09-32型搗固車三維模擬駕駛培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計

程 華

(武漢客運(yùn)專線基礎(chǔ)設(shè)施維修基地，武漢 430000)

隨著我國鐵路事業(yè)的不斷發(fā)展，鐵路維護(hù)工作顯得越發(fā)重要，并且日益繁重。大型養(yǎng)路機(jī)械作為我國鐵路維護(hù)工作中的主要工具，起著不可替代的作用。09-32型搗固車是鐵路系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的養(yǎng)路機(jī)械，但09-32型搗固車結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作難度大、作業(yè)空閑時間少，影響了操作員的實際駕駛培訓(xùn)工作，給新操作員的培訓(xùn)工作帶來諸多不便。

模擬駕駛培訓(xùn)系統(tǒng)是集傳感器技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、三維實時動畫技術(shù)、計算機(jī)接口技術(shù)、人工智能技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)、多媒體技術(shù)于一體的綜合性高新技術(shù)系統(tǒng)[1]。它可以接收受培訓(xùn)者通過各種操作發(fā)出的指令，在感觀效果上做出接近于真實情況的反應(yīng)，使受培訓(xùn)者有身臨其境的感覺，從而加強(qiáng)培訓(xùn)效果，縮短培訓(xùn)時間，可以有效地解決大型養(yǎng)路機(jī)械操作員因缺乏實際操作培訓(xùn)而無法快速掌握操作技能的問題。

本文所述模擬駕駛培訓(xùn)系統(tǒng)，在計算機(jī)中以virtools軟件設(shè)計了一套虛擬現(xiàn)實程序，配合三維視景顯示方案，能夠?qū)崿F(xiàn)與實際搗固車操作動作一致的三維圖像顯示。系統(tǒng)包含與實際搗固車操作環(huán)境一致的操作臺、操作流程和各種指示。系統(tǒng)從操作流程到感官效果實現(xiàn)了虛擬與現(xiàn)實的逼近，可進(jìn)行09-32型搗固車收放車作業(yè)、搗固作業(yè)、抄平作業(yè)等基本操作的模擬駕駛培訓(xùn)。

1 模擬駕駛培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

模擬駕駛培訓(xùn)系統(tǒng)由操作臺接收操作動作，將操作動作進(jìn)行編碼并傳輸?shù)接嬎銠C(jī)中。計算機(jī)得到操作編碼后與標(biāo)準(zhǔn)的09-32型搗固車操作流程進(jìn)行對比，根據(jù)對比結(jié)果，按照實際情況顯示具體的動作畫面、發(fā)出與實際一致的聲音并控制操作臺上的各種器件進(jìn)行相應(yīng)的動作與指示。軟件部分使用virtools開發(fā)，圖形建模使用3Dmax，動作畫面使用偏振式三維顯示技術(shù)通過兩臺投影儀在投影幕布上進(jìn)行展示，操作者通過佩戴的三維眼鏡即可觀察到三維的動作畫面，結(jié)合聽覺與操作臺的各種反應(yīng)，使其有身臨其境的操作感覺。整套系統(tǒng)軟硬件結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。

圖1 系統(tǒng)實物

1.2 操作臺設(shè)計

操作臺由三個與搗固車控制箱實際尺寸一致的電氣柜構(gòu)成。電氣柜面板上安裝有與實際控制箱一致的各類元件，包含按鈕開關(guān)、旋轉(zhuǎn)開關(guān)、指示燈、數(shù)碼管、計數(shù)器、液壓表、電位計等。為了實現(xiàn)各種操作動作的檢測和反饋信號的輸出，針對各種元件設(shè)計了具體電路。由于動作元件數(shù)量眾多，設(shè)計了以ARM處理器為核心的主控制板，并對處理器I/O口數(shù)量進(jìn)行了擴(kuò)展，用于實現(xiàn)集中控制和與計算機(jī)進(jìn)行通信。

電氣元件供電電壓多為24 V，ARM主控制板為3.3 V電壓供電，為實現(xiàn)操作電平轉(zhuǎn)換，各種開關(guān)量輸入輸出器件通過光電耦合電路與主控制板連接，實現(xiàn)信號交互。電位器等元件輸出的模擬信號通過A/D轉(zhuǎn)換電路傳輸?shù)街骺刂瓢?。各種壓力表則改變其驅(qū)動方式，使用電信號驅(qū)動，用于模擬實際系統(tǒng)的液壓狀態(tài)。為節(jié)約主控制板上的I/O口資源，使用串并轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行數(shù)碼管驅(qū)動，顯示各種操作數(shù)據(jù)。

圖2 模擬駕駛培訓(xùn)系統(tǒng)構(gòu)成

主控制板與計算機(jī)通信使用RS485方式，保證了通信質(zhì)量。在接收到操作員的操作信號后，主控制板將信號編碼并傳輸?shù)接嬎銠C(jī)中，在接收到計算機(jī)的反饋指令后，主控制板控制相應(yīng)的元件進(jìn)行動作或顯示。操作臺電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 操作臺電路結(jié)構(gòu)

