帶電作業(yè)絕緣斗臂車虛擬仿真系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)

張秋實，劉曉偉，葉 征，劉春翔，陳先勇

（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430074）

帶電作業(yè)絕緣斗臂車虛擬仿真系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)

張秋實，劉曉偉，葉 征，劉春翔，陳先勇

（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430074）

將帶電作業(yè)中的絕緣斗臂車操作訓(xùn)練與虛擬現(xiàn)實技術(shù)相結(jié)合，以Quest3D4.0和VC++6.0等軟件為開發(fā)平臺，在完成整體設(shè)計的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了絕緣斗臂車虛擬仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)通過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)境中真實體驗在現(xiàn)實世界中的工況，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。

虛擬仿真；場景建模；運動控制；絕緣斗臂車

電力系統(tǒng)運行是電力安全生產(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，還要在此基礎(chǔ)上鍛煉實際應(yīng)用和操作水平，因此做好電力系統(tǒng)仿真培訓(xùn)工作具有很大的實際意義。傳統(tǒng)基于實體的培訓(xùn)系統(tǒng)，由于需要專用設(shè)備實現(xiàn)，設(shè)備不僅相對復(fù)雜，需要相對較大的空間，而且價格昂貴，學(xué)習(xí)人員需要花費大量的時間和精力到專門的培訓(xùn)機構(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、聽覺和觸覺反饋，直接感知操作對象的結(jié)構(gòu)和工作原理，構(gòu)想操作動作要領(lǐng)，體驗在現(xiàn)實作業(yè)中可能發(fā)生的狀況，能有效地保證培訓(xùn)效果。同時使受訓(xùn)者的訓(xùn)練不受時間、氣候、場地的限制，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)、主控計算機、視景仿真系統(tǒng)和運動模擬系統(tǒng)等構(gòu)成。

模擬斗是支撐操縱裝置、作業(yè)人員的載體，是實現(xiàn)絕緣斗臂車模擬操作最基本的機械本體。受訓(xùn)者在模擬斗操作系統(tǒng)中通過數(shù)字桿、按鈕等控制虛擬環(huán)境中絕緣斗臂車的運行情況，將動作傳遞給主控計算機。視景仿真系統(tǒng)通過動力學(xué)模型的計算，處理各種操作信息后進(jìn)行視景仿真，通過大屏幕顯示器和音響系統(tǒng)實時反映出來。同時，視景系統(tǒng)將仿真數(shù)據(jù)送給運動控制系統(tǒng)，經(jīng)過伺服控制器來控制模擬運動平臺的位姿（位置與姿態(tài)）。伺服控制器實時采集運動平臺的數(shù)據(jù)，反饋給主控計算機，主控計算機通過閉環(huán)控制對運動控制系統(tǒng)進(jìn)行更精確地控制，使模擬運動平臺產(chǎn)生逼真的絕緣斗臂車模擬運動效果。這樣，作業(yè)人員就得到視覺、聽覺和觸覺等多方面體驗，如同在操作真實的絕緣斗臂車。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)場景的顯示、音響系統(tǒng)的實時響應(yīng)、絕緣斗臂車運動效果的模擬、運動模擬平臺位姿數(shù)據(jù)的實時獲得等，都需要虛擬作業(yè)視景系統(tǒng)產(chǎn)生實時的計算機仿真圖形作為基礎(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，建立了一個絕緣斗臂車的視景仿真系統(tǒng)。

2.1 動力學(xué)仿真模型及應(yīng)用

開發(fā)絕緣斗臂車視景仿真系統(tǒng)，必須建立斗臂車動力學(xué)模型，以確定當(dāng)前操作時絕緣斗臂車的運動速度和方向坐標(biāo)位置，供圖形實時生成系統(tǒng)實時動態(tài)地生成虛擬視景，提高視景仿真的沉浸感。因此，建立一個合適有效的動力學(xué)模型是實現(xiàn)整個仿真操作系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。動力學(xué)模型越準(zhǔn)確，其復(fù)雜程度也越高，并且復(fù)雜程度呈幾何級數(shù)增加，所需的計算空間和計算所占用的空間代價也呈幾何級數(shù)增加。圖形實時生成系統(tǒng)將占據(jù)大部分CPU時間，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化運算過程。本文中，絕緣斗臂車模擬器動力學(xué)模型主要有數(shù)字桿轉(zhuǎn)向角與運動方向模型和剎車制動與行駛速度模型。

