履带式推土机工作过程中三维地形动态变化仿真方法

摘要

本发明涉及一种履带式推土机工作过程中三维地形动态变化仿真方法。该方法首先对推土机工作场景进行网格化处理，设置训练场地的地形和颜色；然后设置推土机采样点个数和采样点半径；在推土机作业过程中，获取推土机运动状态和工作装置的状态，采用高斯衰减公式计算网格点高度变化值；最后，对网格点高度和颜色进行更新。本发明可用于包括推土机、挖掘机、坦克等与地形环境有交互的工程机械虚拟训练设备的仿真中，可显著提高模拟训练环境的逼真度，增强用户的沉浸感。

说明书

技术领域

本发明属于推土机工作过程中三维地形动态变化仿真方法，特别是一种履带 式推土机工作过程中三维地形动态变化仿真方法。

背景技术

随着机械及工程自动化装备的不断发展，现代工程机械车辆的机械化、自动 化程度日益提高，随之带来机械作业操纵复杂、训练困难、不易掌握等多方面困 扰。与此同时实车训练还存在成本高、培训周期长、安全隐患大等缺点。虚拟训 练设备可为受训人员提供一个反复熟悉操作的逼真模拟训练环境，提高训练效率 和训练安全性，降低训练成本，具有十分显著的经济效应。同时，由于推土机受 使用环境、位置空间等限制，无法采用实物进行产品宣传和功能展示，因此该产 品可用于推土机新型号、新产品的功能展示。

国外虚拟现实技术研究较早，在工程机械模拟器研究中，国外主要有三种类 型模拟器，第一种类型型式简单，由键盘或鼠标进行操作，美国NIST(美国国家 标准与技术研究院)建立的挖掘机模拟器通过web网页显示，可使操作者熟悉挖 掘机的基本动作，但是有着画面简陋、不易操作的缺点；第二种类型是采用手柄 连接主机进行控制，加拿大Simlog公司研制的挖掘机模拟器采用2个电控手柄 进行操作，用投影仪或液晶屏幕进行显示，其操作方式与真实机械接近，可使操 作者快速熟悉挖掘机的基本操作，并可训练两手的协调能力，但是其操作环境与 真实机械有很大不同，其训练效果与真实机械操作训练有较大距离；第三种类型 结构复杂、技术先进，澳大利亚Immersive Technologies公司采用真实的机械操 作环境，使用3个大型背投显示设备，具有姿态调整等技术，该模拟器可取代真 机训练，但是主要针对重型矿山机械，成本过高，同时其训练科目有限，二次开 发成本高。在推土机模拟器方面，目前仅有卡特彼勒公司开发了推土机模拟器， 其采用手柄连接主机进行控制，用前后两个显示器进行推土、松土过程显示，其 操作方式与真实机械接近，可使操作者快速熟悉推土机的基本操作。该产品主要 用于卡特彼勒公司产品研发和展示。

目前国内市场上的工程机械模拟教学仪是以教学为主，平台是固定的，简单 的机械模型，主要侧重在培训驾驶员的操作技能，“只能用于少量课时的操作训 练，不能完全替代真实上机”。在模拟训练过程上，多以简单的机械原理为基础， 模拟环境操作感较差，且操作系统、姿态、复杂工况作业等与实际情况差距较大， 不能真实反映工程机械的运动和控制过程。目前国内虚拟训练模拟器以挖掘机为 主，未检索到推土机模拟器相关产品。

发明内容

本发明的目的是提供一种履带式推土机工作过程中三维地形动态变化仿真 方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种履带式推土机工作过程中三维地形 动态变化仿真方法，包括以下步骤：

步骤1、对推土机工作场景进行网格化处理，以推土机训练场某点为坐标原 点，建立地理坐标系，把推土机的工作场景划分为若干个边长为a的正三角形网 格，给定每个网格顶点平面坐标（X，Y）的高度H，并对其设置颜色，通过连 接相邻顶点对应的三维坐标点来描述地形的起伏变化；

