摘  要： 將帶電作業(yè)中的絕緣斗臂車操作訓練與虛擬現(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的效果,，為電力系統(tǒng)的帶電作業(yè)培訓提供了一種新的思維方式。
關(guān)鍵詞： 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)仿真培訓工作具有很大的實際意義,。傳統(tǒng)基于實體的培訓系統(tǒng)，由于需要專用設(shè)備實現(xiàn),，設(shè)備不僅相對復雜,，需要相對較大的空間，而且價格昂貴,，學習人員需要花費大量的時間和精力到專門的培訓機構(gòu)學習,，這在一定程度上限制了學習人數(shù)和學習質(zhì)量。因此,，近年來虛擬技術(shù)的模擬培訓系統(tǒng)在電力系統(tǒng)培訓中得到了廣泛的應(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),，使受訓者可以沉浸在虛擬操作環(huán)境當中，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,，能有效地保證培訓效果,。同時使受訓者的訓練不受時間、氣候,、場地的限制,，極大地保證了訓練的安全性。
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)通過動力學模型的計算,，處理各種操作信息后進行視景仿真，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模型，以確定當前操作時絕緣斗臂車的運動速度和方向坐標位置,，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,。動力學模型越準確，其復雜程度也越高,，并且復雜程度呈幾何級數(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中，視覺是最重要的提示信息,，受訓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)。當運動到達給定位置時,，計算機根據(jù)判別,，控制其速度為零，實現(xiàn)點位控制,，最終達到模擬斗姿態(tài)的準確控制,。

3.2 控制流程
　控制流程如圖7所示，訓練開始,，系統(tǒng)進行初始化,；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，通過刺激學員的視覺,、聽覺神經(jīng),，調(diào)動起學員的學習積極性和主動性，明顯提高仿真培訓效果,，大大降低培訓系統(tǒng)的硬件投資,，為提高仿真與培訓的技術(shù)水平，降低培訓風險提供了一種新的思維方式,。
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