煤第４７卷第５期 ｄｏｉ：１０．１ １７９９／ｃｅ２０１５０５０４２ 炭工程 Ｖｏ１．４７．Ｎｏ．５ ＣＯＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ 物理引擎技术在履带式车辆仿真训练 系统中的应用 王大虎，陈文博，史艳楠 （河南理工大学电气工程与自动化学院，河南焦作４５４０００） 摘要：为了解决现有煤矿机械设备仿真训练系统真实性不高的现状，以及难以使操作者产 生沉浸感的问题。以ＥＢＨ一１２０型综掘机为例，提出了一种基于物理引擎的履带式车辆运动模拟 方法。该方法通过３ｄｓ Ｍａｘ建立综掘机与掘进巷道场景等的三维模型，Ｎｅｗｔｏｎ物理引擎进行刚体 动力学设计，应用Ｑｕｅｓｔ３Ｄ虚拟现实软件开发了一套履带式车辆仿真训练系统。使用结果表明： 该仿真训练系统能使操作者产生较强的沉浸感，有效改善了以往系统因真实性不足导致的培训效 率不高的缺点，在煤矿培训领域有很强的应用前景。 关键词：物理引擎；动力学；虚拟现实；沉浸感 中图分类号：ＴＰ３９１．９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１—０９５９【２０１５）Ｏ５＿（）１３１－０３ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｅｎｇｉｎｅ ｉｎ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｔｒａｉｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｔｒａｃｋｅｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ ＷＡＮＧ Ｄａ—ｈｕ，ＣＨＥＮ Ｗｅｎ—ｂｏ，ＳＨＩ Ｙａｎ—ｎａｎ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｉｒｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｈｅｎａｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉａｏｚｕｏ ４５４０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｕｎｓａｔｉｓｆｙｉｎｇ ｆｉｄｅｌｉｔｙ ｏｆ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｔｒａｉｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ ｍａｃｈｉｎｅｒｙ，ｈａｒｄｌｙ ｐｒｏｖｉｄｉｎｇ ａｎｙ ｓｅｎｓｅ ｏｆ ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｔｒａｉｎｅｅ，ｔａｋｉｎｇ ＥＢＨ一１２０ ｒｏａｄ ｈｅａｄｅｒ ａｓ ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ，ａ ｍｏｔｉｏｎ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｐｈｙｓｉｃｓ ｅｎｇｉｎｅ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｗｈｉｃｈ ａｐｐｌｉｅｄ ３ｄｓ Ｍａｘ ｆｏｒ ３Ｄ ｍｏｄｅｌ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔ ａｎｄ Ｎｅｗｔｏｎ ｐｈｙｓｉｃｓ ｅｎｇｉｎｅ ｆｏｒ ｄｙｎａｍｉｃ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ａ ｔｒａｃｋｅｄ ｖｅｈｉｃｌｅ ｔｒａｉｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｒｅａｌ ｐｈｙｓｉｃｓ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｗａｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｑｕｅｓｔ３Ｄ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ，ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ｔｈｅ ｔｒａｉｎｅｅ ｓｔｒｏｎｇ ｓｅｎｓｅ ｏｆ ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ，ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｆｉｄｅｌｉｔｙ ａｎｄ ｔｒａｉｎｉｎｇ ｅｆｉｃｉｆｅｎｃｙ ｗｅｒｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｈｙｓｉｃｓ ｅｎｇｉｎｅ；ｄｙｎａｍｉｃｓ；ｖｉｒｔｕａｌ ｒｅａｌｉｔｙ；ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ 虚拟现实作为一种以计算机技术为核心的新兴技术， 其特点集中表现在“身临其境”的真实性，在航空航 天 、铁路交通 Ｊ、工农业生产 等领域有着广泛应用。 该系统真实模拟了整个塔机的动力学特性，特别是绳索吊 装的摇摆特性，但整体设计较为复杂，操作人员在培训时 难以快速上手。吉林大学以液压挖掘机为对象，通过 Ｍｕｈｉｇｅｎ Ｃｒｅａｔｏｒ建模工具和ＯｐｅｎＧＬ图形图像接口，设计了 液压挖掘机视景仿真系统 Ｊ。这套系统渲染出的图像真实 感强，但是由于没有用物理引擎进行动力学模拟，学员在 煤矿生产由于其工作环境和操作对象的特殊性，虚拟现实 技术在煤矿机械设备培训方面也有广泛应用 ］。综掘机是 煤矿巷道掘进的主要设备，安全高效的操作是提高成巷速 度的重要方面。 操作时沉浸感不强，学习效率不高。 本文首先简述了Ｑｕｅｓｔ３Ｄ虚拟现实软件以及其集成的 Ｎｅｗｔｏｎ物理引擎，并分析了履带式车辆的工作原理。之后 物理引擎是虚拟现实技术的重要组成部分，其作用是 对虚拟场景中的所有物体的进行动力学特性模拟。中联重 科公司提出了一种基于Ｖｏｒｔｅｘ物理引擎和ＯＳＧ图形引擎的 阐述了以ＥＢＨ一１２０型综掘机为例的仿真系统设计方案， 该方案结合３ｄｓ Ｍａｘ建模软件和Ｎｅｗｔｏｎ物理引擎对各部件 建模和仿真方法，开发了一套塔式起重机模拟仿真系统 ］。 收稿日期：２０１４—０６—１６ 基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１２７４０８８） 作者简介：王大虎（１９６９一），男，江苏徐州人，副教授，博士，从事虚拟现实技术方面的科研工作，Ｅ—ｍａｉｌ：ｓ ｌａ＠ ｖｉｐ．ｑｑ．ｃｏｍｏ 引用格式：王大虎，陈文博，史艳楠．物理引擎技术在履带式车辆仿真训练系统中的应用［Ｊ］．煤炭工程，２０１５，４７ （５）：１３１—１３３． １３１ 煤炭工程 ２０１５年第５期 的物理特性进行真实的模拟。最后验证了开发出的履带式 车辆仿真训练系统，该系统真实还原了综掘机的各部件动 力学特征，具有较强的真实感。 的驱动速度，ｍ／ｓ。 ３系统开发流程 该仿真训练系统主要功能是模拟井下掘进巷道的真实工 作场景，通过操作ＥＢＨ一１２０型综掘机的仿真训练系统，学 １ Ｑｕｅｓｔ３Ｄ虚拟现实软件与Ｎｅｗｔｏｎ物理引擎 Ｑｕｅｓｔ３Ｄ是荷兰Ａｃｔ一３Ｄ公司开发的一款功能强大的虚 拟现实软件，以其效果强大等特点而被众多虚拟现实系统 采用。由于其底层架构是基于微软ＤｉｒｅｃｔＸ的，所以具有很 强的平台通用性。在Ｑｕｅｓ￣Ｄ中，通过其独创的通道式 （Ｃｈａｎｎｅ１）编程方式，开发者不需要编写大量代码，就能实 习综掘机的操作方法和井下操作规程。