基于多感知傳感器的虛擬電力培訓系統設計

趙 旭，陳永青，劉昊橙，李 蕊，陳開維，楊 勇，樊 蓉

(云南電網有限責任公司電力科學研究院，云南 昆明 650000)

虛擬現實(Virtual Reality,簡稱VR)技術是一種利用三維圖形生成技術、多傳感交互技術以及高分辨顯示技術，生成三維逼真的視覺、聽覺、觸覺等一體化的虛擬環境，使用者通過輸入設備和輸出設備進入虛擬空間中，成為虛擬環境的一員，采用自然的方式與虛擬環境中的物體進行實時交互、感知和操作虛擬環境中的各種對象，從而獲得身臨其境的感覺。VR具有如下特征：沉浸式；交互性；感知性。目前VR技術在電力培訓中得到了廣泛的應用，如用在電力設備運維、運行檢測、檢修作業等，并取得了較好的培訓效果。目前的虛擬培訓系統采用純虛擬過程，缺少作業動作過程中動作信息的反饋，造成體驗過程中作業動作不到位等現象，導致培訓效果不良[1-3]。

本文介紹基于多感知傳感器的虛擬電力培訓系統設計，通過對作業過程中所涉及的電力工器具和電氣設備互動點的分析，制作帶有智能定位傳感器的電力工器具和電氣設備的互動模型。作業人員在虛擬環境中通過利用互動模型可真實地感受作業動作，克服傳統虛擬培訓設備體感效果差的缺陷，達到作業技能良好培訓效果的目的。

1 作業場景構建

1.1 開關柜模型

建立模型應遵循先大后小，先簡后繁的順序，因此建模順序應該為柜體、柜門、操作按鍵、指示部件，斷路器、接地倉。

(1)首先建柜體模型(見圖1)，創建一個Box，然后將Box的長寬高按照開關柜柜體對應大小進行調整，之后右鍵點擊模型，選擇轉換為多邊形編輯，將模型轉換為多邊形。對模型按照結構進行布線，使用擠出、橋接、連接等命令對多邊形進行編輯將柜體建立完成。

(2)根據柜體模型的大小，開始建立柜門模型(見圖2)。柜門的建立方法與柜體相同，但柜門每一個都可開合，所以需要調節成獨立的物體。柜體前門要按照左側軸進行旋轉打開，還需要點擊層次——軸——僅影響軸，將每個柜門的軸心位移到柜門左側。柜體后門是拆卸式，不用對軸心進行移動。

(3)在柜門上建立操作按鍵、指示部鍵模型(見圖3)，建立方法同上。需注意操作按鍵和指示部件的每個都要為獨立物體，根據使用情況的不同，對物體的旋轉軸進行單獨調整，并且要根據物體間的關系設置層級關系。

(4) 隱藏柜門，顯示柜體，根據柜體大小建立相應的斷路器和電纜倉模型(見圖4)。

1.2 分組整理創建層級關系

模型建立完成之后，需要進行分組整理并且創建層級關系。比如將柜門設定為柜體的子物體，將柜門上的操作按鍵設定為柜門的子物體。3DMAX有層級和層次兩種排序方式，父子類和組關系應使用層次排序方式。

1.3 UVW應用

如果將所有物體的UV全部展開在一個貼圖上，貼圖的分辨率會變得很模糊，模型的細節會分辨不清，因此在模型展UV前要先將UV進行規劃，可使用3DMAX的層排序來進行整理。整理完畢后點擊命令UVW展開來展開UV。

1.4 檢查并導出模型

建模完成后，選擇物體，進入面級別，在Ribbon面板點擊選擇——按數值>4，來檢查模型是否有多邊面。檢查完畢后，再查看模型是否缺失。一切完畢后，點擊文件——導出，導出模型。

1.5 繪制貼圖

在3DMAX中，貼圖一般用默認的材質球和Vary進行調節，Vary能更好地體現出物體的細節和真實度，大部分的3DMAX場景建模所使用的都是Vary材質。但Vary材質與Unity的材質不能相互兼容，3DMAX本身的材質球沒有很高的使用性。因此，在制作貼圖時可導入到C4D，SP等軟件中。

2 互動模型構建

2.1 虛擬工器具制作

分析模型結構，開始建模。如果建模型時有曲面模型，要用平滑命令給模型加入平滑。

整理層級關系，展開模型UV。

2.2 虛擬作業模型制作

構建避雷器，避雷器需要進行拆卸替換，操作點較多，建模時需要注意，先建出避雷器模型(見圖5),再建出操作點所需的螺絲，接線頭等地方。在構建完成一個之后，使用復制命令進行復制并排列整齊。

零式電流互感器模型如圖6所示。零式電流互感器可以先用鏤空方法在Box模型中間創造一個圓柱，復制中間鏤空部分，使用法線修改器翻轉法線，刪除多余部分并進行連接。最后對整體形狀進行調節得到外形。

電纜先使用圓柱體再進行調整建出大體，用擠出修改器構建層疊結構，再使用復制并旋轉來建出傾斜模型。

3 作業動作模擬

以更換避雷器為例，描述整個多感知傳感器的體驗過程，先進入程序中的更換避雷器場景。

3.1 檢查驗電棒

驗電棒的警報裝置如圖7所示。先拿起地上的驗電棒，先用手指按壓驗電棒上端的警報按鈕，檢查驗電棒是否可以正常使用。正常狀態按壓會發出警報聲，如未發聲，進入異常處理程序，防止意外發生。

3.2 驗電

驗電位置如圖8所示。對開關柜下柜中金屬裸露部分進行驗電。

3.3 夾上接地端

把接地端加載開關柜下部金屬片上，需要夾上的位置如圖9所示。

3.4 夾上接地棒

將地上的三個接地棒依次接在黃色的裸露金屬片上，完成接地操作，如圖10所示。

3.5 更換避雷器

避雷器介紹如圖11所示。繞到開關柜后方，找到需要拆除的避雷器(中間為例)，先拆除避雷器上方固定螺絲，再拆下連接線，最后再拆下下方的固定螺絲，最后摘下避雷器。

把拆下來的零件都放在一處，拿起新的避雷器，裝上去，裝的順序正好與拆的順序相反。先放上避雷器，然后安裝下方固定螺絲，再放上連接線，最后安裝上方固定螺絲。之后摘下接地棒，接地端，關上柜門，整個更換避雷器的過程就體驗結束了。

4 結語

根據對電力工器具和電力設備作業過程中互動點的分析結果，完成對相應帶有感知傳感器的互動模型的制作。作業人員通過對互動模型的操作，實現在虛擬環境中沉浸式體驗作業動作，克服傳統虛擬培訓設備體感效果差的缺陷，達到作業技能良好培訓效果的目的。實物虛擬化技術可為今后電力作業技能培訓提供一個良好的方法。