周韶澤，楊文慶，聶春戈，張海峰

（1.大連交通大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028；2.中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130062）

1 引言

為保證動(dòng)車(chē)組長(zhǎng)期高速、安全、舒適運(yùn)行，必須經(jīng)常對(duì)動(dòng)車(chē)組進(jìn)行整備、檢查、保養(yǎng)和維修[1]。動(dòng)車(chē)組檢修分為五個(gè)等級(jí)，一級(jí)和二級(jí)檢修為運(yùn)用檢修，主要涉及檢視檢修。三級(jí)、四級(jí)、五級(jí)檢修為定期檢修，主要涉及拆裝檢修。高速動(dòng)車(chē)組是大型復(fù)雜產(chǎn)品，其檢修工作量大、涉及人員眾多，采用物理樣機(jī)進(jìn)行培訓(xùn)成本很高。因此，為滿(mǎn)足動(dòng)車(chē)組“快速檢修、安全可靠、高效運(yùn)營(yíng)”的要求，引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于動(dòng)車(chē)組的檢修設(shè)計(jì)和培訓(xùn)中非常迫切和必要。

虛擬現(xiàn)實(shí)（VirtualReality，簡(jiǎn)稱(chēng)VR）是利用計(jì)算機(jī)模擬產(chǎn)生一個(gè)三維的虛擬空間，通過(guò)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等感官的模擬，使用戶(hù)沒(méi)有限制地觀察三維空間內(nèi)的事物，達(dá)到身臨其境的效果[2]。該系統(tǒng)以仿真方式給用戶(hù)創(chuàng)造了一個(gè)實(shí)時(shí)反映實(shí)體變化與相互作用的界面，使用戶(hù)可直接參與并探索仿真對(duì)象在所處環(huán)境中的作用與變化[3]。通過(guò)與虛擬環(huán)境發(fā)生交互作用，從而得到與置身于實(shí)際環(huán)境中所獲得的相同或相似的感受[4]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有多媒體信息的感知性、沉浸性、交互性和自主性等特點(diǎn)[5]。

通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)把產(chǎn)品以三維動(dòng)態(tài)的方式展示出來(lái)，克服了傳統(tǒng)二維圖紙難以表達(dá)檢修對(duì)象結(jié)構(gòu)的問(wèn)題。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，使培訓(xùn)人員快速掌握檢修技能，以交互的方式了解產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，直觀理解產(chǎn)品的拆裝過(guò)程，既可以降低培訓(xùn)成本，也可以提高培訓(xùn)效率[6]。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思想

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為核心開(kāi)發(fā)的動(dòng)車(chē)組虛擬檢修系統(tǒng)，其開(kāi)發(fā)流程，如圖1所示。系統(tǒng)整體框架，如圖2所示。

圖1 仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程Fig.1 The Development Processof the Simulation System

圖2 仿真系統(tǒng)的整體框架Fig.2 The Overall Framework of the Simulation System

首先，根據(jù)二維圖紙等資料了解動(dòng)車(chē)組檢修車(chē)間相關(guān)資源的實(shí)際屬性，再利用CAD軟件建立動(dòng)車(chē)組檢修對(duì)象的三維模型。然后，通過(guò)3DMax軟件讀取所建立模型并轉(zhuǎn)換格式后添加到場(chǎng)景圖形庫(kù)中。最后，在虛擬環(huán)境中加載模型并進(jìn)行交互式檢修仿真，最終實(shí)現(xiàn)動(dòng)車(chē)組虛擬檢修系統(tǒng)的仿真。

3 系統(tǒng)建立的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 場(chǎng)景樹(shù)建模技術(shù)

三維模型的建立是虛擬仿真系統(tǒng)的根基，其使用CAD軟件創(chuàng)建檢修對(duì)象模型以及用3DMax軟件對(duì)三維模型進(jìn)行渲染優(yōu)化并轉(zhuǎn)換格式導(dǎo)入場(chǎng)景中。