结合基于Ｑｕｅｓｔ３Ｄ的 虚拟现实系统的开发特点 ，具体开发流程如图１所示。 现较为复杂的功能，通过ＱｕｅｓＤＤ的实时运算环境，不需 要编译就能看到实时的结果，方便开发人员修改 Ｊ。 物理引擎的工作流程就是对图形渲染的每一帧进行物 理模拟，再对具有物理特性的物体进行状态与受力分析； 通过碰撞检测，找出运动物体之间的约束信息，应用牛顿 力学原理计算出每个物体的位移和速度，从而更新物体的 位置和旋转信息，从而得到新的图像输出。常见的物理引 擎有很多，著名的物理引擎有Ｈａｖｏｋ、ＰｈｙｓＸ、ＯＤＥ、 Ｎｅｗｔｏｎ以及Ｂｏｘ２Ｄ等。Ｎｅｗｔｏｎ物理引擎是一个跨平台的开 源物理引擎，能够提供精准的物理环境的实时仿真，例如 碰撞检测、动态行为管理和场景管理等。 Ｑｕｅｓ￣Ｄ中集成了Ｎｅｔｗｏｎ物理引擎，除基本功能外还 带有复杂的机械装置，包括如球窝关节、铰链关节、滑块 关节和发动机等，并且支持非刚体的物理属性，例如柔体。 Ｑｕｅｓ￣Ｄ中有专门的一整套通道，位于物理模版分支下，用 户通过其所属的通道调用就能实现各种功能。Ｎｅｗｔｏｎ物理 引擎支持大规模、高效的物理运算，通过对对象属性的动 量、扭矩或弹性等的模拟，可以在计算一些复杂运动时得 到更加真实的结果，同时降低编程的困难程度。 ２综掘机的动力学分析 综掘机是用于开凿平直地下巷道的综合机械化掘进机 器 ，主要由行走部件、Ｔ作部件、装运部件和转载部件 等组成，整个机器包含电气、液压、喷雾等系统，运动方 式复杂。这里以综掘机行走部件的工作原理为例，通过适 当的近似和简化，在ＱｕｅｓｌｆＤ中通过Ｎｅｗｔｏｎ物理引擎进行 模拟实现 …。 行走机构是电机驱动履带行走的装置，主要由履带， 行走减速器，电机，履带张紧装置等组成。其行走的原理 是驱动电机通过减速器实现降速，然后带动驱动轮转动再 由驱动轮带动履带使支撑面与地面相互作用产生牵引力。 牵引力通过克服运行内阻力、转弯阻力、传动损失等运动 阻力，推动综掘机前进。 当两条履带的牵引力不同时，就会使综掘机按照一定 的规律转弯，转向半径的表达式如下： Ｒ： ×昙 （１） Ｕ２一 一 Ｚ 式中，Ｂ为两履带的轨距，ｍ； 。、 分别为两条履带 】３２ 图１系统开发流程 １）收集资料阶段主要包括收集综掘机相关结构与操作 规程资料，Ｑｕｅｓ￣Ｄ编程相关资料，Ｎｅｗｔｏｎ物理引擎相关资 料。 ２）根据仿真系统的设计目的，确定具体要实现的功 能，例如综掘机的行走，切割臂等运动机构的运动。结合 综掘机具体的工作流程和操作规程，为仿真操作系统添加 具体学习内容，使操作者感同身受，高效高质地接受培训。 ３）系统开发阶段是开发该系统的重点。首先通过３ｄｓ Ｍａｘ建立包括综掘机各个部件的模型，以及掘进场景的相 关模型。在模型制作完毕并导人到Ｑｕｅｓｔ３Ｄ后，通过 Ｎｅｗｔｏｎ物理引擎给每个物体定义物理特征，并在物体联接 处添加关节。最后在Ｑｕｅｓ￣Ｄ中编写程序，实现设计内容。 ４）在系统基本功能实现后，对设计功能逐个测试，检 查程序漏洞。 ５）最后将开发完成的系统通过ＱｕｅｓｌｆＤ发布， ＱｕｅｓＯＤ支持包括Ｅｘｅ文件、ＱｕｅｓＯＤ播放器文件或者网页 插件等多种发布形式，方便用户的多种需求。 ４综掘机的动力学模拟 ４．１ 履带板三维模型制作 根据方案设计中所叙述，首先要制作履带板的三维模 型。出于虚拟现实系统的实时性，为保证系统的流畅性和 降低对计算机硬件的需求，在表现对象重点特征的前提下， 制作的模型应尽量简化。将３ｄｓ Ｍａｘ中制作好的一节履带 模型导入到Ｑｕｅｓ￣Ｄ中，通过动画面板显示的效果图和线 框图如图２所示。 ４．２履带板物理特征添加 在Ｑｕｅｓ￣Ｄ中，Ｎｅｗｔｏｎ物理引擎的核心是Ｎｅｗｔｏｎ Ｂｏｄｙ Ｃｈａｎｎｅｌ即牛顿刚体通道，其下的子通道能确定刚体的碰撞 模型、材质和位置等物理特征。使用Ｎｅｗｔｏｎ Ｂｏｄｙ通道和 Ｎｅｗｔｏｎ Ｃｏｌｌｉｓｉ０ｎ Ｇｅｏｍｅｔ￣中的Ｃｏｎｖｅｘ Ｈｕｌｌ通道，将模型的 物理碰撞模型定义为一个重心为几何中心的最大包裹碰撞
