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摘要：工程机械的高学习成本及高危作业方式，该项目将虚拟仿真作为教学项目的研究对象。本文阐述了基础模型构建和仿真系统的构建方式，为相关仿真实验制作提供方向。
关键词：虚拟仿真;工程机械;教學实践;虚拟实验;三维建模
中图分类号：TP311 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2019）31-0267-02
挖掘机虚拟驾驶视觉仿真器为安全教育和驾驶训练提供一个良好的平台。在成本上和风险承担上大大减轻了驾驶训练者和教育机构的负担。采用虚拟仿真实现挖掘机的虚拟驾驶，具有安全、环保和不受时间、天气等限制的特点。同时需要借助相关的图形学、动力学仿真、网络技术分别应用于驾驶仿真器的部分，并清晰地展露了较大空间的使用前景。
1虚拟仿真实验环境的构建
1.1仿真环境的三维建模
挖掘机虚拟仿真实验中涉及大量的三维模型，由于模型构建在系统中的资源占用程度较高，为了减轻开发过程工作量，借助3DsMax或其他三维建模软件，完成构建和优化。
仿真实验讲究真实性，由于和跟现实生活相关的特性，所以制作的模型不能有违常理，在制作的过程中需要充分把握物体的客观表现，真实的还原。因此，在开始制作模型之前，采集现实物体的图片作为参考图，做足够的调研或考察，对于细节的刻画拍摄越精细越好，以便后期制作的呈现更准确。嘲实地考察挖掘机的机械结构，根据其外形特点对挖掘机进行大体块划分，如分为：动臂、斗杆、铲斗、转台、驾驶室、履带、驱动轮等。通过3DMax建模软件进行简单的Box堆叠，不需要对各种细节进行刻画，有助于把握整体结构特征。
如表1示，通过3D手绘建模与次世代建模的对比可以看出，次世代的建模流程相对传统3D手绘过程步骤复杂。传统3D手绘为了节省系统资源，只制作低模，以达到用最少的面表现较好的效果。为了逼真的还原效果，采用次世代建模方式，模型的初始制作需先建立高模，后进行细分高模，制作低模，从而可以让程序占用资源少但效果相差无几。“最重要的步骤是利用高模烘焙的法线贴图回贴到低模上，这一方法流程能有效减少因为高模三角面过多资源占用过载的问题，同时使得在开发引擎中的低模显示效果和高模一致，满足实现效果。
1.2三维模型重构
由于在3DMAX中创建的3D模型导入Uni-ty3D会产生坐标错位、材质和模型无法独立、比例出错的问题，故需针对这三方面的问题进行模型重构，常见重构方法如下：
1）工程机械三维模型x轴向偏转重构
Unity3D和3DMax采用的是分别是左、右手坐标系，所以基于3DMax的模型导入Unity3D后，x轴会自动偏转270度。在项目制作过程中需要重复调整模型的角度，给工程实现带来一定的困难，为了加快开发速率，在模型导出时选择导出为.3Ds，模型的坐标就会保持一致。
2）工程机械三维模型材质和部件重构
制作好的.FBX或.3Ds模型导入到Unity 3D过程中都会丢失材质，但Unity 3D会自动创建相应材质的材质球，将材质球赋给模型即可。在模型制作过程中尽量采用Box组合方式，便于可操作机械结构在代码编程的过程中拆解为组件，才可以正常的让装置移动、转动。
3）工程机械三维模型的缩放重构
在默认情况下，Unity3D中的一单位是FBX文件中的一单位的一百倍，所以需要适当地在3DMax中调整三维模型的比例大小，同时要让模型在场景中居中，使得导人物体的重心位置正确。
1.3次世代贴图技术
传统的贴图技术采用二维图片平铺在三维模型上，对性能要求较低，完全可以满足一般的应用场景，但由于缺乏立体效果，模型效果不真实。所以采用高质量的次世代中贴图，贴图中包含颜色、高度、光线与法线角度等一系列模型信息，贴图类型一般包括了法线贴图、漫反射贴图、高光贴图（Specular Map）、凹凸贴图、自发光贴图、环境闭塞贴图，组合而成一整套贴图。
由于贴图的不同性质，不是所有的模型都需要以上全部贴图，在最基本、并节省资源的情况下至少需使用法线、漫反射、高光贴图才能够真正地表现出较高的视觉效果。在3DMax中制作完成的高模或者低模经烘焙后，输出格式为FBX文件，利用ZBrush雕刻工具可进行细节雕琢，制作漫反射贴图，使模型的还原度更高。
1.4虚拟仿真实验平台搭建
利用Unity3D的地形工具在场景中建立不同地形场景。工程机械由的各个组成部分，能够进行操作的属于工作装置，每一部分需要在模型导入Unity后进行组合，以便编写程序对各个模型部分的引用。