步骤2、设置推土机推土铲上的采样点个数和采样点半径；设置推土机推土 铲上的采样点个数A和采样点半径R1，所述采样点个数A、采样点半径R1与推 土机铲刀长度L之间的关系须满足：

L≈2*R1*A。

步骤3、获取每个采样点的位置、推土机行驶状态、当前铲刀状态或松土器 状态；获取每个采样点的位置包括：在平面坐标系中坐标和高度值；推土机行驶 状态包括：前进、停止或后退；当前铲刀状态包括：升降高度、倾斜角度、铲入 地形的深度；松土器状态包括：插入地形的深浅。

步骤4、按照高斯衰减增加网格高度值对铲刀前面地形变化进行模拟；铲刀 前面地形变化模拟过程为：采样点内及铲刀平面之上的地形为需要形变的地形， 先利用高斯曲面公式确定该地形在采样半径内的高斯衰减值H，计算公式如下：

H＝Pow(360.0,-Pow(D/R,2.5)-0.01)

式中D表示网格点到中心点的距离，R表示最大衰减半径，Pow(x,y)表示 x的y次方；

则地形网格顶点的坐标高度值可表示为：

$H_{\mathrm{new}}=H_{\mathrm{old}}+\underset{i=0}{\overset{A}{\Sigma }}{H}_i\times R_i\times \mathrm{DeltaT}$

式中H_new表示处理完成后的新坐标高度值，H_old为上一周期坐标高度值，H_i 为采样点i对应的高斯衰减值，R_i为采样半径，DeltaT为仿真时间间隔，该公 式表示地形网格顶点的坐标高度值为上一周期的网格坐标高度值与所有采样点 作用下导致的网格高度变化增量和，当地形高度发生变化时，使地形颜色深于步 骤1设定的颜色深度。

步骤5、通过判断地形高度是否高于铲刀底部采样点圆心高度，来模拟铲刀 后面地形变化；铲刀后面地形变化模拟过程为：

首先判断地形高度是否高于铲刀底部采样点圆心高度，若高于铲刀底部采样 点圆心高度，则将采样点圆心高度赋值给地形高度，并使地形颜色深于步骤1 设定的颜色深度；若地形高度没有采样点圆心高度高时，则不改变地形高度，也 不改变地形颜色。

步骤6、以松土器前后扇形区域为地形变化区域分别对松土器前后地形变化 进行模拟，从而完成履带式推土机工作过程中三维地形动态变化的仿真。

松土器前后地形变化模拟过程为：

在模拟松土过程中松土器前的地形变化时，以松土器着地位置（X0，Y0） 为中心点、半径为R₂、推土机运动方向为对称轴、夹角为B1的扇形区域为松土 器前地形变化区域，当松土器插入地形的深度为d，松土器前地形变化过程采用 以下抛物面拟合方法进行模拟：

$H(x,y)=d*(1-x^2/R_2^2)(1-y^2/R_2^2)$

式中x∈[X₀-R₂,X₀+R₂]，y∈[Y₀,Y₀+R₂]；

模拟松土器后部地形时，以松土器着地位置为中心点、半径为R3、推土机 运动反方向为对称轴、夹角为B2的扇形区域为松土器后地形变化区域，当进行 松土时，把该区域的地形高度设置成与松土器底部一致，并把扇形半径设置为 R3～（1.5*R3）之间随机变化的值，在模拟地形动态变化时，将高度发生变化的 地形颜色加深使其深于步骤1设定的颜色深度。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：（1）利用高斯曲面模型，模拟铲刀 /松土器前后地形曲面的变化情况，显著提高了模拟训练环境的逼真度，增强了 用户的沉浸感；（2）适用范围广，通用性强，经适当改造即可适用于挖掘机、坦 克等与地形环境有交互的工程机械虚拟训练设备；（3）本发明针对推土机工作过 程中三维地形动态变化的要求，提供一种三维地形动态生成算法，模拟的地形主 要包括：推土铲作用范围内的地形（铲刀前、后的地形）和松土器作用范围内的 地形（松土器前、后的地形）。实现了推土机工作过程中训练场景中三维地形动 态变化过程的仿真。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是采样点布置图。