1.3 計算機(jī)軟件設(shè)計

計算機(jī)虛擬現(xiàn)實軟件是系統(tǒng)的核心，是實現(xiàn)模擬實際情況的根本。本系統(tǒng)以各種作業(yè)狀態(tài)下的搗固車為虛擬對象，應(yīng)用虛擬現(xiàn)實平臺virtools構(gòu)建主要程序框架，采用3Dmax對虛擬搗固車和周邊環(huán)境進(jìn)行模型建立，實現(xiàn)搗固車各種作業(yè)狀態(tài)的三維模擬，具有真實性、交互性、語言簡潔和易實現(xiàn)等特點(diǎn)。

1.3.1 模型的創(chuàng)建和導(dǎo)入

三維模型的構(gòu)建主要采用幾何建模技術(shù)。搗固車和周邊環(huán)境的輪廓和形狀采用了點(diǎn)、直線、多邊形、曲線或者曲面方程、圖像等方法表示。針對運(yùn)動場景中遠(yuǎn)景和近景將對象分為重點(diǎn)和非重點(diǎn)對象，對其分別進(jìn)行精細(xì)建模和粗略建模[2]。將搗固車的實際圖片附著在3Dmax建立的模型上，使模型效果更加逼真。以NMO格式保存模型文件，并將NMO文件導(dǎo)入到virtools軟件中。導(dǎo)入到virtools三維編輯區(qū)的三維或二維元素可以加以觀察、控制，也可以安裝SDK插件編輯更多的行為模塊(BBS)，從而實現(xiàn)虛擬單元在虛擬環(huán)境中的各種運(yùn)動功能。搗固車模型如圖4所示。

1.3.2 模型的控制

使用virtools對三維編輯區(qū)元素進(jìn)行控制，一種方法是直接調(diào)用行為模塊庫中內(nèi)置的BBS，另一種是使用VC++手工編寫B(tài)BS。前者簡單方便，后者更為靈活。本系統(tǒng)采用前一種方式，將模塊庫中內(nèi)置的BBS添加到具體的虛擬運(yùn)動單元上，然后在schematic的相應(yīng)的script中編輯各個參數(shù)，從而實現(xiàn)對虛擬單元的運(yùn)動控制，構(gòu)建一個逼真的虛擬運(yùn)動仿真平臺。

圖4 搗固車模型

整個平臺從功能上分為以下幾種模塊:①單個虛擬運(yùn)動單元在虛擬空間的旋轉(zhuǎn)、進(jìn)退、上下等動作(例如:搗固車搗鎬的下插與提起，搗固小車的走行，撥道表指針的轉(zhuǎn)動等);②虛擬運(yùn)動單元之間的協(xié)同運(yùn)動控制(例如:起撥道夾鉗的移動與撥道表指針的轉(zhuǎn)動相互協(xié)調(diào));③虛擬運(yùn)動單元之間的相互干涉控制(例如:判斷并體現(xiàn)搗固作業(yè)是否正確對準(zhǔn)枕木空隙)。圖5，圖6和圖7分別是各種功能模塊的設(shè)計。

1.4 三維顯示方案

為提供給操作者更加真實的視覺效果，視景顯示選擇偏振式三維顯示技術(shù)。人之所以能夠觀察到物體立體的圖像，是因為左眼和右眼是從不同角度對物體進(jìn)行觀察的，看到的兩幅不同的圖像疊加形成三維視覺效果。對于常規(guī)的平面顯示畫面，進(jìn)入左右眼視線的圖像是一樣的，因此只能構(gòu)成平面效果。為了讓人在平面顯示畫面中得到三維立體的視覺效果，進(jìn)入左右眼的應(yīng)當(dāng)是兩幅從不同角度觀察的圖像。

圖5 搗固小車走行腳本

圖6 協(xié)同運(yùn)動腳本

圖7 搗固作業(yè)成敗判斷腳本

偏振式三維顯示技術(shù)使用兩臺投影儀，分別投放出從兩個角度觀察的圖像。為了避免兩幅圖像相互干擾，兩臺投影儀加裝了偏振片，分別選擇透過垂直方向和水平方向的光線，經(jīng)過過濾后，投放出來的兩幅圖像的光線分別分布在垂直方向和水平方向上。觀看者佩戴特殊的偏振眼鏡，左右眼只能夠分別感受到垂直方向的光線和水平方向的光線，這樣，投影儀投放出來的兩幅圖像就分別進(jìn)入到觀看者的左右眼，這兩幅圖像在大腦中疊加后就形成了三維的視覺效果[3]。

偏振式三維顯示技術(shù)具有成像效果好，技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，是目前較優(yōu)秀的三維顯示方案之一。原理示意圖如圖8所示。

圖8 偏振式三維顯示

2 結(jié)語

09-32型搗固車三維模擬駕駛培訓(xùn)系統(tǒng)操作流程與實際一致，情景模擬效果與3D視景，顯示效果良好，能夠創(chuàng)造具備沉浸感的培訓(xùn)環(huán)境，對于搗固車操作員的培訓(xùn)能夠起到良好的促進(jìn)作用。

[1]王曉梅，王賢民.基于 PLC的汽車駕駛模擬器控制系統(tǒng)[J].電氣技術(shù)，2008(5):90-93.

[2]張雪鵬，陳國華，戴鶯鶯，等.基于3D的虛擬運(yùn)動仿真平臺設(shè)計及 virtools功能實現(xiàn)[J].北京化工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2009，36(4):93-95.

[3]白云.淺議光學(xué)式立體三維顯示技術(shù)[OL].2008-6-26.[url]http://www.ty360.com/technology/2008/2008_5_15477.htm.