基于联合仿真的林业采育作业模拟系统研究

郭世怀，黄青青，丁小康，刘晋浩

(北京林业大学 工学院，北京 100083)

装备作业区域环境恶劣，主要为非铺装林间道路、立木林地和灌木丛林等地带。地形起伏大，地面障碍多，作业区域缺乏装备路径规划信息和地理信息，作业区域广泛存在崎岖地形、陡峭山地、临水临崖、倒木和火场等危险作业情形。为发挥大型林业装备在营林抚育和消防安全等方面的功能，达到可靠、安全和高效的目的，必须对驾驶乘员进行长时间、持续性训练才能保证林业生产和消防工作过程中装备的可靠性和安全性，提高林业装备技术水平和林业生产效率[1]。

图1 联合采伐机主要结构示意图

伐木机作业机械臂的设计基本上是采用了工程机械常用的工作装置设计方式，主要由动臂、吊臂、液压缸和回转机构等部分组成。如图1所示。吊臂是伐木作业的主要工作部件，支撑和辅助完成伐木作业的各个动作。机械臂的动作由动臂、吊臂的两个液压缸的液压回路单独或复合操纵完成[2-3]。图2为采育机的作业场景和驾驶室内部结构。本文旨在通过对多功能林木联合采育装备虚拟驾驶仿真系统进行简单介绍，为将来研究整个模拟培训系统建立一定的理论基础。

将虚拟现实技术应用于多功能林木作业与消防装备培训系统，可以使受训人员在近似真实的环境下反复操练其要领，节约培训费用与燃料；可以通过电脑的实时反馈系统精确考核驾驶员的操作水平，达到理论与实践的完美结合；可以免去受训人员直接在多功能林木联合采育装备上操作的高昂费用。

图2 轮式联合采育机的作业场景与驾驶室内部

1 研究背景

1.1 轮式联合采伐机车架构造

轮式联合采伐机的底盘多采用铰接式车架构造，这种车架构造利于林木联合采伐机在林地作业时保持车身的稳定性，同时具备一定的越障能力[4-5]。因为是大型工程机械，为避免产生整车大范围的振动，驱动桥采用的都是刚性悬架，后桥采用摆动式驱动桥，前桥或固定在车架上(如图3所示轮式采伐机)。

图3 “多功能林木采育机”样机在通过实际林地

采用摆臂式驱动桥，这种驱动桥的特点是左右两个摆臂相互独立，可有效地应对地面的凹凸，保持车体的稳定。底盘部分变幅的主要作动部件简图如图4所示。

图4 六轮式结构简图与主要变幅参量

1.2 基于CAN总线的工作装置控制系统

电液控制系统中，数据传输通过CAN(Controller Area Network)总线来实现[6]。控制器局域网CAN属于现场总线范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。系统采用总线式网络拓扑结构，其系统总体结构如图5所示。

图5 基于CAN总线的整机总线控制系统

为了对作业工况进行控制和监测，采用搭载CAN总线模块的PC与控制系统组成测控系统，系统的硬件组成如下：下位机是控制模块2024，上位机即为PCI扩展内置通讯模块的工控机，上位机根据下位机主要完成系统控制任务，包括系统参数设置、控制指令和参数的下达，以及把各项参数发送到CAN总线上。

联合采伐机整套工作装置通过安装在驾驶室内操作员座位扶手两旁的操纵手柄来实现人机交互控制，如图6所示。操作手柄带有CAN接口和多种按钮，双轴操作手柄的二维平面两个方向轴的输出比例信号输出机械臂位置控制参数。在操作手柄上还有一些操作按钮用于伐木头的作业流程控制。联合采伐过程作业情况复杂，具有很强的非线性特征，为了提供作业的可靠性和效率，必须对作业流程进行研究和规划。由于操作手柄的运动直接控制液压缸力和关节旋转速度，为了使机械臂末端及伐木头在作业动作中迅速操作至期望的位置，作业流程必须经过人机工学的优化，同时操作员必须经过严格的训练和操作实践。