場(chǎng)景模型結(jié)構(gòu)從CAD模型原始模型轉(zhuǎn)換而來(lái)，該模型和原CAD模型設(shè)計(jì)樹(shù)相似，用來(lái)表達(dá)虛擬環(huán)境各零件和裝配體的父子層次組織結(jié)構(gòu)。裝配樹(shù)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。采用場(chǎng)景圖技術(shù)來(lái)表達(dá)裝配樹(shù)結(jié)構(gòu)，可保留原有CAD模型的裝配樹(shù)結(jié)構(gòu)。

圖3 裝配樹(shù)結(jié)構(gòu)Fig.3 Assembly Tree Structure

3.2 虛擬檢修視點(diǎn)模擬方法

3.2.1 視點(diǎn)平移控制

為模擬檢修人員（視點(diǎn)）的平移，需要改變視點(diǎn)在世界坐標(biāo)系中的位置。設(shè)變換前的視點(diǎn)坐標(biāo)為E（Ex，Ey，E）z，平移變換后的視點(diǎn)坐標(biāo)為E（′），視點(diǎn)的移動(dòng)速度為V。視點(diǎn)在世界坐標(biāo)系中向前移動(dòng)時(shí)的示意圖，如圖4所示。

則視點(diǎn)實(shí)現(xiàn)向前或向后移動(dòng)時(shí)公式如（1）：

其中，當(dāng)t=1時(shí)，視點(diǎn)向前移動(dòng)；當(dāng)t=-1時(shí)視點(diǎn)向后移動(dòng)。

圖4 視點(diǎn)在世界坐標(biāo)系下變化Fig.4 The Viewpoint Changes in the World Coordinate System

同理可知視點(diǎn)實(shí)現(xiàn)向左或向右移動(dòng)時(shí)公式如（2）：

其中，當(dāng) m=-1，n=1 時(shí)，視點(diǎn)向左移動(dòng)；當(dāng) m=1，n=-1 時(shí)，視點(diǎn)向右移動(dòng)。

3.2.2 視點(diǎn)旋轉(zhuǎn)控制

在模擬檢修人員的頭部轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)矩陣操作實(shí)現(xiàn)視點(diǎn)的仰看、俯看、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)，即最常見(jiàn)的是視點(diǎn)繞視點(diǎn)坐標(biāo)系的X軸、Z軸旋轉(zhuǎn)。

首先計(jì)算出視點(diǎn)繞軸旋轉(zhuǎn)的弧度值，因視點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)通過(guò)鼠標(biāo)操作來(lái)實(shí)現(xiàn)，即鼠標(biāo)在屏幕上移動(dòng)一段距離（從A移動(dòng)到B），可實(shí)現(xiàn)視點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)。

已知鼠標(biāo)初始屏幕坐標(biāo)為A（x1，y1），當(dāng)在屏幕上移動(dòng)一段距離后，記錄當(dāng)前鼠標(biāo)屏幕坐標(biāo)為B（x2，y2）。設(shè)角度轉(zhuǎn)化為弧度的公式如式（3）：

若視點(diǎn)仰看和俯看場(chǎng)景，即仰、俯角度（即抬頭、低頭，繞X軸旋轉(zhuǎn)）：式中：θ—每單位長(zhǎng)度下繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的角度，初始角度為90°（弧度R=1.57），表示在視點(diǎn)坐標(biāo)系下垂直平面向里看，結(jié)合式（3）得出繞X軸旋轉(zhuǎn)的弧度求解公式如式（4）：

若視點(diǎn)向左轉(zhuǎn)動(dòng)和向右轉(zhuǎn)動(dòng)，即視點(diǎn)繞Z軸旋轉(zhuǎn)。視點(diǎn)初始角度為0°（弧度R=0），結(jié)合式（3）得出繞Z軸旋轉(zhuǎn)的弧度求解公式如式（5）：