2.2 虛擬場景的生成

在絕緣斗臂車仿真培訓(xùn)中，視覺是最重要的提示信息，受訓(xùn)者的動作大部分依賴于視覺，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感的重要保證。為了滿足圖像處理的實時和逼真，以及視覺的真實感，需要配置高性能的圖形渲染計算機，系統(tǒng)采用計算機圖像技術(shù)，生成三維虛擬場景，再現(xiàn)配電作業(yè)的真實環(huán)境，給作業(yè)人員以最直接的視覺提示，增強作業(yè)的逼真度。當(dāng)作業(yè)人員沉浸在虛擬的場景中時，根據(jù)場景的變化可以進(jìn)行相應(yīng)的操作。利用3ds Max、photoshop和zbrush構(gòu)建模型場景，3Dmax主要解決3D模型的設(shè)計制作，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)開發(fā)。模型建立流程如圖3所示，根據(jù)該流程創(chuàng)建的場景模型如圖4所示。

2.3 碰撞檢測的實現(xiàn)

絕緣斗臂車虛擬仿真作為一個虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，斗臂車模擬運動過程中與環(huán)境物體的碰撞檢測是實現(xiàn)系統(tǒng)沉浸性的重要問題。從數(shù)學(xué)上說，碰撞檢測表現(xiàn)為兩個多面體的求交問題，求解并不成問題。在虛擬現(xiàn)實中，對碰撞檢測算法提出了實時性的要求，必須對碰撞檢測模型進(jìn)行優(yōu)化和簡化。文中使用OpenGVS所提供的幾何工具（geometry facility）能很好地實現(xiàn)了斗臂車虛擬運動中景物跟隨和場景內(nèi)與其他物體的碰撞檢測。

2.4 音響仿真系統(tǒng)

根據(jù)絕緣斗臂車運動狀態(tài)和作業(yè)人員的不同動作，音響仿真系統(tǒng)實現(xiàn)場景管理平臺中的聲音和音效處理。在訓(xùn)練過程中，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組件來實現(xiàn)絕緣斗臂車運動中的各種聲音特效。

3 運動模擬系統(tǒng)的實現(xiàn)

運動控制系統(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)中傳來的汽車的姿態(tài)信號，然后通過一定的計算將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量控制運動模擬平臺的運動，實現(xiàn)模擬斗的姿態(tài)控制。

3.1 運動控制系統(tǒng)原理

控制系統(tǒng)通過控制六自由度平臺的位姿，使受訓(xùn)者者獲得啟動、加速、剎車、轉(zhuǎn)向等各種真實的觸覺感受。六自由度運動平臺通過空間定位和姿態(tài)定位（三個自由度用來表示物體在空間的位置變化，三個自由度分別表示仰俯、測滾、偏移），能夠模仿運動載體特征，六自由度及坐標(biāo)系定義如圖5所示。搖動裝置由6個閥控液壓缸驅(qū)動，6個伺服缸并聯(lián)設(shè)置，共同驅(qū)動上平臺。各伺服液壓缸需要協(xié)調(diào)一致動作，才能使模擬斗穩(wěn)定運行，不發(fā)生損壞現(xiàn)象。

