液壓支架運動控制及仿真技術研究

張智躍 梁 旭 游江維

（中國礦業大學〈北京〉機電與信息工程學院，中國 北京100083）

0 引言

采用虛擬現實技術（VR）進行采煤工作面的三維場景仿真，將整個采煤過程可視化，進行采礦生產過程模擬，服務于工作面的隱患預警，提高煤炭開采的安全性，用于煤礦人員技術培訓。

采煤工作面的設備包括刮板輸送機、采煤機和液壓支架，其中液壓支架的結構組成復雜。液壓支架由多個部件構成，組件類型多，部件的運動模式各不相同，包括垂直方向的升降運動、水平方向的平移運動，依賴升降的旋轉運動等，組件間的運動關系難以準確描述。準確的實施液壓支架運動仿真的基礎是設計液壓支架的運動控制技術，也是采煤工作面仿真的關鍵技術。

VR技術在煤礦領域的仿真工作主要有煤礦設備的虛擬設計、礦井火災模擬和瓦斯爆炸模擬[1]等，但存在設備仿真模型粗糙、場景控制技術簡單和實時性差等缺陷。由于采煤設備的多樣性、采煤過程和場景的復雜性，采煤工作面的場景仿真研究很少。液壓支架的運動仿真及運動控制的相關研究沒有見諸報道。

1 基于時間參數的路徑無關關鍵幀生成技術

1.1 液壓支架的構成及運動關系

1.1.1 液壓支架的組件

液壓支架一共由六個部件組成：前梁、頂梁、立柱、底座、掩護梁和連桿，如圖1。液壓支架的構造可以簡化為圖2，其中A為頂梁，B是立柱，C是底座，D掩護梁，E是連桿,F是前梁。

圖1 液壓支架原圖

圖2 液壓支架示意圖

1.1.2 液壓支架的運動關系

液壓支架的運動由立柱的升降為主導，隨著B的升降，頂梁A隨著立柱平動，底座C保持不變，拉桿E繞著W點旋轉，掩護梁D的運動是最復雜的，不僅有升降還有旋轉，對D的運動控制是工作的重中之重。液壓支架組件描述表1如下：

表1 支架組件描述表

1.2 液壓支架的關鍵幀提取

液壓支架的運動是周期性的，設液壓支架的一個周期為時間T，整個周期T運動狀態又可以分為四個階段，支架部件在上述階段的運動模式見表2：

表2 支架部件不同階段運動模式

液壓支架運動過程表達為若干個關鍵幀，計算關鍵幀時刻支架所處的位置和狀態信息，以幀的形式組織描述支架狀態，連接關鍵幀形成支架運動仿真過程[2-3]。通過場景中的幾何模型關系計算求解關鍵幀的方法，解決了液壓支架的復雜運動部件的路徑信息難以獲取的問題。

設置運動路徑是常用的運動控制及仿真方法，即求出場景中物體的真實運動數學關系模型，根據運動數學模型生成運動路徑[4]。如果運動數學關系模型特別復雜，提取數學關系模型困難，以及場景仿真時會運算量巨大，仿真的實時性差，也無法提高渲染效率。提取關鍵幀的方法在保證仿真真實性的情況下，能夠很好的解決這個問題。

液壓支架的運動周期為[0,T4]，從支架的運動周期中提取N個關鍵幀，幀間的時隔：

液壓支架的關鍵幀表述為H(t),描述t時刻液壓支架的狀態，在液壓支架第m個運動周期的第i幀的時刻為：

關鍵幀由支架的各組件狀態組成：

2 液壓支架運動仿真實現

2.1 實現平臺OSG介紹

本系統是基于Open Scene Graph（OSG）圖形庫開發[5]，OSG包含了一系列的開源圖形庫，主要為圖形圖像應用程序的開發提供場景管理和圖形渲染優化的功能。它使用可移植的ANSIC++編寫，并使用已成為工業標準的OpenGL底層渲染API。因此，OSG具備跨平臺性，可以運行在Windows，MacOSX和大多數類型的UNIX和Linux操作系統上。

OSG提供了樹狀的結構組織模型，有效液壓支架進行場景組織。3DMAX制作生成前六個設備部件模型文件，并進行組織，然后由OSG Exp插件導出為.osg格式文件。

2.2 模型加載與控制

液壓支架是采煤工作面仿真的核心設備模型，通過OSG中加載模型函數osgDB::read Node File()從文件中讀取設備模型，然后對場景模型進行相應的運動控制。

