基于Unity、HTC VIVE的D09—32型连续式捣固车虚拟仿真驾驶系统研究

李海胜　徐钢涛

【摘 要】采用Unity研发了铁路大型养路机械D09-32型连续式捣固车虚拟仿真驾驶系统。以西宁到格尔木某区间铁路实景为基础在Unity中搭建、美化场景，以D09-32型连续式捣鼓车为原型创设捣固车三维模型。按照捣固车驾驶标准流程通过虚拟手套操作场景中按钮、开关，模拟捣固车驾驶步骤，完成捣固车的驾驶训练。采用SteamVR与VRTK构建基于HTC VIVE的D09-32型连续式捣固车虚拟仿真驾驶系统。实验表明：该系统场景逼真、沉浸感强可满足捣固车驾驶人员的基础训练需求并且该系统具有结构简单、开发成本低、周期短等优点。

【关键词】虚拟现实；unity；捣固车；模拟驾驶

中图分类号： TP391.9 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）30-0146-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.30.063

Research on D09-32 Continuous Tamping Vehicle Virtual Simulation Driving System Based

on Unity and HTC VIVE

LI Hai-sheng XU Gang-tao

（Zhengzhou railway vocational & technical college，Zhengzhou Henan 450002，China）

【Abstract】Using Unity，the D09-32 continuous tamping vehicle virtual simulation driving system for railway large-scale road maintenance machinery was developed.Based on the real scene of a certain section of Xining to Golmud，the scene was built and beautified in Unity.The D09-32 continuous tambourine was used as a prototype to create a three-dimensional model of the tamping vehicle.According to the standard process of tamping vehicle driving，the buttons and switches in the scene are operated by virtual gloves to simulate the driving steps of the tamping vehicle，and the driving training of the tamping vehicle is completed.The HTC VIVE-based D09-32 continuous tamping vehicle virtual simulation driving system was built using SteamVR and VRTK. Experiments show that the system scene is realistic and immersive enough to meet the basic training needs of the tamping driver and the system has the advantages of simple structure，low development cost and short cycle.

【Key words】Virtual reality；Unity；Tamping vehicle；Simulated driving

0 引言

鐵路大型养路机械主要是指养护、维修、整修铁路线路的机械设备，包括线路石砟清筛、线路石砟捣固密实、线路道床震动稳定、线路道床整形等设备。目前，大型养路机械已在全国铁路线路修理、提速线路改造和新线建设中得到广泛应用，是我国铁路维护工作中的主要工具，起着不可替代的作用。

捣固车用于铁路线路的新线建设、旧线大修清筛和运营线路维修作业，对轨道进行拨道、起道抄平、道砟捣固及道床肩部道砟的夯实作业，使轨道方向、左右水平和前后高低均达到线路设计标准或线路维修规则的要求，提高道床石砟的密实度，增加轨道的稳定性，保证列车安全运行。

D09-32型捣固车是铁路系统内应用最为广泛的养路机械，但D09-32型捣固车结构复杂、操作难度大、作业空闲时间少，影响了操作员的实际驾驶培训工作，给新驾驶员的培训带来诸多困难[1]。D09-32型捣固车实地驾驶教学存在安全隐患，成本高，周期长，受场地、天气、作业窗口等因素限制。

针对传统训练方式的不足，基于虚拟现实技术的培训方式受到了广泛关注。基于虚拟现实技术，程伯文等人开发了林木联合采育机虚拟训练系统，用于林木采育机的仿真训练[2]。张晓曦等人开发了工程船克令吊交互仿真系统用于克令吊操作人员的实操训练，解决了传统训练方式周期长、成本高且安全风险大等问题[3]。史艳楠等人开发了矿井提升机虚拟实训装置，用于矿井提升机的操作训练[4]

在大型养路机械方面，郑州捷安高科、郑州润华等公司都开发了捣固车虚拟驾驶平台，用于捣固车的驾驶训练。上述系统采用“软件+硬件操作台”相结合的方式，开发成本高，周期长。针对上述系统存在的不足，结合虚拟现实最新技术与产品，基于Unity平台开发了“HTC VIVE +虚拟手套”交互方式的捣固车虚拟仿真驾驶系统。

1 系统结构

系统以D09-32型连续式捣固车为蓝本，系统构成如图1所示。

系统主要由Unity模拟驾驶软件、HTC VIVE头盔、Noitom Hi5 VR手套构成。戴上HTC VIVE头盔进入三维场景，在场景中使用VR手套与场景中的对象进行交互（拔起发动机启动按钮、转动ZF开关、移动档位、加大油门等），进而进行模拟训练。其它人员通过显示器查看受训人员看到的虚拟场景。

2 关键技术

受训人员使用VR手套与场景交互，手套与按钮、油门手柄发生碰撞，触发交互对象的操作动画。VR手套与上述物体交互时，操作对象的动画播放与VR手套的操作不一致；例如使用VR手套拨动油门手柄时，手柄穿透VR手套且未及时播放动作动画。

针对这种情况，改变交互对象的动画播放方式。采用DoTween动画组件，根据VR手套与交互对象的角度、相对位置的变化，实时计算其动画位置（如油门手柄旋转角度、灯光按钮被按下位移量、大闸旋转的偏移量等）解决交互过程中交互迟钝的问题。

3 系统实现

系统部署完成后進行模拟驾驶训练，系统运行如图2所示。操作人员使用VR手套进行驾驶操作训练。为验证系统训练的正确性与有效性，特聘请中国铁路郑州局集团有限公司郑州工务机械段捣固车驾驶员进行实际测评。测评表明：该系统视觉效果逼真、沉浸感强，操作流程与实际流程一致；但其交互性与真车操作还有一定的差距，交互性低于采用硬件驾驶台的模拟训练系统。

4 结论

基于虚拟现实技术，采用“纯软件”的形式开发了捣固车虚拟仿真驾驶系统，较传统的模拟驾驶系统有着场景逼真、沉浸感强、系统结构简单、开发成本低、周期短的优点，但其交互性与基于硬件操作台的模拟驾驶系统还有一定的差距。针对其不足，进一步研究使用Microsoft HoloLens混合现实设备，开发虚拟场景与硬件操作台相融合的混合现实驾驶系统。系统中，场景以全息影像的方式作为真实世界的一部分（混合现实），支持与全息影像进行交互，融合虚拟仿真系统便捷的交互性与硬件操作台的实际操作手感，是我们进一步研究的方向。

【参考文献】

[1]程华.09-32型捣固车三维模拟驾驶培训系统设计[J].铁道建筑，2011（11）：116.

[2]程伯文，郑一力，等.基于Unity3D的林木联合采育机虚拟训练系统研究[J].系统仿真学报，2018，30（4）：1311.

[3]张晓曦，尹勇.基于Unity3D的工程船克令吊交互仿真设计[J].船海工程，2018，47（1）：168.

[4]史艳楠，刘建功，等.基于Unity3D的矿井提升机虚拟实训装置[J].煤矿安全，

2017（03）：114.