基于Unity3D的挖掘機搶險救災全景模擬訓練平臺設計

段克軍，丁明來，房秋怡

（武警士官學校機械系，浙江 杭州 311400）

搶險救災是武警部隊的重要職能任務之一，挖掘機操作在執行任務中發揮了巨大的作用，為了提高執行任務的能力，減少執行任務中的傷亡，武警部隊官兵需要經常性開展搶險救災模擬演練。但是在挖掘機的搶險救災模擬演練中存在以下問題：受實際訓練場地、時間及氣候等因素影響較大，訓練效率低；在訓練時對挖掘機的損傷大，影響挖掘機的整體性能和使用壽命，對機手和教練的安全帶來風險；油耗較大，成本高，培訓周期長[1，2，3]。

針對挖掘機操作訓練中存在的上述問題，本文基于Unity3D技術，設計并開發了某型挖掘機搶險救災全景模擬訓練平臺。該平臺以部隊列裝使用的某型挖掘機為原型，系統集成了理論教學、理論考試、實操練習、實操考核四個模塊，可以實現“從入門到精通”的學習訓練效果。該平臺的開發成功，為該型挖掘機的教學訓練提供了一種新的有效手段[4，5]。

1 需求分析

該平臺是為了滿足武警部隊挖掘機培訓教學需要而開發的，為了保證訓練的權威性和訓練質量，提高訓練的安全性、經濟性，擬定以下設計要求：（1）人機界面友好，可靠性高，便于操作。（2）訓練科目豐富、仿真度高，具有基礎駕駛、挖斗練習、搶險救災等功能，能夠滿足部隊訓練教學需求。（3）能夠實現全景視角和駕駛室視角的切換。（4）能模擬鏟斗在挖掘過程中土壤表面的變化、卸土時土壤的灑落過程、土壤溢出裝土車外過程。（5）具有碰撞檢測功能，發現錯誤操作及時給出警告。（6）系統造價低，易于部隊裝備[1]。

2 總體構成

模擬訓練平臺主要由操控平臺、軟件平臺、顯示輸出平臺三大部分組成。

操控平臺按照某型挖掘機駕駛室1∶1制作，操作手柄、踏板、座椅等均與真實挖掘機完全一致，有利于提高訓練的真實性。

軟件平臺由模擬訓練軟件和軟硬件運行環境組成。模擬訓練軟件包括理論教學、理論考試、實操練習、實操考核四大模塊。軟硬件環境是指運行模擬訓練軟件必需的電腦硬件、操作系統等。

顯示輸出平臺由顯示輸出設備、顯示輸出設備接口組成。顯示輸出設備可選用電腦液晶屏或環幕投影設備，顯示輸出設備接口可選用專業的多屏輸出設備或支持多屏輸出的電腦顯卡[2]。

3 平臺系統設計

3.1 操控平臺設計

操控平臺采用某型挖掘機駕駛室1∶1制作，并根據需要進行部分改裝。該型挖掘機真實駕駛室機械部分主要由駕駛室底盤、駕駛室殼體、座椅、操縱手柄、行走踏板/手動桿、信息儀表盒、安全鎖、空調等組成。考慮到模擬訓練平臺安裝于室內，所以不需要安裝駕駛室殼體、空調以降低模擬訓練平臺重量和成本，其他部件直接采用原廠配件，以獲得最佳的操縱效果。由于真機操作手柄和行走踏板均采用液壓先導閥方式工作，輸出的是液壓信號，無法與軟件平臺對接，必須改裝為可輸出電信號的操縱傳感器。設計結果如圖1所示。

圖1 操控平臺

3.2 軟件設計

在軟件系統中主要使用3D MAX來進行三維實體模型的建立，采用Unity3D面和框架進行搭建，在Unity3D平臺上編寫模擬訓練程序[6，7]。

環境模擬：場景環境搭建主要在3D MAX、Unity3D中進行，Unity3D主要對環境的花草樹木、地形、環境光、水等自然物體進行創建和渲染，Unity3D具有強大的地形編輯器，開發者可以在場景中快速創建數以千計的樹木、地表巖石還有無數的草坪，3D MAX主要對環境中的人工物體如建筑物、角色等進行建模。

