汽车起重机虚拟化教学训练系统设计

房秋怡 刘 鹏 闻公玉 汪元波

武警士官学校 杭州 311400

0 引言

长期以来，汽车起重机培训及考核工作受起重机械数量配备不足，作业场地和训练环境等客观因素的制约，难以灵活开展驾驶操作、维修保养的实训和教学，起重机械的培训、考核工作难以低成本、规模化推开。而传统的培训模式使作业人员对起重机械真实的结构和操作处于模糊状态，在实际应用时缺乏对起重机械故障排除、驾驶操作和应急事故的处理能力。

针对以上问题，虚拟仿真技术用于起重机作业人员培训系统的开发已有基于虚拟现实技术的汽车起重机操作仿真模拟训练系统的研究[1，2]，相关研究对双台/多台汽车起重机模拟协同作业三维仿真系统的设计实现了三维场景建模、吊装仿真以及其他一些辅助功能和交互设计[3，4]。但未见有关运用虚拟现实技术，结合AR头盔和实装操作部件，实现汽车起重机操作的虚拟仿真训练考核，同时实现多台汽车起重机对综合性应用场景科目进行实时协作训练的公开文献报道。

本文提出了结合AR头盔和实装操作部件，开发一种实现汽车起重机操作的虚拟仿真训练考核，同时实现多台汽车起重机对综合性应用场景科目的三自由度动态平台教学训练系统，加大模拟训练力度，减少实装损耗，节约训练资源，提高训练实战化水平。

1 训练系统总体方案设计

通过对汽车起重机仿真训练交互模型和仿真训练待实现功能的分析，结合虚拟现实建模、面向对象建模和系统仿真等理论，提出了系统整体框架及各个组成模块的开发方[5]，设计出基于虚拟仿真系统的三自由度动态平台模拟训练平台，主要包括汽车起重机仿真系统、三维视景平台和工程装备运动模型解算平台。各模块功能如表1。

表1 汽车起重机全景模拟训练平台功能模块

为使该模拟训练平台在教学训练中具有实际使用意义，系统方案按照系统工程方法做整体布局总体设计，集中强调多信息平台下的图像协作渲染显示技术研究和虚拟交互模型及模型运动碰撞检测理论方法的研究，使该训练平台具有稳定性、通用性、扩展性、可维护性、准确性等特点，详情见表2。

表2 系统总体特性要求

2 硬件结构设计

系统采用与真机相同的制造原理及工艺，主要包括原装高精度操作手柄、功能开关（包含油门旋钮、软件退出、视角切换、点火钥匙、鸣笛按钮、菜单选择摇杆等功能）、硬件单片机（具备USB接口、RS232接口、可扩展无线接口的）、操作显示屏、VR头盔以及原装动态座椅等硬件设备。为使硬件系统可与上位机软件进行数据交互，可将硬件系统按使用功能划分为操作端、司索端和教师管理端，如图1所示。

图1 硬件组成简图

1）操作端

显示系统采用3块49寸工业拼接屏拼接而成，底座采用三自由度平台，可有效模拟设备行进过程中的动态，给人最真实的感受。操作显示屏为VR视景的全景平台，真实再现操作设施，学员通过佩戴VR头盔可在虚拟仿真的学习环境中扮演主要角色，实现在虚拟场景中的人机交互，减少因理论或实践知识掌握不足造成的设备损坏和安全事故。另外，操作端可进行合成训练，通过2台设备的协同，合力完成吊装作业，整体提高实训项目任务的学习质量，充分体现虚拟现实的沉浸性和交互性[6]。

2）司索端

通过司索指挥台部署的1套司索系统，通过司索系统可全方位查看操作环境下的所有视口，通过视口进行远程司索指挥。司索端以司索指令为主要交互手段，通过指令选择将有效指令发送给驾驶员和操作人员，指导起吊工作与驾驶操作进行有效对接。司索工位并非必须存在的工位，可随时加入或退出项目操作，通过科目设置按钮可打开或关闭司索工位，司索工位操作主要以辅助功能体现在系统中，同时也为司索指挥者提供一个训练机会。

3）教师管理端

教师端可以管理学员信息，记录学习数据，形成单个学员的训练成长路线图，还可实时监控学员训练和考核界面，分析训练过程中学员的操作情况，以便对操作存在的问题进行针对性沟通。

3 软件功能实现

汽车起重机全景模拟训练平台系统可模拟操作驾驶感受，依据操作单元进行实物数字化改造，将机械总成改造成可与单片机通信的数字化总成。通过标准接口数据传递，将机械控制数据转化为虚拟的模拟数据，从而可在软件系统中进行复杂的运算处理，变成三维可视化影像。

3.1 环境视景与机械模型构建

如图2所示，运用3D Studio Max、Autodesk Maya等三维建模软件创建三维模型，严格避免重面、废面、破面、面与面之间的连接闭合不出现裂痕，并确保模型与实物一比一还原。

图2 仿真系统零部件模型

1）贴图和材质

根据实物进行全方位拍照，将照片作为贴图素材，用Adobe Photoshop等二维绘图软件进行调色和拼接，必要时结合模型的UV展开图调试并保证贴图与模型贴合，提高模型的还原度，使模型在视觉上实现高度仿真。对于材质单一且无复杂图案的器具（如弹簧、金属杆等），直接使用材质编辑器编辑材质以达到理想效果。

