虛擬環(huán)境下電力安全作業(yè)動作模擬

趙 旭，陳永青，劉昊橙，李 蕊，陳開維，楊 勇，樊 蓉

(云南電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，云南 昆明 650000)

隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大，設備復雜程度的不斷提高，運行人員違章作業(yè)的電力安全事故發(fā)生率也直線上升，而培訓力度不夠是主要原因，加大培訓力度已經(jīng)刻不容緩。虛擬培訓系統(tǒng)與傳統(tǒng)實地培訓相比，具有占地空間小、成本低和輕便等優(yōu)點，但缺點是操作工具只有手柄，真實性不夠[1-3]。隨著虛擬現(xiàn)實技術的快速發(fā)展和相關配件的重大更新，虛擬培訓系統(tǒng)的開發(fā)已經(jīng)可以實現(xiàn)更多的功能[4-6]，比傳統(tǒng)的培訓方式甚至是舊的虛擬培訓方式，帶有動作捕獲以及紅外定位技術的虛擬培訓系統(tǒng)更加貼近現(xiàn)實，作業(yè)人員在虛擬培訓系統(tǒng)中的沉浸感和體驗也會更加好，進而提高了作業(yè)人員的學習效率。

1 模擬系統(tǒng)框架

虛擬環(huán)境的動作模擬主要分為手部動作模擬以及全身動作模擬兩部分，一般電力作業(yè)的細節(jié)部分都是由手部或者工具動作完成，這就要求手部的動作足夠精準，而身體的部分主要是用于現(xiàn)實與虛擬之間位置和動作變化的模擬。

2 手部動作模擬

手部動作模擬使用了諾亦騰的NOITOM HI5手套，每只手套中都配備了7顆9軸高性能慣性傳感器，數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t低于5 ms ，精準捕捉全手動作，在 VR 中實現(xiàn)實時自然的交互體驗。手套更新了傳感器尺寸和重量，減輕了重量，無感佩戴的體驗更增加了在 VR 中的沉浸感。在程序中為它添加了多個手部動作，在做出對應手勢時，就能觸發(fā)對應的功能。

(1)握拳狀態(tài)，手部四指并攏時，程序中觸發(fā)抓取動作。當手中有可抓取物體時，可以抓住物體，例如抓取扳手、螺絲刀、搖把和門把手等物體，進行相應的操作，如圖1所示。

圖1 握拳狀態(tài)

(2)平展狀態(tài)，對應握拳狀態(tài)。程序中觸發(fā)取消動作，比如先在握拳狀態(tài)拿住了扳手，通過手部張開，扳手掉落，如圖2所示。

圖2 平展狀態(tài)

(3)點擊狀態(tài)，握拳狀態(tài)只伸出食指時，切換為點擊狀態(tài)。點擊狀態(tài)主要用于觸發(fā)小機關，如開關、接地鎖孔、門把手連鎖等，如圖3所示。

圖3 點擊狀態(tài)

(4)推動狀態(tài)，伸直手部即推動狀態(tài)。推動狀態(tài)主要用于對大質量物體的操作，如推動箱子、推動手車等，如圖4所示。

圖4 推動狀態(tài)

(5)自定義，為了適應多樣性的需求，在程序中留出了自定義接口。自定義主要用來編輯存儲手部動作狀態(tài)，比如可以存儲“OK”姿勢用于確認工作完成，如圖5所示。

圖5 自定義狀態(tài)

3 全身動作模擬

全身的動作模擬使用動作捕捉技術，目前最主流的動作捕捉技術方向主要在光學動作捕捉、慣性動作捕捉這兩個方面。

(1)慣性動作捕捉是基于慣性傳感器(Inertial Measurement Unit,簡稱IMU)的動作捕捉，實際上就是將芯片集成封裝為小的模塊綁定在身體的各個環(huán)節(jié)，通過芯片記錄人體環(huán)節(jié)的空間運動，后期通過計算機進行算法分析從而轉化為人體的運動數(shù)據(jù)。

(2)光學(紅外)動捕是基于紅外光反射來進行捕捉的技術。這種技術的基本原理就是在一定的空間內使用若干紅外攝像機，對該空間進行覆蓋拍攝，而被定位的物體上則使用反光材料制作的小球標記重要節(jié)點，也就是動作捕捉服。

慣性動作捕捉與光學動作捕捉相比，精度差，人物動作模擬的效果不好，因此選擇了紅外動作捕捉。

3.1 動作捕捉組成

運動捕捉的實質就是要測量、跟蹤、記錄物體在三維空間中的運動軌跡。典型的運動捕捉設備一般由以下幾個部分組成。

(1)傳感器。傳感器是固定在運動物體特定部位的跟蹤裝置，它將向動作捕捉系統(tǒng)提供運動物體的位置信息，一般會隨著捕捉的細致程度確定跟蹤器的數(shù)目。