將計(jì)算出的弧度值代入到旋轉(zhuǎn)矩陣中，得到新的旋轉(zhuǎn)矩陣與其他變換矩陣結(jié)合實(shí)現(xiàn)對(duì)視點(diǎn)姿態(tài)的控制。

3.2.3 視點(diǎn)復(fù)合變換控制

檢修人員的平移（移動(dòng)）和頭部轉(zhuǎn)動(dòng)（旋轉(zhuǎn)）動(dòng)作是通過(guò)矩陣變換實(shí)現(xiàn)的，矩陣操作是由一個(gè)（4×4）的矩陣來(lái)表示。

在虛擬環(huán)境中，為了減少計(jì)算量，加快場(chǎng)景繪制，事先將多種變換矩陣合并，形成如式（6）的變換矩陣，然后對(duì)模型所有頂點(diǎn)和矩陣相乘進(jìn)行一次性矩陣變換，實(shí)現(xiàn)視點(diǎn)位姿的更新。設(shè)T為平移矩陣，R為旋轉(zhuǎn)矩陣。

對(duì)視點(diǎn)的控制通常是先平移后旋轉(zhuǎn)，即視點(diǎn)E經(jīng)過(guò)矩陣變換后，新的視點(diǎn)E′數(shù)學(xué)運(yùn)算公式如下：

E′=ERT

計(jì)算中使用行主序矩陣實(shí)現(xiàn)變換操作，在矩陣變換中采用左乘矩陣操作。將兩個(gè)矩陣合并成單個(gè)矩陣，記作變換矩陣M，如式（6）：

其中，M的上邊（3×3）部分是旋轉(zhuǎn)部分，最下一行是平移部分。逆向利用這些信息，能將任意（4×4）矩陣分解為旋轉(zhuǎn)變換部分和平移部分。變換矩陣M為視點(diǎn)在世界坐標(biāo)系中的位置姿態(tài)矩陣。視點(diǎn)位置姿態(tài)矩陣等于視點(diǎn)觀察矩陣（視圖矩陣）的逆矩陣。而視圖矩陣是改變場(chǎng)景內(nèi)攝像機(jī)位置姿態(tài)的關(guān)鍵矩陣，當(dāng)需要變動(dòng)視點(diǎn)位姿，更新該矩陣即可。

3.3 改進(jìn)的漫游碰撞檢測(cè)技術(shù)

碰撞檢測(cè)是虛擬檢修系統(tǒng)中重要組成部分，其作用是檢測(cè)用戶(hù)在仿真交互時(shí)是否與場(chǎng)景中的物體發(fā)生碰撞，從而避免“穿越物體”的現(xiàn)象。

傳統(tǒng)碰撞檢測(cè)算法[7]中采用了“線/體”相交測(cè)試的方法。在虛擬場(chǎng)景中通過(guò)連接移動(dòng)前后的兩個(gè)點(diǎn)，而后判斷與場(chǎng)景的模型是否有交點(diǎn)來(lái)判定這個(gè)移動(dòng)能否執(zhí)行。該方法比較簡(jiǎn)單，但存在檢測(cè)精度不準(zhǔn)確的問(wèn)題，而且無(wú)法滿(mǎn)足在復(fù)雜環(huán)境中仿真漫游的要求。

本系統(tǒng)采用基于“線/體”相交測(cè)試方法改進(jìn)的碰撞檢測(cè)算法。該碰撞檢測(cè)方法通過(guò)與場(chǎng)景物體進(jìn)行相交檢測(cè)，不僅實(shí)現(xiàn)視點(diǎn)在平面上的移動(dòng)，還能實(shí)現(xiàn)視點(diǎn)的上下臺(tái)階。相對(duì)于傳統(tǒng)碰撞檢測(cè)其檢測(cè)結(jié)果能做到足夠高的精確度和穩(wěn)定性。