2）场景界面搭建及渲染烘焙

如图3所示，分析多个模块的需求搭建界面场景，根据场景的环境变化编写不同的Shader代码。当模拟真实环境时，不同材质在光线照射下的物品漫反射、反射和折射的数值都不同，应使其更接近于真实环境中的状态；在教学展示中，适当减少其反射和折射的数值，可令操作者在查看模型时感觉更舒适。

图3 仿真系统环境视景

3）交互式设计与处理

①系统采用NVIDIA公司的Physx物理引擎，系统可通过物理引擎高效逼真地模拟刚体碰撞、车辆驾驶、绳索、重力等物理效果，使仿真画面更加真实而生动。所有的渲染物体和模型均可进行动力学属性的设置（包括摩擦力），且提供了许多和动力学有关的功能和设置[7]。通过刚体组件系统可轻松模拟汽车起重机在运行中的物理碰撞、吊钩的绳索摆动、车辆行驶的传动系统等，对于车辆错误操作导致的车辆倾翻、断索等情况均可通过物理模拟出来。

②VR结合实物沉浸式体验。系统通过HTC vive沉浸式VR头盔进行设备操作，学员通过佩戴头盔显示器，结合陀螺仪可实时观看全场景，通过VR头盔上的左右眼显示的图像位移差，让左右眼接收不同的视差影像，在大脑的处理下形成立体影像。学员眼睛的可视范围全部被显示屏覆盖，从而达到虚拟沉浸的软件操作效果，结合实物的手感，产生与真实操作几乎一致的临场感。

3.2 仿真训练系统模块功能实现

1）QY16C汽车起重机模拟基础训练

进入软件课题选择界面，选择主菜单上的基础训练模式，点击进入训练界面（见图4），进入驾驶基础训练的软件界面后，根据软件界面上方的任务以及提示操作模拟器上的硬件按钮，依次进行通电、按喇叭、点火、挂挡、松手刹等基础启动操作，然后进行伸出支撑、支离地面、提升大臂、伸长起吊臂、放下吊钩、吊起物品等驾驶基础训练。

图4 基础训练

2）QY16C汽车起重机驾驶训练

①驾驶项目训练 如图5所示，进入综合驾驶的软件界面后，根据软件界面上方的任务以及提示操作模拟器上的硬件按钮，进行综合驾驶训练；起步后，按照正确路线依次完成S弯道行驶、8字路行驶、直角拐弯、左右单边桥、颠簸路、上坡操作等综合驾驶项目。

②停车项目训练 如图6所示，选择倒车入库，点击中枢控制台上的确定按键进入倒车入库界面，然后根据该界面上方的任务以及提示操作模拟器上的按钮，完成汽车起重机倒车入库和侧方停车操作。

图6 停车训练

3）QY16C汽车起重机作业训练

进入软件选择界面，选择主菜单上的作业训练模式（见图7），点击确定按键进入绕定位杆的界面，然后根据软件界面上方的任务以及提示操作模拟器上的按钮进行绕定位杆训练，通过操作模拟器上的组合按钮和手柄等硬件部件，将汽车起重机在指定位置做支离地面、抬起大臂、旋转转台（左手柄左右控制转台旋转）、伸缩吊臂（左手柄前后控制大臂伸缩）至合适的角度和位置、下主钩、吊起物品等动作，完成定点投放训练和实物吊装任务。

①绕定位杆 按照路线完成绕定位杆动作，并在每一个定点位置放下吊装物。

②定点投放 按照箭头指示方向依次放置在定点位置。

③实物吊装 将5个吊装物（管道、受损车辆、大树等）放置在定点位置上。

4）QY16C汽车起重机实战应用

进入软件选择界面，选择主选单上的实战应用模式，点击确定键进入操作界面，依次选择管道吊装、巨石吊装、车辆吊装课题，该模块还可多机协作作业共同完成某个设定任务，见图8。

图8 协作训练

①单机训练 完成唐家山堰塞湖管道吊装、山体滑坡巨石吊装、泥石流受损车辆吊装等对应救援工作。

②协作训练 山体滑坡树木吊装。

操作训练会依据学员的训练时长逐级增加难度（如驾驶训练），初次接触的学员限时20 min完成训练。如果学员在驾驶训练使用的总时长超过60 min，系统会自动将限时20 min改为限时15 min，以此类推。

训练系统根据学员每次的训练结果得出综合技术评分，如训练时长、课题完成度、操作流程是否正确、是否发生不必要的碰撞等，系统会依据此项评分赋予学员相应的经验值，学员可通过累积经验值提升等级。等级是最直观地反馈学员训练情况的指标，也是为学员自身设立的训练标尺，等级只在基础训练中体现，作为服务端对学员的训练情况的直观掌握。

4 总结

综合运用VR技术、三维仿真技术和信息技术等手段，模拟汽车起重机驾驶和作业训练科目，既可部分替代实物实场地教学和训练，节省训练经费，减少训练损耗，还可缩短训练时间，增强训练的针对性，有效促进汽车起重机实操训练形式的发展，贴近实际情况和装备保障要求，具备技术先进、教学训练效果优异的显著特点，具有很大的推广价值和效益。