段克军，丁明来，房秋怡

（武警士官学校机械系，浙江 杭州 311400）

抢险救灾是武警部队的重要职能任务之一，挖掘机操作在执行任务中发挥了巨大的作用，为了提高执行任务的能力，减少执行任务中的伤亡，武警部队官兵需要经常性开展抢险救灾模拟演练。但是在挖掘机的抢险救灾模拟演练中存在以下问题：受实际训练场地、时间及气候等因素影响较大，训练效率低；在训练时对挖掘机的损伤大，影响挖掘机的整体性能和使用寿命，对机手和教练的安全带来风险；油耗较大，成本高，培训周期长[1，2，3]。

针对挖掘机操作训练中存在的上述问题，本文基于Unity3D技术，设计并开发了某型挖掘机抢险救灾全景模拟训练平台。该平台以部队列装使用的某型挖掘机为原型，系统集成了理论教学、理论考试、实操练习、实操考核四个模块，可以实现“从入门到精通”的学习训练效果。该平台的开发成功，为该型挖掘机的教学训练提供了一种新的有效手段[4，5]。

1 需求分析

该平台是为了满足武警部队挖掘机培训教学需要而开发的，为了保证训练的权威性和训练质量，提高训练的安全性、经济性，拟定以下设计要求：（1）人机界面友好，可靠性高，便于操作。（2）训练科目丰富、仿真度高，具有基础驾驶、挖斗练习、抢险救灾等功能，能够满足部队训练教学需求。（3）能够实现全景视角和驾驶室视角的切换。（4）能模拟铲斗在挖掘过程中土壤表面的变化、卸土时土壤的洒落过程、土壤溢出装土车外过程。（5）具有碰撞检测功能，发现错误操作及时给出警告。（6）系统造价低，易于部队装备[1]。

2 总体构成

模拟训练平台主要由操控平台、软件平台、显示输出平台三大部分组成。

操控平台按照某型挖掘机驾驶室1∶1制作，操作手柄、踏板、座椅等均与真实挖掘机完全一致，有利于提高训练的真实性。

软件平台由模拟训练软件和软硬件运行环境组成。模拟训练软件包括理论教学、理论考试、实操练习、实操考核四大模块。软硬件环境是指运行模拟训练软件必需的电脑硬件、操作系统等。

显示输出平台由显示输出设备、显示输出设备接口组成。显示输出设备可选用电脑液晶屏或环幕投影设备，显示输出设备接口可选用专业的多屏输出设备或支持多屏输出的电脑显卡[2]。

3 平台系统设计

3.1 操控平台设计

操控平台采用某型挖掘机驾驶室1∶1制作，并根据需要进行部分改装。该型挖掘机真实驾驶室机械部分主要由驾驶室底盘、驾驶室壳体、座椅、操纵手柄、行走踏板/手动杆、信息仪表盒、安全锁、空调等组成。考虑到模拟训练平台安装于室内，所以不需要安装驾驶室壳体、空调以降低模拟训练平台重量和成本，其他部件直接采用原厂配件，以获得最佳的操纵效果。由于真机操作手柄和行走踏板均采用液压先导阀方式工作，输出的是液压信号，无法与软件平台对接，必须改装为可输出电信号的操纵传感器。设计结果如图1所示。

图1 操控平台

3.2 软件设计

在软件系统中主要使用3D MAX来进行三维实体模型的建立，采用Unity3D面和框架进行搭建，在Unity3D平台上编写模拟训练程序[6，7]。

环境模拟：场景环境搭建主要在3D MAX、Unity3D中进行，Unity3D主要对环境的花草树木、地形、环境光、水等自然物体进行创建和渲染，Unity3D具有强大的地形编辑器，开发者可以在场景中快速创建数以千计的树木、地表岩石还有无数的草坪，3D MAX主要对环境中的人工物体如建筑物、角色等进行建模。

