基于Unity、HTC VIVE的D09—32型連續(xù)式搗固車虛擬仿真駕駛系統(tǒng)研究

李海勝　徐鋼濤

【摘 要】采用Unity研發(fā)了鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械D09-32型連續(xù)式搗固車虛擬仿真駕駛系統(tǒng)。以西寧到格爾木某區(qū)間鐵路實(shí)景為基礎(chǔ)在Unity中搭建、美化場(chǎng)景，以D09-32型連續(xù)式搗鼓車為原型創(chuàng)設(shè)搗固車三維模型。按照搗固車駕駛標(biāo)準(zhǔn)流程通過(guò)虛擬手套操作場(chǎng)景中按鈕、開關(guān)，模擬搗固車駕駛步驟，完成搗固車的駕駛訓(xùn)練。采用SteamVR與VRTK構(gòu)建基于HTC VIVE的D09-32型連續(xù)式搗固車虛擬仿真駕駛系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明：該系統(tǒng)場(chǎng)景逼真、沉浸感強(qiáng)可滿足搗固車駕駛?cè)藛T的基礎(chǔ)訓(xùn)練需求并且該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、開發(fā)成本低、周期短等優(yōu)點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】虛擬現(xiàn)實(shí)；unity；搗固車；模擬駕駛

中圖分類號(hào)： TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）30-0146-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.30.063

Research on D09-32 Continuous Tamping Vehicle Virtual Simulation Driving System Based

on Unity and HTC VIVE

LI Hai-sheng XU Gang-tao

（Zhengzhou railway vocational & technical college，Zhengzhou Henan 450002，China）

【Abstract】Using Unity，the D09-32 continuous tamping vehicle virtual simulation driving system for railway large-scale road maintenance machinery was developed.Based on the real scene of a certain section of Xining to Golmud，the scene was built and beautified in Unity.The D09-32 continuous tambourine was used as a prototype to create a three-dimensional model of the tamping vehicle.According to the standard process of tamping vehicle driving，the buttons and switches in the scene are operated by virtual gloves to simulate the driving steps of the tamping vehicle，and the driving training of the tamping vehicle is completed.The HTC VIVE-based D09-32 continuous tamping vehicle virtual simulation driving system was built using SteamVR and VRTK. Experiments show that the system scene is realistic and immersive enough to meet the basic training needs of the tamping driver and the system has the advantages of simple structure，low development cost and short cycle.

【Key words】Virtual reality；Unity；Tamping vehicle；Simulated driving

0 引言

鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械主要是指養(yǎng)護(hù)、維修、整修鐵路線路的機(jī)械設(shè)備，包括線路石砟清篩、線路石砟搗固密實(shí)、線路道床震動(dòng)穩(wěn)定、線路道床整形等設(shè)備。目前，大型養(yǎng)路機(jī)械已在全國(guó)鐵路線路修理、提速線路改造和新線建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用，是我國(guó)鐵路維護(hù)工作中的主要工具，起著不可替代的作用。

搗固車用于鐵路線路的新線建設(shè)、舊線大修清篩和運(yùn)營(yíng)線路維修作業(yè)，對(duì)軌道進(jìn)行撥道、起道抄平、道砟搗固及道床肩部道砟的夯實(shí)作業(yè)，使軌道方向、左右水平和前后高低均達(dá)到線路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)或線路維修規(guī)則的要求，提高道床石砟的密實(shí)度，增加軌道的穩(wěn)定性，保證列車安全運(yùn)行。

D09-32型搗固車是鐵路系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的養(yǎng)路機(jī)械，但D09-32型搗固車結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作難度大、作業(yè)空閑時(shí)間少，影響了操作員的實(shí)際駕駛培訓(xùn)工作，給新駕駛員的培訓(xùn)帶來(lái)諸多困難[1]。D09-32型搗固車實(shí)地駕駛教學(xué)存在安全隱患，成本高，周期長(zhǎng)，受場(chǎng)地、天氣、作業(yè)窗口等因素限制。

針對(duì)傳統(tǒng)訓(xùn)練方式的不足，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的培訓(xùn)方式受到了廣泛關(guān)注。基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，程伯文等人開發(fā)了林木聯(lián)合采育機(jī)虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)，用于林木采育機(jī)的仿真訓(xùn)練[2]。張曉曦等人開發(fā)了工程船克令吊交互仿真系統(tǒng)用于克令吊操作人員的實(shí)操訓(xùn)練，解決了傳統(tǒng)訓(xùn)練方式周期長(zhǎng)、成本高且安全風(fēng)險(xiǎn)大等問(wèn)題[3]。史艷楠等人開發(fā)了礦井提升機(jī)虛擬實(shí)訓(xùn)裝置，用于礦井提升機(jī)的操作訓(xùn)練[4]