图2是推土过程地形变化效果示意图。

图3是松土过程地形变化效果示意图。

图4是三维地形动态生成算法流程图。

具体实施方式

结合附图，本发明的一种履带式推土机工作过程中三维地形动态变化仿真建 模方法，步骤如下：

步骤1、对推土机工作场景进行网格化处理。以推土机训练场某点为坐标原 点，建立地理坐标系，把推土机的工作场景划分为若干个边长为a的正三角形网 格，给定每个网格顶点（X，Y）的高度H和颜色，通过连接相邻顶点对应的三 维坐标点来描述地形的起伏变化。

步骤2、设置推土机推土铲上的采样点个数A和采样点半径R1，推土机铲刀 长度为L，推土机铲刀长度与采样点数和采样点半径的关系须满足：

L≈2*R1*A                       （1）

步骤3、获取每个采样点的位置、推土机行驶状态（前进、停止或后退）、 当前铲刀状态（升降高度、倾斜角度、铲入地形的深度）或松土器状态（插入地 形的深浅）。

步骤4、铲刀前面地形变化模拟。

首先计算网格点的位置：计算位于铲刀区域内的所有网格点个数，并遍历这 些网格点；在铲刀平面内计算各个网格点的投影以便得到网格点相对于平面的距 离；根据距离计算网格点到平面的投影点，同时设置网格点的新位置为投影点的 坐标。

其次更新网格点的位置和颜色。在地面网格对象的局部空间中生成土块对象 并将生成的土块对象放置在上述网格点的位置上；在采样点的指定半径内处理所 有网格点，改变该点的颜色和高度；如果网格点的高度小于给定的高度，则按照 高斯衰减的值增加网格高度值。根据各个顶点的位置更新网格点的位置，当地形 发生变化时，修改地形颜色使其深于步骤1设定的颜色深度。

步骤5、铲刀后面地形变化模拟。

首先判断地形高度是否高于铲刀底部采样点圆心，若高于铲刀底部采样点圆 心，则将采样点圆心高度赋值给地形高度，并使地形颜色深于步骤1设定的颜色 深度；若地形高度没有采样点圆心高度高时，则既不改变地形高度，也不改变地 形颜色。

步骤6、松土器前后地形变化模拟。

在模拟松土过程中松土器前的地形变化时，以松土器着地位置（X0，Y0） 为中心点、半径为R₂、推土机运动方向为对称轴、夹角为B1的扇形区域为松土 器前地形变化区域。根据松土器插入地形的深度，采用抛物面拟合方法进行模拟。 模拟松土器后部地形时，以松土器着地位置为中心点、半径为R3、推土机运动 反方向为对称轴、夹角为B2的扇形区域为松土器后地形变化区域，当进行松土 时，把该区域的地形高度设置成与松土器底部一致，并把扇形半径设置为 R3～1.5R3之间随机变化的值，在模拟地形动态变化时，将高度发生变化的地形 颜色加深使其深于步骤1设定的颜色深度。

当推土机推土作业时，若运动状态为前进或停止，重复步骤3至步骤5，计 算铲刀前后地形变化值，当推土机后退时，只需更新铲刀后地形变化值；当推土 机松土作业时，重复步骤3、步骤5，更新松土器前后地形变化值。

上述步骤1～步骤6中所指半径、夹角和高度等均为大于零的数。并根据实 际需要进行设置。

下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述：

本发明为一种履带式推土机工作过程中三维地形动态变化仿真方法，包括以 下步骤：

步骤1、对推土机工作场景进行网格化处理。假定推土机训练场为长方形， 其长度为150m，宽度为80m。以该训练场左下角为坐标原点，建立地理坐标系， 则训练场四个顶点坐标为（0，0）、（80，0）、（80，100）、（0，100）、把推土机 的工作场景划分为若干个边长为10cm的正三角形网格，给定每个网格顶点的高 度为0～10cm的随机值，颜色为浅褐色。

