采煤機狀態數據實時特效渲染技術

賈 龍,張哲豪,石成虎,馬戰鵬,楊皓月,李思雯

(1.西安重裝智慧礦山工程技術有限公司,陜西 西安 710032;2.中國礦業大學 機電工程學院,江蘇 徐州 221116;3.蘇州優米康通信技術有限公司,江蘇 蘇州 215104)

0 引言

現代化綜采工作面是煤礦生產安全、高效、綠色生產的重要保障,采煤機是現代化綜采設備體系中重要的機電液一體化裝備之一,在煤礦井下“三機”協同開采中占重要地位,其自動化、智能化成套技術水平直接影響到整個綜采工作面安全生產和開采效率,而采煤機監控系統是實現采煤機“精準”“透明”開采的必要條件?，F階段,采煤機運行狀態的監控集中在溫度、電流、速度和姿態等傳感信息,通過二維面板進行顯示,狀態數據信息表征直觀性較差。

隨著虛擬現實(Virtual Reality,VR[1-2])技術與煤礦智能化高效開采的逐漸融合,一定程度上提高了礦山生產效率和經濟效益,但是此方向仍屬于起步階段,顯示出廣闊的應用前景。將虛擬現實技術應用于煤礦及采煤機監控領域,對其進行實時可靠、形象直觀、具有可交互性的遠程監測,可及時掌控煤礦及采煤機的準確運行狀態[3]。適時調整運行參數,必要時發揮人的能動性,進行人工遠程干預,實現臨場式的遠程控制與調度[4],對提高生產效率、消除事故隱患、減少工人數量和降低事故發生,有著極其重要的保障作用[5],是實現綜采智能化和安全高效生產的最有效手段。

現階段VR技術已被廣泛應用于采煤機運行狀態實時監測,但采煤機運行狀態是數據仍采用數據形式進行獨立表征,未能實現將牽引、截割、姿態信息進行融合,監控信息的變化率與偏離信息與采煤機3D模型渲染處于分離狀態,不能實現與虛擬現實模型進行實時動態融合,未能充分發揮采煤機3D模型的綜合表現作用[6]。

針對以上問題,提出一種基于物理的實時渲染方法,基于采煤機負載電流、液力狀態和截割頂底板曲線3個采煤機重點監測數據,提出了3種實時特效渲染技術?；诓擅簷C溫度傳感網絡,提出了實時溫度數模融合渲染技術;基于對采煤機搖臂殼體的有限元分析,生成預渲染載荷貼圖,借助采煤機搖臂傾角、運行速度2個指標生成實時載荷貼圖,提出了搖臂殼體截割負載數據融合渲染技術,切實推動解決傳統采煤機VR系統存在問題,在較為精確地表達采煤機運行狀態的同時,兼顧系統的實時性、真實感與沉浸感。

1 物理渲染光照模型及圖元頂點變換

基于物理的渲染(Physically-Based Rendering,PBR[7-8])是由Disney提出、Epic改進的一種計算機圖形渲染中使用的更加符合物理學規律的網格模型實時著色程序的集合。較傳統的Lambert光照模型和Blinn-Phong光照模型來說,PBR光照模型的渲染原理更加接近現實世界的物理原理。

基于物理的渲染光照模型理論包括微平面模型、能量守恒計算、菲涅爾反射、線性空間、色調映射和物質光學特性[9-10],其實質就是計算3D場景環境光照射到網格模型表面上一點P并將一部分光反射到場景攝像機中的過程,該過程可以使用渲染方程表示

(1)

式中,Lo(P,ωo)為點P在輸入光照Li(P,ωi)下反射到場景攝影機中的輻照度;Le(P,ωo)為點P自發光發出的光輻照度(默認為0);ωi為光照方向L的立體角;ωo為觀察方向V立體角;fr(P,ωi,ωo)為光照散射函數;n·ωi為P點法線方向向量和光照方向向量l的夾角θi,如圖1所示。Ω為點P法線方向的半球領域;dωi為光照方向立體角積分微元,如圖2所示。

圖1 點P光照渲染過程Fig.1 Point P lighting rendering process

圖2 半球領域Ω與立體角ωFig.2 Hemispherical field Ω and solid angle ω

根據PBR光照模型,文中使用的PBR材質粗糙度/金屬度工作流紋理可分為8種類型,圖像格式有彩色圖像(RGB)格式和灰度格式(Grayscale),見表1。

表1 采煤機傳感數據監測實驗操作流程時間

表1 PBR粗糙度/金屬度工作流材質紋理

虛擬現實上位機使用的Unity引擎可編程渲染管線(High Definition Render Pipeline,HDRP)中的HDRP著色器采用上表8張紋理組成的4張貼圖用于著色器貼圖采樣器(Sampler)的采樣和PBR著色計算,貼圖采用Tegra高質量圖像格式(*.tga)存儲,貼圖通道紋理定義和與著色器輸入端的關系,如圖3所示。