挖掘机动作实现：挖掘机动作主要由两个软件来实现。挖掘机在3D MAX中进行建模和实现履带运动，使用IK反向动力学实现大小臂联动。

挖掘机代码控制：此部分工作主要是在Unity3D中完成，在Unity3D中通过C#编程语言写出程序代码实现挖掘机在虚拟环境中的基本运动。

根据需求分析，该平台软件系统包括理论教学、理论考试、实操练习、实操考核等四大模块，功能结构框图如图2所示。

图2 软件结构框图

各模块的功能介绍如下：

1）理论教学模块。包括图片、文字、视频三种形式，其中“图片”采用9页54辐漫画形式对安全注意事项进行教学，“文字”采用2页文字对挖掘机安全操作规程进行教学，“视频”通过18条录像的形式对操作要领和注意事项进行教学，如图3所示。

图3 理论教学模块

2）理论考试模块。主要考查对挖掘机操作规范和安全注意事项的掌握情况，如图4所示。

图4 理论考试模块

3）实操练习模块。如图5所示，将挖掘机常用的操作技能分解为驾驶和挖斗练习，在熟练掌握操作要领后，重点练习抢险救援项目。抢险救援项目主要针对武警部队执行的泥石流救援和地震救援任务进行训练，如图6～图7所示。

图5 实操练习模块

图6 泥石流救援

图7 地震救援

4）实操考核模块通过“驾驶停放”、“跨越障碍”、“装车作业”、“上下坡跨越障碍”四个科目来考查学员对挖掘机操作技能的掌握情况，如图8所示。

图8 实操考核模块

3.3 显示输出平台设计

在操控平台设计和软件设计中实现了驾驶室视角和全景视角的切换，如图9所示。为了使显示输出平台与操控平台尺寸匹配，直接采用42寸液晶显示屏。

图9 视角切换功能

3.4 整体设计

操作手柄、踏板、座椅、点火开关等均采用与真机一致的产品，配置42寸液晶显示屏、PC主机、PLC控制电路板（PL2303）、速度控制旋钮，为方便移动和停放，平台下部安装四个万向轮和四个支腿。模拟训练平台整体安装如图10所示。

图10 模拟训练平台整体图

4 训练案例

以实操考核中“跨越障碍”科目为例，详细介绍操作过程。

考核界面如图11所示，学员通过小键盘输入身份证号码或者输入18个“0”进入。

图11 考核界面

利用主操作杆选择“跨越障碍”，按“确定”键进入，如图12、图13所示，左上角显示考核科目和已用时间。

图12 选择“跨越障碍”

图13 进入考核

启动挖掘机，页面左上角显示“碰撞次数”，将挖掘机行驶至坑沟边缘，如图14所示。

图14 启动并行驶

把前臂伸到坑沟的另一边，并用挖斗背贴住地面，然后继续前进，直到履带跨越坑沟两侧，如图15所示。

图15 履带跨越坑沟

然后回转机身，把大臂旋转至坑沟的另一端，如图16所示。

图16 回转机身

用挖斗背抵住地面，然后继续沿初始的方向前进，如图17所示。

图17 继续前进

将挖掘机停放在指定位置，如图18所示。

图18 正确停放

考核结束，点击功能按钮上“返回”键，用主操作杆选择“确定”选项，按下功能按钮上“确定”键，如图19所示。

图19 考核结束

系统根据操作过程中的错误次数和用时自动评定本次考核成绩，如图20所示。

图20 评定成绩

5 结束语

本文根据挖掘机抢险救灾全景模拟训练平台的设计要求，基于Unity3D技术，详细介绍了设计过程。本文设计的模拟训练平台具有无风险、低成本、无环境条件制约、训练科目丰富、仿真度高等优点。根据两届学员的使用效果来看，利用该模拟训练平台，可使操作者在安全的环境下熟悉挖掘机的操作，无时间限制，可完成地震救援和泥石流救援的训练，可显著节约训练成本、提高训练效果。