(2)信號捕捉設備。這種設備會因動作捕捉系統(tǒng)的類型不同而有所區(qū)別，它們負責位置信號的捕捉。對于機械系統(tǒng)來說是一塊捕捉電信號的線路板，對于光學動作捕捉系統(tǒng)則是高分辨率紅外攝像機。

(3)數(shù)據(jù)傳輸設備。動作捕捉系統(tǒng)，特別是需要實時效果的動作捕捉系統(tǒng)需要將大量的運動數(shù)據(jù)從信號捕捉設備快速準確地傳輸?shù)接嬎銠C系統(tǒng)進行處理，而數(shù)據(jù)傳輸設備就是用來完成此項工作的。

(4)數(shù)據(jù)處理設備。經(jīng)過動作捕捉系統(tǒng)捕捉到的數(shù)據(jù)需要修正、處理后還要與三維模型相結合才能完成計算機動畫制作，這就需要應用數(shù)據(jù)處理軟件或硬件來完成此項工作。軟件或硬件都是借助計算機對數(shù)據(jù)高速的運算能力來完成數(shù)據(jù)的處理，使三維模型真正、自然地運動起來。

3.2 紅外信號傳感

一般來說，依次動作捕捉的流程分為四個步驟：待測目標變化；光學接收器接受信號；信號處理；設備顯示。

動作捕捉的難點在于傳感器接受信號和信號處理。接受信號可以通過紅外線反射原理，當人體的手或身體的某一部分在紅外線區(qū)域內，紅外線發(fā)射管發(fā)出的紅外線由于人體手或身體摭擋反射到紅外線接收管，通過集成線路內的微電腦處理后的信號發(fā)送給脈沖電磁閥，電磁閥接受信號后按指定的指令打開閥芯來控制頭出水；當人體的手或身體離開紅外線感應范圍，電磁閥沒有接受信號，電磁閥閥芯則通過內部的彈簧進行復位來控制關水。

信號處理則是每一個廠家的細節(jié)處理不同，但必要的步驟就是將探測的信號進行放大、濾波，并從這些信號中提取出信息。然后將此類信息轉化成為所需要的格式，最后輸送到控制設備或者顯示器中。

3.3 動作模擬

人的動作捕捉到了以后，需要將數(shù)據(jù)信號反應到虛擬環(huán)境中，那么需要在虛擬場景中有一個可以反映人物動作的模型，為了保證虛擬人物動作的真實性，需要在模型制作軟件中綁定骨骼，如圖6所示。

圖6 骨骼分布

有了骨骼以后，虛擬中的人物動作就不會大幅度變形。該模型與其他模塊相比，在模型高度方面也有其特點。由于每一個人的身高會不同，在虛擬環(huán)境中就需要不同高度的模型，而單純的拉伸會讓模型變形，因此需要做很多替代模型，工作量十分龐大。當然有另一種方法，就是使用類人性的模型，可以隨意拉伸，沒有變形的感官，但缺點是不美觀。鑒于電力行業(yè)的專業(yè)性，放棄了美觀和娛樂性，而選擇了實用性和易操作性。

4 試驗結果與分析

為了保證動作模擬系統(tǒng)在實際培訓過程中的穩(wěn)定性及其延展性，對動作模擬設備及軟件進行試驗。試驗環(huán)境：在實驗室環(huán)境下高強度連續(xù)工作。

手部模擬主要試驗內容包括手部動作靈敏度、完成度和強度測試等，全身動作模擬主要試驗內容包括動作準確性、動作反應時間和持續(xù)性測試。

模型的制作偏向試驗風格，為了保證動作的準確性，基于3DMax與Maya軟件，建立了簡易的人物以及手部模型，如圖7所示經(jīng)過建模與程序編寫，實現(xiàn)了手部動作模擬以及全身動作模擬，手部的動作包括且不限于抓、放、點、推等，可以實現(xiàn)自定義手勢以及各種邏輯。手部測試動作結果如表1所示。

表1 手部測試動作

圖7 人物與手部模型

5 結語

根據(jù)電力安全作業(yè)培訓的需求，本文設計了一種基于紅外定位與運動捕獲技術相結合的電力安全仿真培訓系統(tǒng)。整個動作模擬系統(tǒng)采用紅外定位技術實現(xiàn)對作業(yè)人員在虛擬空間中位置的定位，利用陀螺儀制成的運動捕獲和電子手套對人員的動作進行模擬。試驗結果表明，所提出的紅外定位與運動捕獲技術相結合技術可以模擬作業(yè)人員真實動作，使作業(yè)人員在虛擬環(huán)境中體驗各種作業(yè)動作，提高了整個虛擬培訓系統(tǒng)的體驗和沉浸感。