传统的岩心钻机培训方式，理论学习后直接进行场地实操，学员操作熟练度不足，容易造成机械设备的损坏，导致设备投入费用居高不下，维护费用和耗油量过高，并存在人员安全隐患^[1-3]。在此之前，中国地质大学(武汉)数字化虚拟技术实验室团队通过VRML虚拟环境以及VB语言进行虚拟实训系统设计与实现，该系统存在模型与现实钻机不一致、无法再现全操作过程(比如卷扬机升降、上下钻杆等)、VB程序复杂等问题。

针对上述问题，设计了基于Unity3D的岩心钻机虚拟实训系统^[4-11]。该系统通过SolidWorks进行三维建模、Maya材质贴图，运用Unity3D搭建虚拟场景，并通过C^#编程，加入相应的控制逻辑，通过Unity3D与VR设备相结合呈现出沉浸感与交互性于一体的岩心钻机虚拟实训系统。

1.   Unity3D系统开发

系统通过Unity3D开发，其开发过程以软件工程方法学为基础，以实际需求为导向，设计系统内各个功能模块^[12-17]。其主要流程分为4个部分：模型构建、3D虚拟场景搭建、控制逻辑以及调试。同时，Unity3D开发系统还具备跨平台兼容的特性。如图 1所示Unity3D系统开发流程。

图  1  Unity3D系统开发流程

Figure  1.  Unity3D system development process

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2.   岩心钻机

2.1   岩心钻机3D模型

针对XY-4型岩心钻机^[18-19]，采用SolidWorks进行模型构建，Maya软件进行贴图渲染，同时导出.fbx格式文件。如图 2，XY-4型岩心钻机主要分为3个部分：动力机、钻机本体、连接机构。动力机主要是选择495型柴油机或JO272-4型电动机，本系统采用电动机模型。钻机本体主要有：离合器、变速箱、分动箱、回转器、卷扬机、液压操作系统、前后机架以及机座。连接机构主要是：花键、弹性联轴节、万向轴等。

图  2  XY-4型岩心钻机模型示意图

1.卷扬机; 2.分动箱; 3.回转器; 4.油压卡盘; 5.液压操作系统; 6.变速箱; 7.离合器; 8.动力机

Figure  2.  Schematic diagram of the XY-4 core drill model

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2.2   岩心钻机钻进工序

本系统以XY-4型岩心钻机为例，该钻机是一种机械传动、液压给进的立轴式岩心钻机。动力机可配电动机或者柴油机，其传动分两部分：一部分由动力机向液压系统供油，实现液压给进、绞车取心等；另一部分是动力机连接万向传动轴与分动箱输入轴，其中分动箱将动力分别传到回转器和卷扬机，最终实现钻机正常工作。钻进工序主要是：起下钻、回次、给进、倒杆、进尺。

根据XY-4型岩心钻机钻进工序，将所有操作模块分解，先进行分步练习再整体训练。其中，单步操作如下：离合器手柄操作、变速箱手柄操作、钻机移动、卡盘夹紧松开、油缸上升下降、分动箱手柄切换以及卷扬机手柄切换。

3.   系统设计

3.1   3D虚拟场景

岩心钻机虚拟实训系统的UI元素(纹理、图像、按钮、滑动条等)主要是通过Photoshop制作完成，图 3为系统UI界面所用到部分图片素材，主要体现在主场景中。

图  3  岩心钻机虚拟实训系统UI素材

Figure  3.  Core drill virtual training system UI material

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3D虚拟场景主要分为主场景与4个分场景，其中图 4-a主场景目的是信息登记与功能选择，图 4-b分别是4个分场景示意图：第1个分场景(图 4-b-1、图 4-b-2)是观看钻机基本操作指南以及钻机钻进视频；第2个分场景(图 4-b-3)是训练钻机基本操作，如离合器手柄操作、变速箱手柄操作等；第3个分场景(图 4-b-4)是卷扬机的使用操作以及提钻等；第4个分场景(图 4-b-4)是实际钻进，假定已钻有一定深度，在此基础上进行实际钻进操作训练。

图  4  系统各场景示意图

Figure  4.  Schematic diagram of each system

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3.2   控制逻辑

3.2.1   漫游逻辑

自动漫游是在漫游事件触发后无任何输入的情况下，允许角色沿着既定路线进行漫游。

手动漫游即通过外部设备的控制信息操纵系统内角色的移动，本系统主要采用头盔手柄式，以人物自由行走与转动结合进行漫游，同时通过贝塞尔曲线进行位置瞬移如图 5所示。

图  5  贝塞尔曲线点

Figure  5.  Bezier curve point

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其中p₀、p₀²、p₂ 3点在同一个抛物线上，p₁点是过p₀和p₂点的两切线的相交点，在p₀²点的切线交p₀p₁和p₂p₁于p₁⁰和p₁¹，则如下比例成立: $\frac{p_{0} p_{0}^{1}}{p_{0}^{1} p_{1}}=\frac{p_{1} p_{1}^{1}}{p_{1}^{1} p_{2}}=\frac{p_{0}^{1} p_{0}^{2}}{p_{0}^{2} p_{1}^{1}}$。假设给定n+1个点p₀，p₁，p₂，…，p_n，利用公式(1)可构建一条参数曲线叫做n次贝塞尔曲线。同时称p₀，p₁，p₂，…，p_n为p(t)的控制点。