挖掘机虚拟仿真框架构建如图1所示，在用户进入实验后，初始化数据，等待用户进行操作作为输入数据，输入数据经过输入核心进行数据处理后，传人Controller控制器，Controller控制器中包含了挖掘机的初始状态、大小臂操作杆的位置、铲斗操作杆的位置、上部转机操作杆的初始位置、车辆所处位置等信息，调整对应参数，数据分类后交由Model模型，Model模型中包含作业管理器、物理系统、音频管理器、场景系统、uI管理器，由已经封装好的方法对数据进行处理，挖掘机会在View视图中显示大小臂的移动、铲斗的挖掘、车辆数据信息、进行相应的移动、转向等动作，用户得到反馈后可进行下一操作。
2挖掘机仿真实验内容
挖掘机仿真实验平台的实验内容以挖掘机的操作实践操作为主，同时还可以兼顾传统教学，充分发挥虚拟仿真平台的优势。将系统分为五个部分，分别为仿真训练、文字资料、图片资料、影视资料、理论考核。
同时，为了满足不同训练的需求，仿真项目提供了20吨和6吨两种不同型号的挖掘机供训练者选择。进入训练后，根据实际的操作内容进行场景选择，分别为上下坡道、挖土用方、装车作业、找平作业、挖沟作业、上下板车、破碎作业、掉管回填、刷坡作业共九个作业场景。文字资料、图片资料以及影视资料作为辅助学习资料，理论考核中包含理论基础和操作判断内容，检测学习者知识掌握隋况。
2.1挖掘机输入操作模块
挖掘机仿真实验平台采用了多平台输入方式，InputCore中对不同平台数据进行处理，提供了单片机、操作杆、远程遥控三种APT可供使用，InputDataRaw中保存原数据，InputDataNornlal将获取的原数据进行标准化，根据不同类型的设备完成数据映射。
为了保证训练过程充分有效，每一个作业项目斗必须按照相应的流程进行操作，对挖掘机的位置、大臂张合角度、小臂张合角度、铲斗张合角度、斗齿位置、行驶速度、转台旋转角度等、数据进行封装，在操作流程中，安全检测模块监测各项数据，在训练过程中出现操作不当、位置错误后给出相关提示信息，以便训练者明白操作错误原因，达到训练效果。
3结束语
采用虚拟仿真技术模拟挖掘机工程机械的实验教学操作，训练者可在单位时间内有效的学习驾驶技术，对于工程车辆学习和职业教育有很大的帮助。然而，该系统的功能比较单一，还需要通过更深层次的开发，才能更好地发挥仿真实验的作用。
关键词：虚拟仿真;工程机械;教學实践;虚拟实验;三维建模
中图分类号：TP311 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2019）31-0267-02
挖掘机虚拟驾驶视觉仿真器为安全教育和驾驶训练提供一个良好的平台。在成本上和风险承担上大大减轻了驾驶训练者和教育机构的负担。采用虚拟仿真实现挖掘机的虚拟驾驶，具有安全、环保和不受时间、天气等限制的特点。同时需要借助相关的图形学、动力学仿真、网络技术分别应用于驾驶仿真器的部分，并清晰地展露了较大空间的使用前景。
1虚拟仿真实验环境的构建
1.1仿真环境的三维建模
挖掘机虚拟仿真实验中涉及大量的三维模型，由于模型构建在系统中的资源占用程度较高，为了减轻开发过程工作量，借助3DsMax或其他三维建模软件，完成构建和优化。
仿真实验讲究真实性，由于和跟现实生活相关的特性，所以制作的模型不能有违常理，在制作的过程中需要充分把握物体的客观表现，真实的还原。因此，在开始制作模型之前，采集现实物体的图片作为参考图，做足够的调研或考察，对于细节的刻画拍摄越精细越好，以便后期制作的呈现更准确。嘲实地考察挖掘机的机械结构，根据其外形特点对挖掘机进行大体块划分，如分为：动臂、斗杆、铲斗、转台、驾驶室、履带、驱动轮等。通过3DMax建模软件进行简单的Box堆叠，不需要对各种细节进行刻画，有助于把握整体结构特征。
如表1示，通过3D手绘建模与次世代建模的对比可以看出，次世代的建模流程相对传统3D手绘过程步骤复杂。传统3D手绘为了节省系统资源，只制作低模，以达到用最少的面表现较好的效果。为了逼真的还原效果，采用次世代建模方式，模型的初始制作需先建立高模，后进行细分高模，制作低模，从而可以让程序占用资源少但效果相差无几。“最重要的步骤是利用高模烘焙的法线贴图回贴到低模上，这一方法流程能有效减少因为高模三角面过多资源占用过载的问题，同时使得在开发引擎中的低模显示效果和高模一致，满足实现效果。
1.2三维模型重构
