CN110376920A - 一种虚拟挖掘机的控制方法以及控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了提供一种虚拟挖掘机的控制方法以及控制装置，控制方法包括采集操作信号；生成挖掘机动作信号以及画面变换信号；将所述挖掘机动作信号输入到洗出算法模型中，所述洗出算法模型输出仿真动作信号；根据所述仿真动作信号，得出用于控制伺服系统的脉冲信号；伺服系统接收所述脉冲信号并产生动作；本发明通过所采集的操作信号生成挖掘机动作信号，利用洗出算法模型对挖掘机动作信号进行处理，从而生成仿真动作信号，最后根据仿真动作信号生成用于控制伺服系统的脉冲信号，实现伺服系统的动作控制，使其动作更加符合实际操作体验，有效增强使用者的动作感官体验。

Description

一种虚拟挖掘机的控制方法以及控制装置

技术领域

本发明涉及虚拟仿真技术领域，更具体地说涉及一种虚拟挖掘机的控制方法以及控制装置。

背景技术

众所周知挖掘机是建筑工程中常见的机械设备之一，挖掘机的操作人员需要进行长时间的学习以及训练才得以熟练地完成挖掘机的操作。

目前国内在挖掘机操作训练的方式主要有以下几种：1.真机训练；2.模拟操作设备训练。真机训练周期长，运维成本高，无差别教学，且存在一定的安全隐患。而一般的模拟操作设备，只具备挖掘机驾驶室的外观供学员熟悉操作装置，然而静止的设备并无实际的训练价值。

为此本领域技术人员设计出了模拟操作设备，但是现有技术中的模拟操作设备，以六自由度平台加显示器的方式可以提供画面和简单的摆动，能够模拟真机的工作场景，但体验感仍有欠缺，无法根据人员的操作得出更符合实际工作场景的动作体验。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种高动态体验的虚拟挖掘机的控制方法以及控制装置。

本发明解决其技术问题的解决方案是：

一种虚拟挖掘机的控制方法，包括以下步骤：

步骤100，采集操作信号；

步骤200，根据所述操作信号，生成挖掘机动作信号以及画面变换信号；

步骤300，建立洗出算法模型，将所述挖掘机动作信号输入到洗出算法模型中，所述洗出算法模型输出仿真动作信号；

步骤400，根据所述仿真动作信号，得出用于控制伺服系统的脉冲信号；

步骤500，伺服系统接收所述脉冲信号并产生动作；

所述步骤200中根据所述操作信号，得到的挖掘机动作信号包括行进加速度信号以及旋转角速度信号，步骤300中，将所述行进加速度信号以及旋转角速度信号，结合重力加速度，输入至洗出算法模型，洗出算法模型输出的仿真动作信号包括伺服系统的三维方向位移量以及三维方向姿态角。

作为上述技术方案的进一步改进，所述操作信号由两组三自由度数据生成，两组所述三自由度数据分别记为(x₁,y₁,z₁)以及(x₂,y₂,z₂)，所述行进加速度信号与两组三自由度数据的x₁以及x₂的和成正相关，所述旋转角速度信号与两组三自由度数据的x₁以及x₂相关且与x₁成正相关关系。

作为上述技术方案的进一步改进，步骤300中，将行进加速度信号以及旋转角速度信号输入到洗出算法模型中，所述洗出算法模型对行进加速度信号执行以下步骤得到三维方向位移量：

步骤311，对所述行进加速度信号进行比例处理；

步骤312，对所述行进加速度信号进行幅度限制；

步骤313，对所述行进加速度信号进行位置变换处理；

步骤314，对所述行进加速度信号进行减法运算操作，将经过位置变换处理的行进加速度信号减去重力加速度；

步骤315，将所述行进加速度信号中的低频信号滤除；

步骤316，对所述行进加速度信号进行二次积分操作，得出三维方向位移量；

所述洗出算法模型对行进加速度信号以及旋转角速度信号执行以下步骤得到伺服系统的三维方向姿态角：

步骤321，分别对所述行进加速度信号以及旋转角速度信号进行比例处理；

步骤322，分别对所述行进加速度信号以及旋转角速度信号进行幅度限制；

步骤323，将所述行进加速度信号中的高频信号滤除，将进行姿态变换后的旋转角速度信号中的低频信号滤除；

步骤324，对所述行进加速度信号进行倾斜协调处理以及幅值限制处理；

步骤325，对所述旋转角速度信号进行一次积分操作；

步骤326，对所述旋转角速度信号以及行进加速度信号进行和运算得到伺服系统的三维姿态角。

本申请同时还提供了一种虚拟挖掘机的控制装置，包括：

操作手柄，所述操作手柄是三自由度操作手柄，用于采集操作信号；

处理器，用于根据所述操作信号，生成挖掘机动作信号以及画面变换信号，所述处理器还配置有洗出算法模型，所述洗出算法模型用于对输入的挖掘机动作信号进行处理并输出仿真动作信号；

VR眼镜，用于接收所述画面变换信号，对虚拟环境进行控制；

运动控制器，用于根据所述仿真动作信号，得出用于控制伺服系统的脉冲信号；

伺服系统，用于接收所述脉冲信号并产生动作；

所述操作手柄与处理器的输入端相连接，所述处理器的输出端分别与VR眼睛以及运动控制器相连接，所述运动控制器与伺服系统相连接；

所述处理器根据所述操作信号，得到的挖掘机动作信号包括行进加速度信号以及旋转角速度信号；所述处理器将所述行进加速度信号以及旋转角速度信号，结合重力加速度，输入至洗出算法模型，洗出算法模型输出的仿真动作信号包括伺服系统的三维方向位移量以及三维方向姿态角。

作为上述技术方案的进一步改进，所述操作信号由两组三自由度数据生成，两组所述三自由度数据分别记为(x₁,y₁,z₁)以及(x₂,y₂,z₂)，所述行进加速度信号与两组三自由度数据的x₁以及x₂的和成正相关，所述旋转角速度信号与两组三自由度数据的x₁以及x₂相关且与x₁成正相关关系。

作为上述技术方案的进一步改进，所述洗出算法模型中配置有：

第一比例模块，用于对所述行进加速度信号进行比例处理；

第一限幅模块，用于对所述行进加速度信号进行幅度限制；

位置变换模块，用于对所述行进加速度信号进行位置变换处理；

减法运算模块，用于对所述行进加速度信号进行减法运算操作，将经过位置变换处理的行进加速度信号减去重力加速度；

第一高通滤波模块，用于将所述行进加速度信号中的低频信号滤除；

第一积分模块，用于对所述行进加速度信号进行二次积分操作，得出三维方向位移量；

第二比例模块，用于对所述旋转角速度信号进行比例处理；

第二限幅模块，用于对所述旋转角速度信号进行幅度限制；

低通滤波模块，用于将所述行进加速度信号中的高频信号滤除；

第二高通滤波模块，用于将进行姿态变换后的旋转角速度信号中的低频信号滤除；

倾斜协调模块，用于对所述行进加速度信号进行倾斜协调处理以及幅值限制处理；

第二积分模块，用于对所述旋转角速度信号进行一次积分操作；

加法运算模块，对所述旋转角速度信号以及行进加速度信号进行和运算得到伺服系统的三维姿态角。

本发明的有益效果是：本发明通过所采集的操作信号生成挖掘机动作信号，利用洗出算法模型对挖掘机动作信号进行处理，从而生成仿真动作信号，最后根据仿真动作信号生成用于控制伺服系统的脉冲信号，实现伺服系统的动作控制，使其动作更加符合实际操作体验，有效增强使用者的动作感官体验。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。

图1是本发明的控制方法流程示意图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本申请的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本申请的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本申请保护的范围。另外，文中所提到的所有连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少连接辅件，来组成更优的连接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。最后需要说明的是，如文中术语“中心、上、下、左、右、竖直、水平、内、外”等指示的方位或位置关系则为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术方案和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