式中:${B_{i, n}}(t) = \left( {\frac{n}{i}} \right){t^i}{(1 - t)^{n - i}}$, i=0, …, n, 又称作n阶的伯恩斯坦基底多项式。

3.2.2   交互逻辑

交互体现沉浸感，本系统中最主要的交互是射线与碰撞^[20-22]。

射线是在三维空间中从一个点沿一个方向发射的一条无限长的线。在射线的轨迹上，一旦与添加了碰撞器的物体发生碰撞，将停止发射。可以利用射线获取目标的信息实现系统所需要的目标选择等功能。本系统中使用到射线的地方，如点击悬浮在半空的UI界面以及虚拟键盘等。

虚拟现实更注重与对象的真实接触，更多的使用物理性接触的碰撞行为。图 6为碰撞检测算法逻辑，操作钻机的绝大部分行为都是通过物理碰撞行为来完成的。例如操纵控制手柄，拾取地面上的物件。碰撞器按外形可以分为盒子碰撞器、圆碰撞器、胶囊碰撞器、轮碰撞器、网格碰撞器以及地形碰撞器，同时，产生碰撞信息所需要的条件为：双方都有碰撞器或触发器，其中一方还需要刚体。不同的碰撞器可以模拟不同的碰撞行为，例如钻杆用盒子碰撞器，液压手柄用网格碰撞器，人用胶囊体碰撞器，扳手用盒子碰撞器，山脉用地形碰撞器等。

图  6  碰撞检测逻辑

Figure  6.  Collision detection logic

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交互的重点就是实现人与场景的互动，一旦达到射线或碰撞条件就需要实现对应的功能模块，钻机部件基本的运动C^#代码如表 1所示。要实现整个钻机的操作，同时还需要旋转、伸缩以及头盔手柄插件等代码。

表  1  钻机部件交互运动C^#伪代码

Table  1.  Rig component interaction motion C^# pseudo code

C#伪代码
坐标移动 <summary> <param name="trans">需要移动的对象</param> <param name="dir">方向</param> <param name="speed">速度</param> void PosChange(Transform trans, Vector3 dir, float speed) { trans.position += dir * Time.deltaTime * speed; }

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4.   系统运行测试

Unity3D最大的优点就是支持多平台：移动平台、桌面平台、游戏主机、网页游戏、虚拟现实与增强现实。由于在测试阶段，为了能验证各项功能的准确完整，受加工条件限制，采用桌面平台与VR头盔结合方式。经过模型搭建、材质贴图、场景布置以及逻辑代码编写，整个系统基本完成。图 7是设计的系统运行流程，由于使用的是HTC VIVE头盔手柄，还需要安装相应的驱动等配置文件。系统操作流程：第一步启动程序自动进入登录界面；第二步戴上VR头盔和拿起VR手柄，通过手柄引导位置瞬移到登陆界面前，继续使用手柄发出射线完成信息的录入；第三步信息录入完成后就进入到场景选择，一共有4个场景；第四步依次选择4个场景训练测试。

图  7  系统运行流程图

Figure  7.  System operation flow chart

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图 8是通过头盔看到的场景，在使用头盔时，操作者可以任意时刻用手柄进行位置选定并快速移动到该位置，并可以使用手柄进行点击开关按钮、拉动控制手柄、拿起工具等操作。总之，操作者能够完全沉浸于头盔场景中，完成所有的岩心钻机实际操作。

图  8  培训者实操图

Figure  8.  Trainer′s actual operation diagram

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5.   结语

Unity3D是目前用于虚拟实训仿真的常用软件，本系统正是运用Unity3D具有交互沉浸感的特性实现了现实场景中岩心钻机的实际操作，通过几个场景内容的学习，可以让培训者从认知层面到熟练操作虚拟XY-4型岩心钻机的层面。基于Unity3D的岩心钻机虚拟实训系统的成功开发，让培训者身临其境地学习操作钻机，解决了大批量人员培训的问题，也降低了培训成本和培训过程中存在的安全隐患。同时，本系统正在进行混合现实系统开发测试，以便使操作者能够完全掌握岩心钻机的操作实训。进一步来说，由于地质工程机械操作危险、设备体积大以及价格昂贵等特点，使得基于Unity3D开发的虚拟实训系统将备受欢迎。