運動控制系統(tǒng)組成如圖6所示，分為控制計算機、電液伺服控制單元、執(zhí)行機構(gòu)單元、液壓系統(tǒng)、反饋單元五部分。其工作原理是：給控制計算機輸入一個位姿數(shù)據(jù)，計算機將此信號傳送給電液伺服控制單元，電液伺服控制單元將信號進(jìn)行電壓到電流的轉(zhuǎn)換以驅(qū)動液壓系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)通過電液伺服閥控制執(zhí)行機構(gòu)即六自由度平臺運動，在運動過程中，反饋單元進(jìn)行位移信號的采集，將執(zhí)行機構(gòu)的位置信息反饋給計算機，以構(gòu)成位置閉環(huán)。當(dāng)運動到達(dá)給定位置時，計算機根據(jù)判別，控制其速度為零，實現(xiàn)點位控制，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)練開始，系統(tǒng)進(jìn)行初始化；調(diào)用模擬斗平臺最低位至平衡位的運動曲線數(shù)據(jù)，使其運行至平衡位；選擇六自由度運動模式及參數(shù)，調(diào)用相應(yīng)運動曲線開始運動；軟件界面采集各編碼器脈沖，畫出6個伺服液壓缸實際運行曲線圖。在運動過程中，控制軟件通過模擬量及數(shù)字量輸入口時刻檢測力傳感器及限位開關(guān)的狀態(tài)，一旦滿足停機條件，將立即停止6個伺服電動缸的運動并返回至平衡狀態(tài)。訓(xùn)練結(jié)束后，平臺返回最低位置，此時可以切斷電源。

運動控制系統(tǒng)提供DOS下C語言函數(shù)庫和Windows下的動態(tài)鏈接庫，通過調(diào)用函數(shù)庫中的指令可以實現(xiàn)運動控制器的各種功能。系統(tǒng)采用VC++6.0為編程環(huán)境，在Windows系統(tǒng)下安裝驅(qū)動程序后，調(diào)用函數(shù)庫中的函數(shù)編寫可視化用戶界面來控制平臺的各種運動。圖8為模擬絕緣斗臂車運動的畫面。

系統(tǒng)集傳感器技術(shù)、運動控制技術(shù)、三維實時動畫技術(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MySQL4.1等軟件為開發(fā)平臺，在建立運動模擬平臺、顯示系統(tǒng)、工作站等硬件設(shè)施的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了：（1）真實地模擬斗臂車啟動、停止、加速、減速和轉(zhuǎn)向等各種運動情況；（2）能提供帶電作業(yè)時所需的各種視景；（3）能觀察和記錄斗臂車運行時的各項性能參數(shù)；（4）能記錄作業(yè)人員的操作技術(shù)，便于及時改進(jìn)及修正。系統(tǒng)充分利用文本、圖形、三維影像、三維動畫和聲音等多種媒體表現(xiàn)形式，通過刺激學(xué)員的視覺、聽覺神經(jīng)，調(diào)動起學(xué)員的學(xué)習(xí)積極性和主動性，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)險提供了一種新的思維方式。

[1]李洋，孫永維，胥義豐，等.臺式飛行仿真模擬器的設(shè)計與 實 現(xiàn)[J].吉 林 大 學(xué) 學(xué) 報 ，2009（5）：550-556.

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Design and development of live working insulating aerial device virtual simulation system

Zhang Qiushi，Liu Xiaowei，Ye Zheng，Liu Chunxiang，Chen Xianyong

（Wuhan Nari Limited Liability Company of State Grid Electric Power Research Institute，Wuhan 430074，China）

The paper creates a virtual simulation system，which combines insulating aerial device training with virtual reality technology，takes Quest3D4.0、VC++6.0 etc as the development platform.Through building visual simulation system and motion control system，trainees can have a strong immersion experience in the virtual operating environment，which guarantees training quality effectively and provides a new way for live working training in electric power system.

virtual simulation；scene modeling；motion control；insulating aerial device

TP391.9

B

1674-7720（2011）03-0089-03

2010-09-07）

張秋實，女，1985年生，碩士，主要研究方向：工廠自動化，工業(yè)控制系統(tǒng)，輸電線路運行與維護(hù)。