参照图1，本申请公开了一种虚拟挖掘机的控制方法，其第一实施例包括以下步骤：

步骤100，采集操作信号；

步骤200，根据所述操作信号，生成挖掘机动作信号以及画面变换信号；

步骤300，建立洗出算法模型，将所述挖掘机动作信号输入到洗出算法模型中，所述洗出算法模型输出仿真动作信号；

步骤400，根据所述仿真动作信号，得出用于控制伺服系统的脉冲信号；

步骤500，伺服系统接收所述脉冲信号并产生动作；

所述步骤200中根据所述操作信号，得到的挖掘机动作信号包括行进加速度信号以及旋转角速度信号，步骤300中，将所述行进加速度信号以及旋转角速度信号，结合重力加速度，输入至洗出算法模型，洗出算法模型输出的仿真动作信号包括伺服系统的三维方向位移量以及三维方向姿态角。

具体地，本实施例通过所采集的操作信号生成挖掘机动作信号，利用洗出算法模型对挖掘机动作信号进行处理，从而生成仿真动作信号，最后根据仿真动作信号生成用于控制伺服系统的脉冲信号，实现伺服系统的动作控制，使其动作更加符合实际操作体验，有效增强使用者的动作感官体验。

进一步作为优选的实施方式，本实施例中，所述操作信号由两组三自由度数据生成，每组三自由度数据由一个三自由度手柄操作生成，两组所述三自由度数据分别记为(x₁,y₁,z₁)以及(x₂,y₂,z₂)。本实施例通过两组三自由度数据，实现虚拟挖掘机的各项动作模拟，常规的挖掘机动作包括前进、后退、左转、右转、小臂控制、大臂控制、车体旋转以及挖斗张合，即本实施例中需要通过两组三自由度数据生成前进信号、后退信号、左转信号、右转信号、小臂控制信号、大臂控制信号、车体旋转信号以及挖斗张合信号，其中前进信号、后退信号、左转信号以及右转信号属于挖掘机动作信号，小臂控制信号、大臂控制信号、车体旋转信号以及挖斗张合信号属于画面变换信号，所述挖掘机动作信号最终能够使伺服系统所产生动作，所述画面变换信号最终能够使VR眼镜中的场景发生变化。本实施例中当两组三自由度数据的x₁以及x₂均大于零时，输出前进信号；当两组三自由度数据的x₁以及x₂均小于零时，输出向后退信号；当三自由度数据的x₁大于零同时三自由度数据的x₂小于零，输出右转信号；当三自由度数据的x₁小于零同时三自由度数据的x₂大于零，输出左转信号；当三自由度数据的y₁不等于零时，输出小臂控制信号；当三自由度数据的z₁不等于零时，输出车体旋转信号；当三自由度数据的y₂不等于零，输出挖斗张合信号；当三自由度数据的z₂不等于零时，输出大臂控制信号。其中所述前进信号以及后退信号决定了行进加速度信号的大小，所述右转信号以及左转信号决定了旋转角速度信号的大小。具体地，本实施例中，所述行进加速度信号与两组三自由度数据的x₁以及x₂的和成正相关，另外考虑到伺服系统的动作限制，所述行进加速度信号与两组三自由度数据的x₁以及x₂的关系如下，a表示行进加速度信号，V表示速度，V_max表示最大速度，V＝k₂*(x₁+x₂)*t，t表示时间。本实施例中所述旋转角速度信号与两组三自由度数据的x₁以及x₂相关且与x₁成正相关关系，另外需要说明的是，考虑到伺服系统实际动作时的限制，所述转角速度信号与两组三自由度数据的x₁以及x₂的关系如下，ω＝k₃x₁，k₁、k₂、k₃均是比例系数。

进一步作为优选的实施方式，本实施例中，步骤300中，将行进加速度信号以及旋转角速度信号输入到洗出算法模型中，所述洗出算法模型对行进加速度信号执行以下步骤得到三维方向位移量：

