基于UDK的絞吸式挖泥船操作仿真

李俊賢，倪福生

(河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 常州 213022)

0 引言

絞吸式挖泥船是最常用的清理河道港口的疏浚工具之一，我國每年需培訓(xùn)一大批疏浚操作人員，傳統(tǒng)的理論教學(xué)加實(shí)船實(shí)習(xí)的培訓(xùn)方式存在許多不足［1］。

目前對(duì)于船員上船前培訓(xùn)，一般采用虛擬操作臺(tái)培訓(xùn)［2］，此類系統(tǒng)需要較高成本。絞吸式挖泥船仿真系統(tǒng)交互設(shè)計(jì)，通過UDK程序，實(shí)現(xiàn)在PC機(jī)上對(duì)絞吸式挖泥船施工的基本操作。主要模擬作業(yè)中的挖掘、吹填等施工環(huán)節(jié)，為疏浚實(shí)驗(yàn)室的水下挖沙及挖泥船的動(dòng)態(tài)演示提供一個(gè)可視交流平臺(tái)。

UDK是Epic公司在2010年對(duì)外發(fā)布著名引擎虛幻動(dòng)作第三代引擎的免費(fèi)版本，優(yōu)化渲染效率，所有材質(zhì)可擁有獨(dú)立的物理屬性，包括摩擦系數(shù)、質(zhì)量等參數(shù)，提供Matinee和一個(gè)基于時(shí)間軸的可視化序列工具。

1 仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

絞吸式挖泥船主要由船體、定位裝置、絞刀、柴油機(jī)泥泵動(dòng)力裝置、液壓系統(tǒng)、吸排泥管等組成。疏浚作業(yè)過程如下:設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常后，放下橋架，使絞刀放置于水下，此時(shí)柴油機(jī)以最低速啟動(dòng)泥泵，向吸排泥管內(nèi)注入清水。然后增加柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速至額定值，啟動(dòng)油泵轉(zhuǎn)動(dòng)絞刀，轉(zhuǎn)動(dòng)的絞刀接觸泥土后，收放橫移纜繩，船在纜繩、工作樁、輔助定位樁相互配合下完成左右橫移和前移。同時(shí)泥泵轉(zhuǎn)動(dòng)使得吸泥管產(chǎn)生真空壓力，將泥漿從水底吸入，再借助離心力將泥漿通過排泥管送至排泥區(qū)，完成疏浚吹填施工全過程［3］。挖泥船的組成圖1所示。

圖1 絞吸式挖泥船組成圖

本系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上可分為4大模塊:操作界面模塊、場(chǎng)景選擇模塊、變速操作模塊、視角切換模塊，其關(guān)系如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由于UDK本身沒有強(qiáng)大的建模功能，所以三維模型由專業(yè)建模軟件3DSMax進(jìn)行三維建模。UDK將界面開發(fā)工具Scaleform整合進(jìn)開發(fā)工具包中并可免費(fèi)使用，首先把Scaleform整合進(jìn)Flash，在Flash與UDK之間搭起一座“橋梁”。運(yùn)用Flash制作系統(tǒng)的操作界面，主要負(fù)責(zé)UI模塊的制作。視角切換和變速操作則需由Kismet和Unrealscript實(shí)現(xiàn)。

2 核心技術(shù)

圍繞以上結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程主要包括3項(xiàng)核心技術(shù):三維模型的制作、模型的變速功能實(shí)現(xiàn)、系統(tǒng)界面的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

2.1 模型的導(dǎo)出與導(dǎo)入

模型的導(dǎo)入是一個(gè)繁瑣的過程，但其必須遵循一定的法則和流程。在3DSMax中將模型以ase格式導(dǎo)出，為使三維模型能在UDK平臺(tái)下有機(jī)地組織在一起，在導(dǎo)出模型時(shí)有幾個(gè)必不可少的環(huán)節(jié)，以免出現(xiàn)黑面、貼圖不無縫地貼合在物體表面等意外情況。如圖3所示。

圖3 導(dǎo)入模型錯(cuò)誤

圖4 UV層級(jí)編輯面板

圖4是UV的層級(jí)編輯面板，在UDK中，在導(dǎo)出模型時(shí)只能攜帶2個(gè)UV層級(jí)的信息。如果做3個(gè)UV信息，則在UDK的一些效果里會(huì)顯示出錯(cuò)。所有的UV層級(jí)信息全部壓縮給模型后，模型制作部分就完成了。

