驾驶模拟器中液压挖掘机与地形的动态交互仿真

【摘要】随着我国现代化进程的推进，工程机械被广泛应用于工程建设的各个领域。驾驶模拟器作为研究车辆性能、人－机－环境闭环系统特性的主要工具，以其经济、安全、可重复性的特点且不受时间、场地、气候条件限制，被广泛应用于交通、工程建设等事业中。工程机械驾驶模拟器不仅可为工程作业人员提供实用、安全、经济的辅助训练手段，解决工程装备实车实地驾驶训练中的油耗高、污染高、危险性高等问题，还可以用于产品设计阶段的“所见即所得”，缩短设计周期，降低研发成本。而目前，国内外的工程机械驾驶模拟器大多缺乏车辆与地形的动态交互，真实感差，无法给驾驶人员提供足够的沉浸感，形成了演示效果大于工程应用的现实。课题源于与徐工集团合作军工项目“液压挖掘机动态模拟试验系统”，以实时多体动力学及虚拟现实技术为基础，建立了系统的视景仿真引擎框架，实现了对挖掘机的动力学行为、人机交互、土壤的动态切削、土壤流动等较为真实地仿真和模拟。论文的主要内容包括：首先，在视景仿真引擎对液压挖掘机及作业环境的几何实体建模的基础上，依托实时多体动力学仿真平台Vortex实现了液压挖掘机动力学特性的真实模拟，并具有复杂碰撞检测功能。其次，在地形的真实感模拟基础上，实现了具有物理学行为的挖掘机与地形动态交互的真实感仿真。对采集自某区域的数字高程数据添加相应纹理和网格，实现了静态地形的三维可视化。为直观显示挖掘机的土方作业，采用实时优化自适应网格算法和基于GPU的纹理像素融合技术建立了动态地形区域。通过动态改变交互区域的三角形网格分辨率以及不同纹理间的融合，实现了该区域地形几何属性和非几何属性的动态改变。充分考虑挖掘机的实际作业工况，从土壤的机械力学角度出发，在Reece提出的土壤切削基本方程（FundamentalEarthmovingEquation）基础上，通过引入地形倾角、加速力和侧面摩擦力等，建立了修正的土壤动态切削方程，获得了交互作业过程中的土壤切削阻力。采用三维离散单元法模拟了土壤颗粒在土方作业过程中的流动情况，并加入粒子系统（ParticleSystem）以模拟灰尘雾效果，提高了模拟的逼真度。同时，为模拟挖掘机在动态地形软土区域行走时产生的车辙效果，系统采集了各负重轮的受力，并根据Bekker提出的压力—沉陷理论，实时计算地形的沉陷深度。最后，将系统导入到某开发型液压挖掘机驾驶模拟器平台中，并在虚拟环境中成功地进行了挖掘机的日常操作如挖方、外运、倒土等典型工况试验以及某些危险操作。采用基于实时多体动力学的整车虚拟运动仿真替代实车实地试验，实现了对挖掘机作业过程中动力学行为、人机交互等过程的实时仿真和模拟。系统环境具有逼真度高、实时性好、沉浸感强的特点，不仅可用于驾驶人员的培训操作，还可用于工程应用，为产品的受力、装配检测、运动分析等提供直观的手段。
【作者】于长志；
【导师】倪涛；
【作者基本信息】吉林大学，机械电子工程，2014，硕士
【关键词】驾驶模拟器；实时多体动力学；动态地形；土壤切削方程；离散单元法；

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