图6 Ponsse采伐机操作驾驶模拟器

图7 多功能林木联合采育装备虚拟培训系统框图

2 总体方案设计

驾驶模拟器研制开发的基本步骤[7-8]：

(1)首先针对林木采育机械在林间作业的特点进行调查和研究，对已有的作业机械进行考察和测试，在有关建模软件环境下进行林木采育机械主要工作装置的分析和建模。

(2)通过研究其工作装置的工作过程和动作分解，在工作装置的建模基础上，利用仿真软件(Matlab等)建立一个工作装置的动力学模型。

(3)利用仿真软件手段建成的虚拟环境，导入工作装置模型和环境模型，完成输入系统和输出系统的应用程序接口。

(4)实现与工作装置控制软件进行联合的实时仿真，通过用户界面鼠标或手柄实现工作装置的轨迹控制。

2.1 半实物仿真系统构架

本方案中，采用高层体系结构(HLA)作为分布式仿真系统框架，如图7所示。以连接六自由度运动平台和模拟驾驶舱的实时车辆仿真模型为核心，并结合高逼真度、高临场感的三维视景系统，构建一个能够满足联合采伐机研制、模拟训练和采伐作业研究等多层次需求的联合采伐机人机环境仿真系统。利用该系统，用户能够实现整车平顺性仿真试验、联合采伐操作人员模拟操作训练试验及相应的研究。

2.2 半实物仿真系统要求

设计车辆运动半实物仿真系统主要是在虚拟的作业环境中用液压平台模拟车辆的随机和振动动感，以考核乘载员在一定的路面与情况下的振动对作业的影响，同时可以用来研究提高装备舒适性。液压系统由控制系统、液压驱动系统、六自由度运动平台和支架和吊车等辅助设备组成，如图8所示。

3 采育机运动学与动力学分析

为了使车辆实现转向行驶，必须在车辆上产生一个与转向方向一致的转向力矩，用来克服车辆的转向阻力矩。根据工程车辆获得转向力矩方式的不同，工程车辆的转向又可分为：偏转车轮转向，铰接车架转向和差速转向。在本文的研究中，对单泵四马达并联液压独立驱动的四轮车辆，仅针对差速转向方式进行讨论。如图8所示。

图8 实物仿真系统硬件组成布置图

3.1 车辆转向行驶的动力学分析

图9 车辆转向运动简图

如图9所示的铰链式车辆底盘，当转向角为0时(α=β=0)，(xf，yf)和(xf，yf)分别代表了前桥和后桥的位置，pf和pr是前后桥的重心，lf和lr表示前后桥的长度，θfθr为方位角。通过车辆的几何模型以及pf和pr的坐标关系，可以得到：

(1)

(2)

由于车架的刚性结点，前后车桥具有相同的速度变化，相对速度向量可以表示为：

(3)

(4)

其中，vf和vr分别代表前后桥的速度，铰链转角γ是由前桥方位角与后桥方位角的差值得到，结合以上的关系式，可以得到前车桥角速度的计算公式：

(5)

当前后桥的长度不一样时，前桥角速度与后桥角速度的值也不同，后桥角速度的计算公式：

(6)

3.2 车辆转向行驶的运动学分析

在偏转角不为0的情况下，铰链式车辆的运动学模型可以通过转向角的几何分析来研究。如图9所示，车辆位置的主要影响因素是两个滑动变量α和β，它们分别被定义为前后桥的偏转角，在偏转角的作用下，r1、r2是前后桥转向运动时瞬时速度圆心的半径。其中轨道的初始曲率圆心，是在假设偏转角为0的情况下得到的。下列公式中带有下标‘s’的变量表示是在偏转角不为0情况下的变量。在偏转角作用下的前桥的运动学等式可以表示为：

(7)

(8)

在本研究中，车辆运动不仅取决于运动速度、铰链角度和车辆长度，还与车辆的偏转角角度有关。基于车辆是恒稳态的假设，前后桥的运动速度可以计算如下：

(9)

(10)

通过求解以上等式，前后桥的角速度可以得到：

(11)

(12)