模型最后必須經(jīng)過Reset Xform，這一步涉及從3DSMax中導(dǎo)出數(shù)據(jù)后與UDK程序?qū)拥膯栴}。例如在3DSMax里創(chuàng)建了2個(gè)一樣大的Box，把其中一個(gè)縮小50%，模型導(dǎo)入U(xiǎn)DK引擎后，查看器里的2個(gè)Box是一樣大的，只有把縮小了的Box Reset Xform，才能把縮小的50%歸零。

2.2 模型的控制

變速控制系統(tǒng)主要包括船體控制系統(tǒng)和絞刀控制系統(tǒng)2部分。船體控制系統(tǒng)包括2根鋼樁的交替放下與提起、臺(tái)車與船身的相互移動(dòng)以及船體水平面旋轉(zhuǎn)。絞刀控制系統(tǒng)包括橋架的放下與提起、絞刀旋轉(zhuǎn)等。

在UDK中實(shí)現(xiàn)對(duì)三維模型的控制，一種方法是直接利用Kismet(可視化腳本編輯器)進(jìn)行腳本序列編寫，另一種是使用Unrealscript腳本語言編寫代碼控制物體運(yùn)動(dòng)。Kismet可快速簡便地創(chuàng)設(shè)復(fù)雜的腳本序列，而無需具有豐富的編程知識(shí)，可以完成本系統(tǒng)中船體部分的動(dòng)作。絞刀控制系統(tǒng)中絞刀的轉(zhuǎn)速需要實(shí)時(shí)控制，用Kismet無法實(shí)現(xiàn)此功能，因此需要編寫Unrealscript代碼。

2.2.1 定速控制

以實(shí)現(xiàn)鋼樁下沉和上升的動(dòng)作為例，在UDK中，mover(可運(yùn)動(dòng)模型)是一種特殊類型的靜態(tài)模型，在關(guān)卡中可以運(yùn)動(dòng)。靜態(tài)的網(wǎng)格物體只有轉(zhuǎn)換成了mover，才能進(jìn)行插值，所以需將鋼樁static mesh轉(zhuǎn)換成InterpActor。每一個(gè)mover有數(shù)個(gè)獨(dú)立的關(guān)鍵幀，它們用來記錄在不同運(yùn)動(dòng)點(diǎn)上物體的位置和旋轉(zhuǎn)角度。

在 Kismet腳本編輯器中新建“Key/Button Pressed”事件，并修改按鍵的參數(shù)。新建Matinee，制作鋼樁的運(yùn)動(dòng)軌跡，然后按鍵驅(qū)動(dòng)鋼樁的運(yùn)動(dòng)。具體設(shè)置如圖5所示。

圖5 Kismet腳本編輯器

2.2.2 變速控制

通過腳本語言實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的直接控制，設(shè)置鍵盤按鍵控制速度變化。按下“C”鍵，絞刀開始繞Y軸旋轉(zhuǎn)，按住“+”鍵不放，絞刀繞Y軸順時(shí)針加速旋轉(zhuǎn)，釋放左向鍵，絞刀保持勻速繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，再按下“-”鍵不放，絞刀減速，減到零后，若還按住右向鍵不放，則開始繞Y軸逆時(shí)針加速旋轉(zhuǎn)。通過UnrealScript腳本語言在UDK中實(shí)現(xiàn)，首先定義一個(gè)cutter類，以便將具有調(diào)速功能的絞刀作為一個(gè)絞刀類添加進(jìn)場(chǎng)景，絞刀角度旋轉(zhuǎn)操作使用了自定義function SpeedUp()和function SpeedDown()，該函數(shù)可實(shí)現(xiàn)以一定單位角度來旋轉(zhuǎn)模型。

修改系統(tǒng)的的Tick事件，使絞刀速度系統(tǒng)幀間隔DeltaTime內(nèi)實(shí)時(shí)刷新絞刀的旋轉(zhuǎn)速度，代碼如下:

控制橋架旋轉(zhuǎn)的放下與提起，只是與絞刀的旋轉(zhuǎn)軸向不同，故控制狀態(tài)類似，一個(gè)按鍵設(shè)為加速，另一個(gè)按鍵設(shè)為減速，所以控制腳本做適當(dāng)修改即可。

3 結(jié)束語

本文利用3DS Max和UDK交互技術(shù)構(gòu)建的絞吸式挖泥船操作仿真平臺(tái)，具有仿真程度高、交互性能好、語言簡潔、容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。筆者下一步將研究虛擬現(xiàn)實(shí)與環(huán)境之間的關(guān)聯(lián)，以便實(shí)現(xiàn)虛擬仿真平臺(tái)中，絞刀與泥沙直接的交互過程。

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