步骤311，对所述行进加速度信号进行比例处理；

步骤312，对所述行进加速度信号进行幅度限制；

步骤313，对所述行进加速度信号进行位置变换处理；

步骤314，对所述行进加速度信号进行减法运算操作，将经过位置变换处理的行进加速度信号减去重力加速度；

步骤315，将所述行进加速度信号中的低频信号滤除；

步骤316，对所述行进加速度信号进行二次积分操作，得出三维方向位移量；

所述洗出算法模型对行进加速度信号以及旋转角速度信号执行以下步骤得到伺服系统的三维方向姿态角：

步骤321，分别对所述行进加速度信号以及旋转角速度信号进行比例处理；

步骤322，分别对所述行进加速度信号以及旋转角速度信号进行幅度限制；

步骤323，将所述行进加速度信号中的高频信号滤除，将进行姿态变换后的旋转角速度信号中的低频信号滤除；

步骤324，对所述行进加速度信号进行倾斜协调处理以及幅值限制处理；

步骤325，对所述旋转角速度信号进行一次积分操作；

步骤326，对所述旋转角速度信号以及行进加速度信号进行和运算得到伺服系统的三维姿态角。

具体地，本实施例中，步骤311以及步骤321的比例环节是为了保持输入信号不失真且防止伺服系统超限而设置的；步骤312以及步骤322需要对行进加速度信号以及旋转角速度信号进行幅度限制，进一步的限制伺服系统的运动范围，避免超限带来的不安全事故；步骤313中对所述行进加速度信号进行位置变换处理，所述行进加速度信号是在静坐标系下的矢量，位置变换的目的在于为了将行进加速度从静坐标系转换成伺服系统中座椅平台的质心处，位置变换矩阵如下所示，其中ψ表示座椅平台的偏航角，θ表示座椅平台的俯仰角，φ表示座椅平台的横滚角；步骤323中需要对旋转角速度信号进行姿态变换，姿态变换矩阵为其中ψ表示座椅平台的偏航角，θ表示座椅平台的俯仰角，φ表示座椅平台的横滚角；步骤315中将所述行进加速度信号中的低频信号滤除，步骤323中将所述行进加速度信号中的高频信号滤除，将进行姿态变换后的旋转角速度信号中的低频信号滤除，由于伺服系统中座椅平台的动作的限制决定了其不能通过平动来模拟持续的行进加速度，因此需要将行进加速度中的高频和低频信号进行分离，并分别通过平动和倾斜协调进行模拟，输入的行进加速度信号经过比例环节和幅值限制后分为两路信号，一路信号经过高通滤波之后得到高频部分，再经过积分后得到平台平动的位移，另一路信号经过低通滤波之后得到低频部分，经过倾斜协调达到所需的倾斜角；步骤324中由于伺服系统中的座椅平台行程较短，因此无法通过座椅平台的纵向运动来模拟行进加速度，人体通过视觉感受线速度，通过耳朵后部的前庭器官感知旋转和线加速度，但是人体的前庭器官无法分辨人体的比力(载体相对惯性空间的绝对加速度和引力加速度之和)是线加速度还是重力分量产生的，倾斜协调正是基于人体的感知特点，通过平台倾斜使重力加速度在纵向和横向上的分量模拟这两个方向的线加速度，从而使俯仰和横滚运动代替纵向和横向的平移运动，使人产生纵向、横向的加速感觉。

本申请同时还公开了一种虚拟挖掘机的控制装置，其第一实施例包括：

操作手柄，所述操作手柄是三自由度操作手柄，用于采集操作信号；

处理器，用于根据所述操作信号，生成挖掘机动作信号以及画面变换信号，所述处理器还配置有洗出算法模型，所述洗出算法模型用于对输入的挖掘机动作信号进行处理并输出仿真动作信号；