在大型養(yǎng)路機(jī)械方面，鄭州捷安高科、鄭州潤(rùn)華等公司都開發(fā)了搗固車虛擬駕駛平臺(tái)，用于搗固車的駕駛訓(xùn)練。上述系統(tǒng)采用“軟件+硬件操作臺(tái)”相結(jié)合的方式，開發(fā)成本高，周期長(zhǎng)。針對(duì)上述系統(tǒng)存在的不足，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)最新技術(shù)與產(chǎn)品，基于Unity平臺(tái)開發(fā)了“HTC VIVE +虛擬手套”交互方式的搗固車虛擬仿真駕駛系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)以D09-32型連續(xù)式搗固車為藍(lán)本，系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

系統(tǒng)主要由Unity模擬駕駛軟件、HTC VIVE頭盔、Noitom Hi5 VR手套構(gòu)成。戴上HTC VIVE頭盔進(jìn)入三維場(chǎng)景，在場(chǎng)景中使用VR手套與場(chǎng)景中的對(duì)象進(jìn)行交互（拔起發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)按鈕、轉(zhuǎn)動(dòng)ZF開關(guān)、移動(dòng)檔位、加大油門等），進(jìn)而進(jìn)行模擬訓(xùn)練。其它人員通過(guò)顯示器查看受訓(xùn)人員看到的虛擬場(chǎng)景。

2 關(guān)鍵技術(shù)

受訓(xùn)人員使用VR手套與場(chǎng)景交互，手套與按鈕、油門手柄發(fā)生碰撞，觸發(fā)交互對(duì)象的操作動(dòng)畫。VR手套與上述物體交互時(shí)，操作對(duì)象的動(dòng)畫播放與VR手套的操作不一致；例如使用VR手套撥動(dòng)油門手柄時(shí)，手柄穿透VR手套且未及時(shí)播放動(dòng)作動(dòng)畫。

針對(duì)這種情況，改變交互對(duì)象的動(dòng)畫播放方式。采用DoTween動(dòng)畫組件，根據(jù)VR手套與交互對(duì)象的角度、相對(duì)位置的變化，實(shí)時(shí)計(jì)算其動(dòng)畫位置（如油門手柄旋轉(zhuǎn)角度、燈光按鈕被按下位移量、大閘旋轉(zhuǎn)的偏移量等）解決交互過(guò)程中交互遲鈍的問(wèn)題。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)部署完成后進(jìn)行模擬駕駛訓(xùn)練，系統(tǒng)運(yùn)行如圖2所示。操作人員使用VR手套進(jìn)行駕駛操作訓(xùn)練。為驗(yàn)證系統(tǒng)訓(xùn)練的正確性與有效性，特聘請(qǐng)中國(guó)鐵路鄭州局集團(tuán)有限公司鄭州工務(wù)機(jī)械段搗固車駕駛員進(jìn)行實(shí)際測(cè)評(píng)。測(cè)評(píng)表明：該系統(tǒng)視覺效果逼真、沉浸感強(qiáng)，操作流程與實(shí)際流程一致；但其交互性與真車操作還有一定的差距，交互性低于采用硬件駕駛臺(tái)的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)。

4 結(jié)論

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，采用“純軟件”的形式開發(fā)了搗固車虛擬仿真駕駛系統(tǒng)，較傳統(tǒng)的模擬駕駛系統(tǒng)有著場(chǎng)景逼真、沉浸感強(qiáng)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、開發(fā)成本低、周期短的優(yōu)點(diǎn)，但其交互性與基于硬件操作臺(tái)的模擬駕駛系統(tǒng)還有一定的差距。針對(duì)其不足，進(jìn)一步研究使用Microsoft HoloLens混合現(xiàn)實(shí)設(shè)備，開發(fā)虛擬場(chǎng)景與硬件操作臺(tái)相融合的混合現(xiàn)實(shí)駕駛系統(tǒng)。系統(tǒng)中，場(chǎng)景以全息影像的方式作為真實(shí)世界的一部分（混合現(xiàn)實(shí)），支持與全息影像進(jìn)行交互，融合虛擬仿真系統(tǒng)便捷的交互性與硬件操作臺(tái)的實(shí)際操作手感，是我們進(jìn)一步研究的方向。

【參考文獻(xiàn)】

[1]程華.09-32型搗固車三維模擬駕駛培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].鐵道建筑，2011（11）：116.

[2]程伯文，鄭一力，等.基于Unity3D的林木聯(lián)合采育機(jī)虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2018，30（4）：1311.

[3]張曉曦，尹勇.基于Unity3D的工程船克令吊交互仿真設(shè)計(jì)[J].船海工程，2018，47（1）：168.

[4]史艷楠，劉建功，等.基于Unity3D的礦井提升機(jī)虛擬實(shí)訓(xùn)裝置[J].煤礦安全，

2017（03）：114.