根据其运动学原理，在场景运动控制代码中简化为以下代码模型：

function FixedUpdate() // 固定刷新函数

{…

frontWheel1.steerAngle=

frontWheel1.steerAngle +(steer * steerSpeed * Time.deltaTime)；//转向角速度

…

frontWheel2.steerAngle=

frontWheel1.steerAngle；

wheelFL.localEulerAngles.y=frontWheel 1.steerAngle；

wheelFR.localEulerAngles.y=frontWheel 2.steerAngle；

wheelFR.Rotate(frontWheel1.rpm * 5 * Time.deltaTime，0，0)；

wheelFL.Rotate(frontWheel2.rpm * 5 * Time.deltaTime，0，0)；// 前车架转向角度

4 作业模拟系统软件的开发

建立一个好的仿真模型是实现实时性的关键[9-10]。目前市面上流行的建模软件种类繁多，工程应用的Solidworks/ProE等软件和造型应用的Maya/3DMAX等软件均可胜任。然而一个优质的模型包含大量的数据信息，包括面片数量、材质与纹理信息等，需要专门针对可视化仿真行业应用特点推出的实时可视化三维建模软件[11-12]。与其他建模软件不同，Unity3D能够完好的处理好复杂光影效果、多面片3D模型等导入到实时3D现实环境中面临的主要问题：如何提高模型的实时性，同时，具有超大规模的不同的建模模块，用户可以根据不同的需要选择适合的模块进行工作。建好的模型可以被分步驱动，可以从不同三维视点观看模型的实时渲染。此外Unity3D能够利用TCP/IP、UDP等多种网络传输协议进行数据交换。利用Unity3D的以上优良的开发特性，能够开发出实时性强，视景系统逼真的模拟培训视景系统[13]。

车辆作业模拟系统软件的开发主要包括以下几个方面：

首先，在车辆实时仿真模型的前端，通过AD、DIO、CAN、SIO 等转换接口和数据处理机制，采集驾驶员模拟舱的各种操作信号。信号经过采集之后，对应的车辆状态机模型(MAtlab/simulink)，确定车辆状态(开关、按钮和方向盘等状态信息)。

一部分状态信息通过处理后，输入Matlab/Simulink/AMEsim车辆动力学模型运行环境，与地形数据接口的路谱信息共同作为车辆模型的输入，经模型运算处理后，输出车辆车体位姿数据，最后将经处理后的数据发送到运动平台信号接口，驱动虚拟现实视景仿真系统进行虚拟车辆的姿态调整。

另一部分状态信息经过处理后，进入Unity3D的声音驱动状态模型，驱动声音和振动仿真VR环境，输出振动器和音响设备。

当视景系统完成图像、音响的所有信息处理，清空状态数据，进行下一周期数据采集。这一过程一般要求在10ms以内完成。

在高采样频率驾驶座舱输入采集系统和实时动力学与液压等仿真系统的支持下，系统以高于人体感知频率(一般为65赫兹以上)刷新视景模型，将3D视景画面投影在驾驶和作业训练的装备模拟驾驶舱外，使驾驶员体验到在虚拟的林业环境中操作装备系统的仿真感受(如图10所示)。

图10 采育联合作业装备在林区虚拟环境中模拟行走的场景

5 结束语

将虚拟现实技术应用于多功能林木作业与消防装备培训系统，可以使受训人员在近似真实的环境下反复操练其要领，节约培训费用与燃料；可以通过电脑的实时反馈系统精确考核驾驶员的操作水平，达到理论与实践的完美结合；可以免去受训人员直接在多功能林木联合采育装备上操作的高昂费用。此外，这还对缩短培训周期、提高培训质量、改善训练单一性以及降低训练过程中的受伤情况有很重要的意义。

【参 考 文 献】

[1]魏占国，阚江明，刘晋浩.基于三维虚拟样机技术大型林业装备设计与研究[J].微计算机信息，2010(28)：8-9.

[2]赵文锐，刘晋浩，沈嵘枫，等.伐木机机械臂虚拟样机的设计[J].东北林业大学学报，2009，37(2)：96-98.

[3]余东威，刘晋浩.基于ADAMS的联合采育机越障机构的设计与仿真[J].林业机械与木工设备，2012，40(2)：33-36.

[4]魏占国，刘晋浩.轮式林木联合采伐机底盘的设计与研究[J].广西大学学报(自然科学版)，2010，35(2)：263-268.

[5]徐克生，刘瑞林，李时舫，等.林业机械装备的人性化设计研究[J].林业机械与木工设备，2012，40(12)：32-34.

[6]舍 曼，Sherman W R，克雷格，等.虚拟现实系统：接口，应用与设计[M].北京：电子工业出版社，2004.

[7]张茂军.虚拟现实系统[M].北京：科学出版社，2001.

[8]韦有双，杨湘龙，王 飞.虚拟现实与系统仿真[M].北京：国防工业出版社，2004.

[9]吴家铸.视景仿真技术及应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，2001.

[10]肖田元，张燕云，陈加栋.系统仿真导论[M].北京：清华大学出版社，2000.

[11]葛安华，陶 鹏，李权章.基于ADAMS的采伐联合机臂系运动学仿真分析[J].森林工程，2012，28(2)：33-37.

[12]王立峰，杨国建，张莲洁.虚拟现实仿真技术在控制系统中的应用[J].林业机械与木工设备，2005(1)：39-41.

[13]李伯虎，王行仁，黄柯棣，等.综合仿真系统研究[J].系统仿真学报，2000(5)：429-434.