VR眼镜，用于接收所述画面变换信号，对虚拟环境进行控制；

运动控制器，用于根据所述仿真动作信号，得出用于控制伺服系统的脉冲信号；

伺服系统，用于接收所述脉冲信号并产生动作；

所述操作手柄与处理器的输入端相连接，所述处理器的输出端分别与VR眼睛以及运动控制器相连接，所述运动控制器与伺服系统相连接；

所述处理器根据所述操作信号，得到的挖掘机动作信号包括行进加速度信号以及旋转角速度信号；所述处理器将所述行进加速度信号以及旋转角速度信号，结合重力加速度，输入至洗出算法模型，洗出算法模型输出的仿真动作信号包括伺服系统的三维方向位移量以及三维方向姿态角。

进一步作为优选的实施方式，本实施例中，所述操作信号由两组三自由度数据生成，两组所述三自由度数据分别记为(x₁,y₁,z₁)以及(x₂,y₂,z₂)，所述行进加速度信号与两组三自由度数据的x₁以及x₂的和成正相关，所述旋转角速度信号与两组三自由度数据的x₁以及x₂相关且与x₁成正相关关系。

进一步作为优选的实施方式，本实施例中，所述洗出算法模型中配置有：

第一比例模块，用于对所述行进加速度信号进行比例处理；

第一限幅模块，用于对所述行进加速度信号进行幅度限制；

位置变换模块，用于对所述行进加速度信号进行位置变换处理；

减法运算模块，用于对所述行进加速度信号进行减法运算操作，将经过位置变换处理的行进加速度信号减去重力加速度；

第一高通滤波模块，用于将所述行进加速度信号中的低频信号滤除；

第一积分模块，用于对所述行进加速度信号进行二次积分操作，得出三维方向位移量；

第二比例模块，用于对所述旋转角速度信号进行比例处理；

第二限幅模块，用于对所述旋转角速度信号进行幅度限制；

低通滤波模块，用于将所述行进加速度信号中的高频信号滤除；

第二高通滤波模块，用于将进行姿态变换后的旋转角速度信号中的低频信号滤除；

倾斜协调模块，用于对所述行进加速度信号进行倾斜协调处理以及幅值限制处理；

第二积分模块，用于对所述旋转角速度信号进行一次积分操作；

加法运算模块，对所述旋转角速度信号以及行进加速度信号进行和运算得到伺服系统的三维姿态角。

以上对本申请的较佳实施方式进行了具体说明，但本申请并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (6)

1.一种虚拟挖掘机的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤100，采集操作信号；

步骤200，根据所述操作信号，生成挖掘机动作信号以及画面变换信号；

步骤300，建立洗出算法模型，将所述挖掘机动作信号输入到洗出算法模型中，所述洗出算法模型输出仿真动作信号；

步骤400，根据所述仿真动作信号，得出用于控制伺服系统的脉冲信号；

步骤500，伺服系统接收所述脉冲信号并产生动作；

所述步骤200中根据所述操作信号，得到的挖掘机动作信号包括行进加速度信号以及旋转角速度信号，步骤300中，将所述行进加速度信号以及旋转角速度信号，结合重力加速度，输入至洗出算法模型，洗出算法模型输出的仿真动作信号包括伺服系统的三维方向位移量以及三维方向姿态角。

2.根据权利要求1所述的一种虚拟挖掘机的控制方法，其特征在于，所述操作信号由两组三自由度数据生成，两组所述三自由度数据分别记为(x₁,y₁,z₁)以及(x₂,y₂,z₂)，所述行进加速度信号与两组三自由度数据的x₁以及x₂的和成正相关，所述旋转角速度信号与两组三自由度数据的x₁以及x₂相关且与x₁成正相关关系。

3.根据权利要求2所述的一种虚拟挖掘机的控制方法，其特征在于，步骤300中，将行进加速度信号以及旋转角速度信号输入到洗出算法模型中，所述洗出算法模型对行进加速度信号执行以下步骤得到三维方向位移量：

