戶沒有限制地觀察三維空間內(nèi)的事物，達到身臨其境的效果[2]。該系統(tǒng)以仿真方式給用戶創(chuàng)造了一個實時反映實體變化與相互作用的界面，使用戶可直接參與并探索仿真對象在所處環(huán)境中的作用與變化[3]。通過與虛擬環(huán)境發(fā)生交互作用，從而得到與置身于實際環(huán)境中所獲得的相同或相似的感受[4]。虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有多媒體信息的感知性、沉浸性、交互性和自主性等特點[5]。

通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)把產(chǎn)品以三維動態(tài)的方式展示出來，克服了傳統(tǒng)二維圖紙難以表達檢修對象結(jié)構(gòu)的問題。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，使培訓(xùn)人員快速掌握檢修技能，以交互的方式了解產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，直觀理解產(chǎn)品的拆裝過程，既可以降低培訓(xùn)成本，也可以提高培訓(xùn)效率[6]。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計思想

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)為核心開發(fā)的動車組虛擬檢修系統(tǒng)，其開發(fā)流程，如圖1所示。系統(tǒng)整體框架，如圖2所示。

圖1 仿真系統(tǒng)開發(fā)流程Fig.1 The Development Processof the Simulation System

圖2 仿真系統(tǒng)的整體框架Fig.2 The Overall Framework of the Simulation System

首先，根據(jù)二維圖紙等資料了解動車組檢修車間相關(guān)資源的實際屬性，再利用CAD軟件建立動車組檢修對象的三維模型。然后，通過3DMax軟件讀取所建立模型并轉(zhuǎn)換格式后添加到場景圖形庫中。最后，在虛擬環(huán)境中加載模型并進行交互式檢修仿真，最終實現(xiàn)動車組虛擬檢修系統(tǒng)的仿真。

3 系統(tǒng)建立的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 場景樹建模技術(shù)

三維模型的建立是虛擬仿真系統(tǒng)的根基，其使用CAD軟件創(chuàng)建檢修對象模型以及用3DMax軟件對三維模型進行渲染優(yōu)化并轉(zhuǎn)換格式導(dǎo)入場景中。

場景模型結(jié)構(gòu)從CAD模型原始模型轉(zhuǎn)換而來，該模型和原CAD模型設(shè)計樹相似，用來表達虛擬環(huán)境各零件和裝配體的父子層次組織結(jié)構(gòu)。裝配樹結(jié)構(gòu)，如圖3所示。采用場景圖技術(shù)來表達裝配樹結(jié)構(gòu)，可保留原有CAD模型的裝配樹結(jié)構(gòu)。

圖3 裝配樹結(jié)構(gòu)Fig.3 Assembly Tree Structure

3.2 虛擬檢修視點模擬方法

3.2.1 視點平移控制

為模擬檢修人員（視點）的平移，需要改變視點在世界坐標系中的位置。設(shè)變換前的視點坐標為E（Ex，Ey，E）z，平移變換后的視點坐標為E（′），視點的移動速度為V。視點在世界坐標系中向前移動時的示意圖，如圖4所示。

則視點實現(xiàn)向前或向后移動時公式如（1）：

其中，當(dāng)t=1時，視點向前移動；當(dāng)t=-1時視點向后移動。

圖4 視點在世界坐標系下變化Fig.4 The Viewpoint Changes in the World Coordinate System

同理可知視點實現(xiàn)向左或向右移動時公式如（2）：

其中，當(dāng) m=-1，n=1 時，視點向左移動；當(dāng) m=1，n=-1 時，視點向右移動。

3.2.2 視點旋轉(zhuǎn)控制

在模擬檢修人員的頭部轉(zhuǎn)動時，通過矩陣操作實現(xiàn)視點的仰看、俯看、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)，即最常見的是視點繞視點坐標系的X軸、Z軸旋轉(zhuǎn)。

首先計算出視點繞軸旋轉(zhuǎn)的弧度值，因視點的旋轉(zhuǎn)通過鼠標操作來實現(xiàn)，即鼠標在屏幕上移動一段距離（從A移動到B），可實現(xiàn)視點的旋轉(zhuǎn)。

已知鼠標初始屏幕坐標為A（x1，y1），當(dāng)在屏幕上移動一段距離后，記錄當(dāng)前鼠標屏幕坐標為B（x2，y2）。設(shè)角度轉(zhuǎn)化為弧度的公式如式（3）：

若視點仰看和俯看場景，即仰、俯角度（即抬頭、低頭，繞X軸旋轉(zhuǎn)）：式中：θ—每單位長度下繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的角度，初始角度為90°（弧度R=1.57），表示在視點坐標系下垂直平面向里看，結(jié)合式（3）得出繞X軸旋轉(zhuǎn)的弧度求解公式如式（4）：

