基于Virtools牙輪鉆機可視化仿真系統開發

李 偉

(太原重工股份有限公司，山西 太原 030024)

0 前言

虛擬現實技術也稱人工環境，是一項綜合集成技術。利用計算機生成與現實環境真實逼真的虛擬環境，用戶可以在此環境中，基于聲音、視覺等效果，達到身臨其境的效果。Virtools是一款非常優秀的、并大量應用于游戲領域的三維交互軟件。它將3D的模型、2D圖形、音效等虛擬視景元素整合在一起。Virtools的圖形化編程語言，只需拖動Building Block行為模塊即可構建優秀的三維交互系統。

本論文是基于Virtools平臺完成可視化仿真平臺的開發。通過應用可視化仿真平臺模擬牙輪鉆機的裝配與工作過程，可實現在設計階段對產品的視覺效果和安裝進行評估和預演，有效降低設計和施工風險，減少安裝過程中出現的錯誤，節省時間和人力；同時，可較真是的展現產品的工作環境和工作過程，對于產品在投標報價、產品展示及產品宣傳方面，起到非常重要的作用。

1 模型建立

在Virtools仿真平臺中，模型構建過程主要有三個部分：創建模型、導入模型與控制模型。其中，導入模型時，應對所創建的三維模型進行紋理貼圖、燈光設置以及材質顏色設置等處理，使模型及環境更接近真實；而控制模型是通過Virtools自帶的各種行為模塊(BB模塊)來實現，如移動、旋轉、復制、碰撞檢測等操作，從而實現對模型的各種控制。

Virtools 5.0軟件采用模塊化的編程語言編寫交互控制程序，在需要交互控制的模型上建立腳本(Script)，并在腳本流程圖中添加所需的BB模塊進行連接，就可以實現模型的各種操作，如平移、旋轉等。

在牙輪鉆機可視化平臺開發時，首先，應用專業三維建模軟件NX，建立牙輪鉆機三維模型，并將牙輪鉆機的三維模型導入3D-MAX中，進行紋理貼圖、燈光設置以及材質顏色設置等，然后將所有模型集成導入Virtools平臺。

本文通過將Virtools中行為模塊添加到具體的牙輪鉆機三維模型上，然后在腳本(Script)中編輯不同的參數，從而實現對牙輪鉆機的運動控制，構建一個逼真的可視化仿真平臺。

2 牙輪鉆機可視化仿真平臺開發

牙輪鉆機可視化仿真平臺主要功能是實現牙輪鉆機的虛擬裝配和虛擬運動仿真。該平臺主要包括操作說明、功能介紹和虛擬演示模塊。其中虛擬演示模塊中包括虛擬裝配與虛擬運動仿真功能模塊。

2.1 虛擬裝配仿真系統開發

牙輪鉆機虛擬裝配仿真系統主要是完成對牙輪鉆機各部件按照一定的順序進行重組或者分解。重點涉及到的是各部件陣列的建立、牙輪鉆機各部件初始坐標以及分解后坐標的獲取、如何進行恢復初始狀態。其流程圖如圖1所示。

圖1 虛擬裝配流程圖

首先，使用Virtools的BB模塊編程實現牙輪鉆機各部件的坐標變換。在Virtools中建立“牙輪鉆機”陣列，存儲牙輪鉆機各部件的初始坐標和分解坐標位置；然后，獲取牙輪鉆機各部件的初始坐標位置并復制裝配參考對象，通過貝塞爾曲線函數將牙輪鉆機各裝配部件從分解坐標位置漸進移動到初始坐標位置，并發送消息。

實際零部件裝配過程中，零部件的相對位置是通過裝配人員判斷其是否到達實際安裝位置。同時，由于牙輪鉆機的各部件是不能互相穿越的。所以，應該為牙輪鉆機各部件添加碰撞檢測功能，這樣，零部件就無法互相穿越。因此，在腳本設計中加入Collision行為模塊，實現碰撞檢測功能。其碰撞檢測腳本如圖2所示。

圖2 碰撞檢測腳本

2.2 虛擬運動仿真系統開發

牙輪鉆機運動過程仿真是對牙輪鉆機在實際工作環境中的工作過程進行模擬仿真。其工作過程如圖3所示。

圖3 牙輪鉆機運動過程

根據牙輪鉆機的工作特點，其運動過程可分為調平千斤頂運動、鉆架運動和鉆桿運動三部分。由圖3可知，牙輪鉆機到達工作位置時，通過四個液壓油缸的移動來模擬調平千斤頂的調平運動，應用Virtools的碰撞檢測功能，當調平千斤頂與地面發生碰撞時，千斤頂停止運動，并向運動仿真系統發送消息。然后，鉆架開始運動，通過實時獲取鉆架繞回轉中心點轉動角度值，判斷鉆架是否到達工作位置，從而模擬鉆架0°到工作位置的起升運動(其運行腳本如圖4所示)；當鉆架上升到工作位置時，運動仿真系統接收到反饋信息，鉆桿開始工作；當鉆桿進行鉆進運動，仿真系統檢測到鉆桿長度不夠時，進行換桿動作。

圖4 調平千斤頂與鉆架運行腳本

3 結論

本文利用NX、3Ds Max和Virtools交互技術構建的可視化仿真平臺，具有仿真程度高、交互性能好、語言簡單的優點。同時，也存在一些不足需要進一步加強，如實景仿真系統地形單一、仿真模型逼真度(燈光、紋理、陰影等)尚需進一步完善。

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