說(shuō)明該碰撞檢測(cè)算法具體實(shí)現(xiàn)思想。碰撞檢測(cè)算法上臺(tái)階示意圖，如圖5所示。

圖5 碰撞檢測(cè)算法上臺(tái)階示意圖Fig.5 Upper Step Sketch of Collision Detection Algorithm

算法目的是將初始位置在點(diǎn)1的視點(diǎn)在沒(méi)有物體D阻擋的情況下，順利移動(dòng)到點(diǎn)4的位置，即是視點(diǎn)從臺(tái)階A移動(dòng)到臺(tái)階B。依照如下步驟執(zhí)行：

步驟一：首先計(jì)算出點(diǎn)2的坐標(biāo)，過(guò)點(diǎn)2作垂線段5，計(jì)算該垂線段與場(chǎng)景的交點(diǎn)，然后依照下述條件判斷視點(diǎn)是否發(fā)生移動(dòng)：

（1）沒(méi)有交點(diǎn)或交點(diǎn)與點(diǎn)2距離較大，無(wú)法移動(dòng)。

（2）需要注意垂線段5的坐標(biāo)取值一定要滿(mǎn)足場(chǎng)景中物體的幾何屬性，否則無(wú)法實(shí)現(xiàn)所需的仿真效果。

步驟二：若計(jì)算出垂線段5與場(chǎng)景存在合適的交點(diǎn)3，則在豎直方向上賦給交點(diǎn)3增量h得到點(diǎn)4，過(guò)點(diǎn)4作一條與接連點(diǎn)1和點(diǎn)2的直線平行的直線6；

步驟三：若直線6與場(chǎng)景中物體D不存在交點(diǎn)，證明視點(diǎn)可以從點(diǎn)1移動(dòng)到點(diǎn)4，即是到達(dá)左上角的臺(tái)階B上，否則不移動(dòng)。

同理視點(diǎn)在下臺(tái)階時(shí)也滿(mǎn)足該算法的執(zhí)行步驟。則該算法在程序中的實(shí)現(xiàn)流程，如圖6所示。

圖6 碰撞檢測(cè)算法實(shí)現(xiàn)流程Fig.6 Collision Detection Algorithm Implementation Process

結(jié)合前文中的視點(diǎn)平移控制方法，以及改進(jìn)的碰撞檢測(cè)算法的思想，當(dāng)視點(diǎn)上臺(tái)階時(shí)，可得到計(jì)算公式如（7）：

式中：Δδ—上臺(tái)階時(shí)坐Z標(biāo)的增量，其大小要大于一階臺(tái)階高度，小于二階高度。

3.4 關(guān)鍵幀插值拆裝過(guò)程仿真

虛擬環(huán)境下對(duì)檢修對(duì)象的拆裝仿真原理與視點(diǎn)模擬方法類(lèi)似，檢修對(duì)象的拆裝是通過(guò)不斷更新零件的位姿矩陣來(lái)實(shí)現(xiàn)的。而拆裝過(guò)程中零件的位姿是由拆裝開(kāi)始和結(jié)束關(guān)鍵幀實(shí)時(shí)插值實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵幀存儲(chǔ)于拆裝預(yù)定義文件中。

檢修對(duì)象進(jìn)行平移時(shí)，零件的位姿由關(guān)鍵幀的起始和終點(diǎn)位置進(jìn)行線性插值得到。新位置插值坐標(biāo)P′有：

檢修對(duì)象進(jìn)行旋轉(zhuǎn)時(shí)，檢修對(duì)象兩個(gè)關(guān)鍵幀中的旋轉(zhuǎn)角度可通過(guò)Slerp算法插值得到，設(shè)置給零件的視圖矩陣。

4 系統(tǒng)仿真實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用

動(dòng)車(chē)組虛擬檢修仿真系統(tǒng)采用VC++工具基于Open Scene Graph（OSG）開(kāi)源圖形庫(kù)開(kāi)發(fā)。利用繪圖軟件對(duì)檢修零件進(jìn)行建模。在建模過(guò)程中需注意零件之間的父子關(guān)系，以保留各組成的裝配關(guān)系。創(chuàng)建完所有模型后，將三維模型導(dǎo)入虛擬場(chǎng)景中。虛擬場(chǎng)景中檢視檢修的仿真交互界面，如圖7所示。