加載液壓支架模型，首先按照液壓支架的運動位移范圍及運動時間，切分出若干關鍵點實施控制?？刂谱兞堪ǎ弘p精度型時間變量，包括動畫的起始時間和持續時間；向量型變量osg::Vec，用來控制關鍵點節點的位置；表示運動方式的四元數變量osg::Quat，其矢量部分表示旋轉軸，標量部分表示關鍵點之間的旋轉角度。

由于液壓支架各部件功能各異，其運動形式也不同。因為液壓支架為周期性運動，前面我們分析了在周期不同的階段各部件的運動狀態，針對不同階段不同的運動狀態給不同的部件編寫動畫函數。

首先設定動畫持續的時間time，為整個周期T內一段時間，起始時間time_start，以及整個動畫過程由n個關鍵幀組成。

1）平移運動控制

平移以頂梁A為例，需設定升降的距離，即位移量displacement。由函數osg::Vec position()生成平動時兩關鍵幀之間的位移量；函數osg::Animation Path::insert()把運動時間、位移量插入動畫路徑函數，完成路徑設置。頂梁A節點調用動畫路徑回調函數osg::Node::set Update Callback()完成運動路徑。

2）旋轉運動控制

旋轉以連桿E為例，首先設置旋轉角度angle。關鍵幀之間的節點旋轉角度為angle/n，所用的時間為time/n，由函數osg::Quatrotation()更新旋轉角度。最后同樣調用insert()函數插入時間和當前狀態，返回動畫路徑。同樣連桿E節點通過函數osg::Node::set Update Callback()調用動畫路徑。

3）旋轉和平移協同運動控制：

旋轉又平移以掩護梁D為例，首先設置旋轉角度angle，平移量displacement。關鍵點之間的節點旋轉角度為angle/n，平移量為displacement/n，所用的時間為time/n，由函數osg::Quat rotation()更新旋轉角度，由函數osg::Vec position()更新平移量。最后仍然調用insert()函數插入時間和當前狀態，返回動畫路徑。最后節點調用回調函數osg::Node::set Update Callback()完成掩護梁D的運動路徑。

圖3

3 結論

論文主要研究了在基于OSG的虛擬場景中對模型運動的控制所需要的理論和方法，尤其是在對液壓支架的運動控制技術做了詳細設計，提出了一種新的設備運動控制方法，能夠解決復雜動畫路徑關系下對剛體的運動做準確的運動控制，很好的解決了采煤工作面中復雜運動關系的控制。并且可以應用在其它更復雜場景仿真中，都可以通過提取這種空間的幾何關系來取代運動路徑的數學模型關系，達到同樣的仿真效果。

系統也有自己的不足之處，首先設備模型單一，整個液壓支架精簡成了六個部件的運動，雖然能體現出液壓支架的運動狀態，但很多其他次要部件都被忽略。其次整個系統都沒有加入聲音系統，整個場景的運動都是無聲的狀態，不可避免的降低了場景的真實感。

隨著數字化礦山的發展，虛擬現實技術在礦業方面的應用將會越來越廣，將來可以將三維仿真虛擬現實技術與動力學理論結合，做到場景的真實性，并且可以與傳感器和網絡設備一起結合，達到場景的實時性。

［1］禹亮.采煤工作面仿真系統研究[D].山東科技大學,2008.

［2］X.Shen,R.Hage and N.D.Georganas.Agent-aided Collaborative Virtual Environments over HLA/RTI[C]//Proc.IEEE/ACM Third International Workshop on Distributed Interactive Simulation and Real Time Applications (D IS-R’99),Greenbelt MD,Oct.1999.

［3］J.C.Oliveira,X.Shen,N.D.Georganas.Collaborative Virtual Environment for Industrial Training and e-Commerce[C]//Proc.Workshop on Application of Virtual Reality Technologies for Future Telecommunication Systems,IEEEGlobecom’2000 Conference,Nov.-Dec.2000,San Francisco.

［4］肖甫,王汝傳,孫力娟．多關聯性虛擬現實系統的設計與實現[J]．計算機技術與發展,2009,19(12):36－39．

［5］楊化斌.Open Scene Graph3.0三維視景仿真技術開發詳解[M].國防工業出版社,2012.