步骤2、推土机推土铲上的采样点个数为8，采样点半径20cm，推土机铲刀 长度为2.75m。采样点布置效果如图1所示。

步骤3、获取每个采样点的位置、推土机行驶状态（前进、停止或后退）、 当前铲刀状态（升降高度、倾斜角度、铲入地形的深度）或松土器状态（插入地 形的深浅）。

步骤4、铲刀前面地形变化模拟。

首先计算网格点的位置：计算位于铲刀区域内的所有网格点个数，并遍历这 些网格点；在铲刀平面内计算各个网格点的投影以便得到网格点相对于平面的距 离；根据距离计算网格点到平面的投影点，同时设置网格点的新位置为投影点的 坐标。

其次更新网格点的位置和颜色。在地面网格对象的局部空间中生成土块对象 并将生成的土块对象放置在上述网格点的位置上；在采样点的指定半径内处理所 有网格点，改变该点的颜色和高度；如果网格点的高度小于给定的高度，则按照 高斯衰减的值增加网格高度值。根据各个顶点的位置更新网格点的位置，当地形 发生变化时，将地形颜色修改成深褐色。

高斯曲面公式如下：

H＝Pow(360.0,-Pow(D/R,2.5)-0.01)     （2）

式（2）中D表示网格点到中心点的距离，R表示最大衰减半径，这里取 R=15cm，Pow(x,y)表示x的y次方。

则新的地形网格坐标可表示为：

$H_{\mathrm{new}}=H_{\mathrm{old}}+\underset{i=0}{\overset{A}{\Sigma }}{H}_i\times R_i\times \mathrm{DeltaT}---\left(3\right)$

式（3）中H_new表示处理完成后的新坐标高度值，H_old为上一周期坐标高度 值，H_i为采样点i对应的高斯衰减值，R_i为采样半径，DeltaT为仿真时间间隔。 即该公式表示地形网格顶点的坐标高度值为上一周期的网格坐标高度值与7个 采样点作用下导致的网格高度变化增量和。

推土过程地形变化效果如图2所示。

步骤5、铲刀后面地形变化模拟。

首先判断地形高度是否高于铲刀底部采样点圆心高度，若高于铲刀底部采样 点圆心高度，则将采样点圆心高度赋值给地形高度，将地形颜色修改成深褐色； 若地形高度没有采样点圆心高度高时，则不改变地形高度，也不改变地形颜色。

步骤6、松土器前后地形变化模拟。

在模拟松土过程中松土器前的地形变化时，以松土器实时着地位置（X0， Y0）为中心点、半径为R₂=0.3m、推土机运动方向为对称轴、夹角为180°的扇 形区域为松土器前地形变化区域。当松土器插入地形的深度为d=20cm，松土器 前地形变化过程采用以下抛物面拟合方法进行模拟：

$H(x,y)=d*(1-x^2/R_2^2)(1-y^2/R_2^2)$

式中x∈[X₀-R₂,X₀+R₂]，y∈[Y₀,Y₀+R₂]。

模拟松土器后部地形时，以松土器着地位置为中心点、半径为0.2m、推土 机运动反方向为对称轴、夹角为180°的扇形区域为松土器后地形变化区间，当 进行松土时，把该区域的地形高度设置成与松土器底部一致，并把扇形半径设置 为0.2m～0.3m之间随机变化的值，在模拟地形动态变化时，将高度发生变化的地 形颜色设置为深褐色。

松土过程地形变化效果如图3所示。

当推土机推土作业时，若运动状态为前进或停止，重复步骤3至步骤5，计 算铲刀前后地形变化值，当推土机后退时，只需更新铲刀后地形变化值；当推土 机松土作业时，重复步骤3、步骤5，更新松土器前后地形变化值。

推土机工作过程三维地形动态生成算法流程如图4所示。

由上可知，本发明的方法利用高斯曲面模型，模拟铲刀/松土器前后地形曲面的 变化情况，显著提高了模拟训练环境的逼真度，增强了用户的沉浸感。