挖掘機動作實現：挖掘機動作主要由兩個軟件來實現。挖掘機在3D MAX中進行建模和實現履帶運動，使用IK反向動力學實現大小臂聯動。

挖掘機代碼控制：此部分工作主要是在Unity3D中完成，在Unity3D中通過C#編程語言寫出程序代碼實現挖掘機在虛擬環境中的基本運動。

根據需求分析，該平臺軟件系統包括理論教學、理論考試、實操練習、實操考核等四大模塊，功能結構框圖如圖2所示。

圖2 軟件結構框圖

各模塊的功能介紹如下：

1）理論教學模塊。包括圖片、文字、視頻三種形式，其中“圖片”采用9頁54輻漫畫形式對安全注意事項進行教學，“文字”采用2頁文字對挖掘機安全操作規程進行教學，“視頻”通過18條錄像的形式對操作要領和注意事項進行教學，如圖3所示。

圖3 理論教學模塊

2）理論考試模塊。主要考查對挖掘機操作規范和安全注意事項的掌握情況，如圖4所示。

圖4 理論考試模塊

3）實操練習模塊。如圖5所示，將挖掘機常用的操作技能分解為駕駛和挖斗練習，在熟練掌握操作要領后，重點練習搶險救援項目。搶險救援項目主要針對武警部隊執行的泥石流救援和地震救援任務進行訓練，如圖6～圖7所示。

圖5 實操練習模塊

圖6 泥石流救援

圖7 地震救援

4）實操考核模塊通過“駕駛停放”、“跨越障礙”、“裝車作業”、“上下坡跨越障礙”四個科目來考查學員對挖掘機操作技能的掌握情況，如圖8所示。

圖8 實操考核模塊

3.3 顯示輸出平臺設計

在操控平臺設計和軟件設計中實現了駕駛室視角和全景視角的切換，如圖9所示。為了使顯示輸出平臺與操控平臺尺寸匹配，直接采用42寸液晶顯示屏。

圖9 視角切換功能

3.4 整體設計

操作手柄、踏板、座椅、點火開關等均采用與真機一致的產品，配置42寸液晶顯示屏、PC主機、PLC控制電路板（PL2303）、速度控制旋鈕，為方便移動和停放，平臺下部安裝四個萬向輪和四個支腿。模擬訓練平臺整體安裝如圖10所示。

圖10 模擬訓練平臺整體圖

4 訓練案例

以實操考核中“跨越障礙”科目為例，詳細介紹操作過程。

考核界面如圖11所示，學員通過小鍵盤輸入身份證號碼或者輸入18個“0”進入。

圖11 考核界面

利用主操作桿選擇“跨越障礙”，按“確定”鍵進入，如圖12、圖13所示，左上角顯示考核科目和已用時間。

圖12 選擇“跨越障礙”

圖13 進入考核

啟動挖掘機，頁面左上角顯示“碰撞次數”，將挖掘機行駛至坑溝邊緣，如圖14所示。

圖14 啟動并行駛

把前臂伸到坑溝的另一邊，并用挖斗背貼住地面，然后繼續前進，直到履帶跨越坑溝兩側，如圖15所示。

圖15 履帶跨越坑溝

然后回轉機身，把大臂旋轉至坑溝的另一端，如圖16所示。

圖16 回轉機身

用挖斗背抵住地面，然后繼續沿初始的方向前進，如圖17所示。

圖17 繼續前進

將挖掘機停放在指定位置，如圖18所示。

圖18 正確停放

考核結束，點擊功能按鈕上“返回”鍵，用主操作桿選擇“確定”選項，按下功能按鈕上“確定”鍵，如圖19所示。

圖19 考核結束

系統根據操作過程中的錯誤次數和用時自動評定本次考核成績，如圖20所示。

圖20 評定成績

5 結束語

本文根據挖掘機搶險救災全景模擬訓練平臺的設計要求，基于Unity3D技術，詳細介紹了設計過程。本文設計的模擬訓練平臺具有無風險、低成本、無環境條件制約、訓練科目豐富、仿真度高等優點。根據兩屆學員的使用效果來看，利用該模擬訓練平臺，可使操作者在安全的環境下熟悉挖掘機的操作，無時間限制，可完成地震救援和泥石流救援的訓練，可顯著節約訓練成本、提高訓練效果。