若視點向左轉(zhuǎn)動和向右轉(zhuǎn)動，即視點繞Z軸旋轉(zhuǎn)。視點初始角度為0°（弧度R=0），結(jié)合式（3）得出繞Z軸旋轉(zhuǎn)的弧度求解公式如式（5）：

將計算出的弧度值代入到旋轉(zhuǎn)矩陣中，得到新的旋轉(zhuǎn)矩陣與其他變換矩陣結(jié)合實現(xiàn)對視點姿態(tài)的控制。

3.2.3 視點復(fù)合變換控制

檢修人員的平移（移動）和頭部轉(zhuǎn)動（旋轉(zhuǎn)）動作是通過矩陣變換實現(xiàn)的，矩陣操作是由一個（4×4）的矩陣來表示。

在虛擬環(huán)境中，為了減少計算量，加快場景繪制，事先將多種變換矩陣合并，形成如式（6）的變換矩陣，然后對模型所有頂點和矩陣相乘進行一次性矩陣變換，實現(xiàn)視點位姿的更新。設(shè)T為平移矩陣，R為旋轉(zhuǎn)矩陣。

對視點的控制通常是先平移后旋轉(zhuǎn)，即視點E經(jīng)過矩陣變換后，新的視點E′數(shù)學(xué)運算公式如下：

E′=ERT

計算中使用行主序矩陣實現(xiàn)變換操作，在矩陣變換中采用左乘矩陣操作。將兩個矩陣合并成單個矩陣，記作變換矩陣M，如式（6）：

其中，M的上邊（3×3）部分是旋轉(zhuǎn)部分，最下一行是平移部分。逆向利用這些信息，能將任意（4×4）矩陣分解為旋轉(zhuǎn)變換部分和平移部分。變換矩陣M為視點在世界坐標系中的位置姿態(tài)矩陣。視點位置姿態(tài)矩陣等于視點觀察矩陣（視圖矩陣）的逆矩陣。而視圖矩陣是改變場景內(nèi)攝像機位置姿態(tài)的關(guān)鍵矩陣，當(dāng)需要變動視點位姿，更新該矩陣即可。

3.3 改進的漫游碰撞檢測技術(shù)

碰撞檢測是虛擬檢修系統(tǒng)中重要組成部分，其作用是檢測用戶在仿真交互時是否與場景中的物體發(fā)生碰撞，從而避免“穿越物體”的現(xiàn)象。

傳統(tǒng)碰撞檢測算法[7]中采用了“線/體”相交測試的方法。在虛擬場景中通過連接移動前后的兩個點，而后判斷與場景的模型是否有交點來判定這個移動能否執(zhí)行。該方法比較簡單，但存在檢測精度不準確的問題，而且無法滿足在復(fù)雜環(huán)境中仿真漫游的要求。

本系統(tǒng)采用基于“線/體”相交測試方法改進的碰撞檢測算法。該碰撞檢測方法通過與場景物體進行相交檢測，不僅實現(xiàn)視點在平面上的移動，還能實現(xiàn)視點的上下臺階。相對于傳統(tǒng)碰撞檢測其檢測結(jié)果能做到足夠高的精確度和穩(wěn)定性。