步骤311，对所述行进加速度信号进行比例处理；

步骤312，对所述行进加速度信号进行幅度限制；

步骤313，对所述行进加速度信号进行位置变换处理；

步骤314，对所述行进加速度信号进行减法运算操作，将经过位置变换处理的行进加速度信号减去重力加速度；

步骤315，将所述行进加速度信号中的低频信号滤除；

步骤316，对所述行进加速度信号进行二次积分操作，得出三维方向位移量；

所述洗出算法模型对行进加速度信号以及旋转角速度信号执行以下步骤得到伺服系统的三维方向姿态角：

步骤321，分别对所述行进加速度信号以及旋转角速度信号进行比例处理；

步骤322，分别对所述行进加速度信号以及旋转角速度信号进行幅度限制；

步骤323，将所述行进加速度信号中的高频信号滤除，将进行姿态变换后的旋转角速度信号中的低频信号滤除；

步骤324，对所述行进加速度信号进行倾斜协调处理以及幅值限制处理；

步骤325，对所述旋转角速度信号进行一次积分操作；

步骤326，对所述旋转角速度信号以及行进加速度信号进行和运算得到伺服系统的三维姿态角。

4.一种虚拟挖掘机的控制装置，其特征在于，包括：

操作手柄，所述操作手柄是三自由度操作手柄，用于采集操作信号；

处理器，用于根据所述操作信号，生成挖掘机动作信号以及画面变换信号，所述处理器还配置有洗出算法模型，所述洗出算法模型用于对输入的挖掘机动作信号进行处理并输出仿真动作信号；

VR眼镜，用于接收所述画面变换信号，对虚拟环境进行控制；

运动控制器，用于根据所述仿真动作信号，得出用于控制伺服系统的脉冲信号；

伺服系统，用于接收所述脉冲信号并产生动作；

所述操作手柄与处理器的输入端相连接，所述处理器的输出端分别与VR眼睛以及运动控制器相连接，所述运动控制器与伺服系统相连接；

所述处理器根据所述操作信号，得到的挖掘机动作信号包括行进加速度信号以及旋转角速度信号；所述处理器将所述行进加速度信号以及旋转角速度信号，结合重力加速度，输入至洗出算法模型，洗出算法模型输出的仿真动作信号包括伺服系统的三维方向位移量以及三维方向姿态角。

5.根据权利要求4所述的一种虚拟挖掘机的控制装置，其特征在于：所述操作信号由两组三自由度数据生成，两组所述三自由度数据分别记为(x₁,y₁,z₁)以及(x₂,y₂,z₂)，所述行进加速度信号与两组三自由度数据的x₁以及x₂的和成正相关，所述旋转角速度信号与两组三自由度数据的x₁以及x₂相关且与x₁成正相关关系。

6.根据权利要求5所述的一种虚拟挖掘机的控制装置，其特征在于，所述洗出算法模型中配置有：

第一比例模块，用于对所述行进加速度信号进行比例处理；

第一限幅模块，用于对所述行进加速度信号进行幅度限制；

位置变换模块，用于对所述行进加速度信号进行位置变换处理；

减法运算模块，用于对所述行进加速度信号进行减法运算操作，将经过位置变换处理的行进加速度信号减去重力加速度；

第一高通滤波模块，用于将所述行进加速度信号中的低频信号滤除；

第一积分模块，用于对所述行进加速度信号进行二次积分操作，得出三维方向位移量；

第二比例模块，用于对所述旋转角速度信号进行比例处理；

第二限幅模块，用于对所述旋转角速度信号进行幅度限制；

低通滤波模块，用于将所述行进加速度信号中的高频信号滤除；

第二高通滤波模块，用于将进行姿态变换后的旋转角速度信号中的低频信号滤除；

倾斜协调模块，用于对所述行进加速度信号进行倾斜协调处理以及幅值限制处理；

第二积分模块，用于对所述旋转角速度信号进行一次积分操作；

加法运算模块，对所述旋转角速度信号以及行进加速度信号进行和运算得到伺服系统的三维姿态角。