由于在3DMAX中创建的3D模型导入Uni-ty3D会产生坐标错位、材质和模型无法独立、比例出错的问题，故需针对这三方面的问题进行模型重构，常见重构方法如下：
1）工程机械三维模型x轴向偏转重构
Unity3D和3DMax采用的是分别是左、右手坐标系，所以基于3DMax的模型导入Unity3D后，x轴会自动偏转270度。在项目制作过程中需要重复调整模型的角度，给工程实现带来一定的困难，为了加快开发速率，在模型导出时选择导出为.3Ds，模型的坐标就会保持一致。
2）工程机械三维模型材质和部件重构
制作好的.FBX或.3Ds模型导入到Unity 3D过程中都会丢失材质，但Unity 3D会自动创建相应材质的材质球，将材质球赋给模型即可。在模型制作过程中尽量采用Box组合方式，便于可操作机械结构在代码编程的过程中拆解为组件，才可以正常的让装置移动、转动。
3）工程机械三维模型的缩放重构
在默认情况下，Unity3D中的一单位是FBX文件中的一单位的一百倍，所以需要适当地在3DMax中调整三维模型的比例大小，同时要让模型在场景中居中，使得导人物体的重心位置正确。
1.3次世代贴图技术
传统的贴图技术采用二维图片平铺在三维模型上，对性能要求较低，完全可以满足一般的应用场景，但由于缺乏立体效果，模型效果不真实。所以采用高质量的次世代中贴图，贴图中包含颜色、高度、光线与法线角度等一系列模型信息，贴图类型一般包括了法线贴图、漫反射贴图、高光贴图（Specular Map）、凹凸贴图、自发光贴图、环境闭塞贴图，组合而成一整套贴图。
由于贴图的不同性质，不是所有的模型都需要以上全部贴图，在最基本、并节省资源的情况下至少需使用法线、漫反射、高光贴图才能够真正地表现出较高的视觉效果。在3DMax中制作完成的高模或者低模经烘焙后，输出格式为FBX文件，利用ZBrush雕刻工具可进行细节雕琢，制作漫反射贴图，使模型的还原度更高。
1.4虚拟仿真实验平台搭建
利用Unity3D的地形工具在场景中建立不同地形场景。工程机械由的各个组成部分，能够进行操作的属于工作装置，每一部分需要在模型导入Unity后进行组合，以便编写程序对各个模型部分的引用。
挖掘机虚拟仿真框架构建如图1所示，在用户进入实验后，初始化数据，等待用户进行操作作为输入数据，输入数据经过输入核心进行数据处理后，传人Controller控制器，Controller控制器中包含了挖掘机的初始状态、大小臂操作杆的位置、铲斗操作杆的位置、上部转机操作杆的初始位置、车辆所处位置等信息，调整对应参数，数据分类后交由Model模型，Model模型中包含作业管理器、物理系统、音频管理器、场景系统、uI管理器，由已经封装好的方法对数据进行处理，挖掘机会在View视图中显示大小臂的移动、铲斗的挖掘、车辆数据信息、进行相应的移动、转向等动作，用户得到反馈后可进行下一操作。
2挖掘机仿真实验内容
挖掘机仿真实验平台的实验内容以挖掘机的操作实践操作为主，同时还可以兼顾传统教学，充分发挥虚拟仿真平台的优势。将系统分为五个部分，分别为仿真训练、文字资料、图片资料、影视资料、理论考核。
同时，为了满足不同训练的需求，仿真项目提供了20吨和6吨两种不同型号的挖掘机供训练者选择。进入训练后，根据实际的操作内容进行场景选择，分别为上下坡道、挖土用方、装车作业、找平作业、挖沟作业、上下板车、破碎作业、掉管回填、刷坡作业共九个作业场景。文字资料、图片资料以及影视资料作为辅助学习资料，理论考核中包含理论基础和操作判断内容，检测学习者知识掌握隋况。
2.1挖掘机输入操作模块
挖掘机仿真实验平台采用了多平台输入方式，InputCore中对不同平台数据进行处理，提供了单片机、操作杆、远程遥控三种APT可供使用，InputDataRaw中保存原数据，InputDataNornlal将获取的原数据进行标准化，根据不同类型的设备完成数据映射。
为了保证训练过程充分有效，每一个作业项目斗必须按照相应的流程进行操作，对挖掘机的位置、大臂张合角度、小臂张合角度、铲斗张合角度、斗齿位置、行驶速度、转台旋转角度等、数据进行封装，在操作流程中，安全检测模块监测各项数据，在训练过程中出现操作不当、位置错误后给出相关提示信息，以便训练者明白操作错误原因，达到训练效果。
3结束语
采用虚拟仿真技术模拟挖掘机工程机械的实验教学操作，训练者可在单位时间内有效的学习驾驶技术，对于工程车辆学习和职业教育有很大的帮助。然而，该系统的功能比较单一，还需要通过更深层次的开发，才能更好地发挥仿真实验的作用。