圖7 虛擬檢修交互界面Fig.7 Virtual Maintenance Interactive Interface

依據(jù)以上所提出方法構(gòu)建虛擬環(huán)境，以第一人稱(chēng)視角模擬下地溝、上橋以及通過(guò)障礙等仿真功能。如模擬一、二級(jí)修檢修流程檢視制動(dòng)裝置，在地溝內(nèi)目測(cè)閘片以及制動(dòng)盤(pán)等部件的表面情況，如圖8所示。

圖8 檢視制動(dòng)裝置表面情況Fig.8 Inspect the Surface Condition of the Brake

此外，用戶(hù)利用系統(tǒng)拖拽器功能可在虛擬環(huán)境中選取、拖拽移動(dòng)零件，了解零件的結(jié)構(gòu)和相互關(guān)系。結(jié)合關(guān)鍵幀插值算法學(xué)習(xí)模擬產(chǎn)品的拆裝仿真流程。

目前，系統(tǒng)初步應(yīng)用于長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司的動(dòng)車(chē)組檢修培訓(xùn)中，該仿真系統(tǒng)應(yīng)用的實(shí)際培訓(xùn)效果如下：

（1）效率高。采用虛實(shí)結(jié)合手段培訓(xùn)，使受訓(xùn)人員能更快速掌握檢修技能，提高了培訓(xùn)效率。

（2）成本低。系統(tǒng)滿(mǎn)足多人培訓(xùn)要求，避免了使用真實(shí)樣機(jī)培訓(xùn)占用生產(chǎn)、檢修的作業(yè)時(shí)間問(wèn)題，節(jié)約了企業(yè)成本。

（3）安全可靠。虛擬場(chǎng)景檢修真實(shí)模擬檢修過(guò)程，培訓(xùn)過(guò)程安全，能大大降低采用真實(shí)樣機(jī)發(fā)生危險(xiǎn)事故的可能性。

5 結(jié)論

基于提出的虛擬檢修視點(diǎn)模擬方法，改進(jìn)的漫游碰撞檢測(cè)算法模擬動(dòng)車(chē)組檢視檢修，采用了關(guān)鍵幀插值方法模擬檢修拆裝過(guò)程，開(kāi)發(fā)和實(shí)現(xiàn)了基于虛擬現(xiàn)實(shí)的動(dòng)車(chē)組虛擬檢修系統(tǒng)。系統(tǒng)的仿真結(jié)果表明：

（1）采用虛擬檢修視點(diǎn)模擬方法實(shí)現(xiàn)了在虛擬場(chǎng)景中對(duì)動(dòng)車(chē)組檢修對(duì)象的檢視仿真，如一、二級(jí)的目測(cè)檢修；

（2）改進(jìn)的碰撞檢測(cè)算法避免了傳統(tǒng)方法在復(fù)雜虛擬檢修環(huán)境檢測(cè)精度不高的問(wèn)題，既能執(zhí)行視點(diǎn)的碰撞檢測(cè)，又能滿(mǎn)足在虛擬檢修環(huán)境中上梯、下溝等檢修動(dòng)作，使虛擬仿真效果更加真實(shí)；

（3）關(guān)鍵幀插值方法能模擬檢修過(guò)程中零件拆裝的步驟，使用戶(hù)直觀理解產(chǎn)品的拆裝過(guò)程。

用戶(hù)通過(guò)該系統(tǒng)能更深入、更細(xì)致地了解動(dòng)車(chē)組產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和檢修流程，取得了良好的培訓(xùn)效果，為大量人員進(jìn)行動(dòng)車(chē)組檢修技術(shù)培訓(xùn)提供有效工具。