說明該碰撞檢測算法具體實現(xiàn)思想。碰撞檢測算法上臺階示意圖，如圖5所示。

圖5 碰撞檢測算法上臺階示意圖Fig.5 Upper Step Sketch of Collision Detection Algorithm

算法目的是將初始位置在點1的視點在沒有物體D阻擋的情況下，順利移動到點4的位置，即是視點從臺階A移動到臺階B。依照如下步驟執(zhí)行：

步驟一：首先計算出點2的坐標，過點2作垂線段5，計算該垂線段與場景的交點，然后依照下述條件判斷視點是否發(fā)生移動：

（1）沒有交點或交點與點2距離較大，無法移動。

（2）需要注意垂線段5的坐標取值一定要滿足場景中物體的幾何屬性，否則無法實現(xiàn)所需的仿真效果。

步驟二：若計算出垂線段5與場景存在合適的交點3，則在豎直方向上賦給交點3增量h得到點4，過點4作一條與接連點1和點2的直線平行的直線6；

步驟三：若直線6與場景中物體D不存在交點，證明視點可以從點1移動到點4，即是到達左上角的臺階B上，否則不移動。

同理視點在下臺階時也滿足該算法的執(zhí)行步驟。則該算法在程序中的實現(xiàn)流程，如圖6所示。

圖6 碰撞檢測算法實現(xiàn)流程Fig.6 Collision Detection Algorithm Implementation Process

結(jié)合前文中的視點平移控制方法，以及改進的碰撞檢測算法的思想，當(dāng)視點上臺階時，可得到計算公式如（7）：

式中：Δδ—上臺階時坐Z標的增量，其大小要大于一階臺階高度，小于二階高度。

3.4 關(guān)鍵幀插值拆裝過程仿真

虛擬環(huán)境下對檢修對象的拆裝仿真原理與視點模擬方法類似，檢修對象的拆裝是通過不斷更新零件的位姿矩陣來實現(xiàn)的。而拆裝過程中零件的位姿是由拆裝開始和結(jié)束關(guān)鍵幀實時插值實現(xiàn)。關(guān)鍵幀存儲于拆裝預(yù)定義文件中。

檢修對象進行平移時，零件的位姿由關(guān)鍵幀的起始和終點位置進行線性插值得到。新位置插值坐標P′有：

檢修對象進行旋轉(zhuǎn)時，檢修對象兩個關(guān)鍵幀中的旋轉(zhuǎn)角度可通過Slerp算法插值得到，設(shè)置給零件的視圖矩陣。

4 系統(tǒng)仿真實現(xiàn)及應(yīng)用

動車組虛擬檢修仿真系統(tǒng)采用VC++工具基于Open Scene Graph（OSG）開源圖形庫開發(fā)。利用繪圖軟件對檢修零件進行建模。在建模過程中需注意零件之間的父子關(guān)系，以保留各組成的裝配關(guān)系。創(chuàng)建完所有模型后，將三維模型導(dǎo)入虛擬場景中。虛擬場景中檢視檢修的仿真交互界面，如圖7所示。

圖7 虛擬檢修交互界面Fig.7 Virtual Maintenance Interactive Interface

依據(jù)以上所提出方法構(gòu)建虛擬環(huán)境，以第一人稱視角模擬下地溝、上橋以及通過障礙等仿真功能。如模擬一、二級修檢修流程檢視制動裝置，在地溝內(nèi)目測閘片以及制動盤等部件的表面情況，如圖8所示。

圖8 檢視制動裝置表面情況Fig.8 Inspect the Surface Condition of the Brake

此外，用戶利用系統(tǒng)拖拽器功能可在虛擬環(huán)境中選取、拖拽移動零件，了解零件的結(jié)構(gòu)和相互關(guān)系。結(jié)合關(guān)鍵幀插值算法學(xué)習(xí)模擬產(chǎn)品的拆裝仿真流程。

目前，系統(tǒng)初步應(yīng)用于長春軌道客車股份有限公司的動車組檢修培訓(xùn)中，該仿真系統(tǒng)應(yīng)用的實際培訓(xùn)效果如下：

（1）效率高。采用虛實結(jié)合手段培訓(xùn)，使受訓(xùn)人員能更快速掌握檢修技能，提高了培訓(xùn)效率。

（2）成本低。系統(tǒng)滿足多人培訓(xùn)要求，避免了使用真實樣機培訓(xùn)占用生產(chǎn)、檢修的作業(yè)時間問題，節(jié)約了企業(yè)成本。

（3）安全可靠。虛擬場景檢修真實模擬檢修過程，培訓(xùn)過程安全，能大大降低采用真實樣機發(fā)生危險事故的可能性。

5 結(jié)論

基于提出的虛擬檢修視點模擬方法，改進的漫游碰撞檢測算法模擬動車組檢視檢修，采用了關(guān)鍵幀插值方法模擬檢修拆裝過程，開發(fā)和實現(xiàn)了基于虛擬現(xiàn)實的動車組虛擬檢修系統(tǒng)。系統(tǒng)的仿真結(jié)果表明：

（1）采用虛擬檢修視點模擬方法實現(xiàn)了在虛擬場景中對動車組檢修對象的檢視仿真，如一、二級的目測檢修；

（2）改進的碰撞檢測算法避免了傳統(tǒng)方法在復(fù)雜虛擬檢修環(huán)境檢測精度不高的問題，既能執(zhí)行視點的碰撞檢測，又能滿足在虛擬檢修環(huán)境中上梯、下溝等檢修動作，使虛擬仿真效果更加真實；

（3）關(guān)鍵幀插值方法能模擬檢修過程中零件拆裝的步驟，使用戶直觀理解產(chǎn)品的拆裝過程。

用戶通過該系統(tǒng)能更深入、更細致地了解動車組產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和檢修流程，取得了良好的培訓(xùn)效果，為大量人員進行動車組檢修技術(shù)培訓(xùn)提供有效工具。