圖3 貼圖通道紋理定義和與著色器輸入端的關系Fig.3 Relationship between map channel texture definition and shader input

通道灰度顏色值為Roughness對應顏色值的反相

CSmoothness=1-CRoughness

(2)

當引擎渲染畫面時,通過HDRP可編程渲染管線和著色器輸入的各類材質通道和場景光照信息,將模型頂點轉換到屏幕上,并基于上文研究的PBR光照模型進行著色計算,即可獲得逼真的場景圖像。以下重點介紹Unity使用的HDRP可編程渲染管線流程及模型的頂點變換。

要通過特效表達采煤機的實時傳感數據,必須先研究圖元數據頂點的空間變換過程。圖元數據頂點在渲染管線的著色程序中進行了4次空間變換,圖元頂點空間變換流程如圖4所示。

圖4 圖元頂點空間變換流程Fig.4 Primitive vertices space transformation process

對于模型空間下一頂點P0(xo,yo,xo,1),從模型空間變換到世界空間的矩陣M和世界空間下的Pworld點坐標可由(3)、(4)式求出

M=TRK

(3)

(4)

式中,T為平移矩陣;R為旋轉矩陣;K為縮放矩陣。順序為先縮放,再旋轉,最后平移。

Pworld點從世界空間變換到觀察空間的矩陣V和觀察空間下的Pview點坐標可由下式求出

(5)

(6)

式中,R-1為逆旋轉矩陣;T-1為逆平移矩陣。變換需要將頂點所在的模型逆向移動至觀察空間原點,最后將z分量取反(觀察空間是右手坐標系)。

Pview點從觀察空間變換至剪裁空間點Pclip所使用的投影矩陣P可以通過下式計算

P=

(7)

(8)

式中,αFOV為攝影機視場角;δ為攝影機橫縱比;dFar和dNear為遠近剪裁平面與攝像機鏡頭的水平距離。

得到剪裁空間點Pclip的坐標后,進行透視除法,將頂點Pclip轉換為歸一化設備坐標系下的點PNDC,并將z分量寫入深度緩存。

(9)

式中,dDepth為深度緩存中該點的深度,dDepth?[0,1];且xNDC,yNDC?[-1,1]。

在Unity里,屏幕空間最左下角像素的像素坐標為(0,0),最右上角像素的像素坐標為(wscn,hscn),則點PNDC映射到屏幕空間的坐標Pscn可通過下式計算

(10)

最后獲得點P0(xo,yo,zo,1)經過一系列空間變換后在屏幕空間的坐標Pscn(xscn,yscn)。

2 采煤機傳感數據實施特效渲染技術

基于PBR光照模型與模型頂點坐標變換的研究為基礎,基于Unity HDRP可編程渲染管線選取采煤機3個重點監測模擬量數據,設計著色程序,實現基于采煤機實時傳感數據流數據的3D可視化效果。

2.1 負載電流渲染技術

電流是最基本的物理量之一,是采煤機監測中最重要的物理量,能直觀反映負載和線路的工作狀態。本系統虛擬現實上位機負載電流渲染技術采用高階著色器語言(High Level Shading Language,下文簡稱HLSL)編寫HDRP渲染管線適用的負載電流渲染著色器。該著色程序實現虛擬現實上位機對于采煤機三相進線電流、泵電機電流、左右牽引電機電流、左右截割電流的實時3D數據可視化渲染,渲染流程和特效對象父子關系樹如圖5所示。

圖5 負載三相電流渲染流程和特效對象父子關系樹Fig.5 Load three-phase current rendering process and parent-child relationship tree of special effect objects

場景特效對象父子關系樹如圖5(g)所示。特效對象使用一個空對象進行封裝,包含一個用于渲染特效的Quad網格和3個顯示電流百分比的Unity用戶界面TextMesh組件。

步驟一:渲染初始化階段。以C#腳本委托回調機制建立回調函數,獲取采煤機實時傳感數據流(下稱數據流)中監測負載三相電流的U、V和W相電流值,如圖5(a)所示;獲取固定值,包括三相額定電流、三相電流相位差和三相電流特效顏色,如圖5(b)所示。

步驟二:C#腳本數據處理階段。為了使著色器能夠同時用于采煤機不同機構電流的可視化渲染,對三相電流各相電流數據以式(11)進行絕對值和歸一化計算

(11)

式中,ix為歸一化的某相電流值,可表示iu、iv或iw;Ix為數據流中獲取的某相電流值,可表示Iu、Iv或Iw;Ie為該三相電流額定值,為了保證在采煤機啟動的瞬時三相電流為額定電流150%左右時特效可以正常渲染,故式中乘以系數2/3。計算完成后保存在三維數組(Vector 3)中。采用分辨率為1 024×1 024的二維紋理(Texture 2D)格式存儲C#腳本預生成的三角函數灰度二值化程序紋理。然后更新每相電流對應的TextMesh組件,并將三維數組、三相電流特效顏色、三相電流相位差和三角函數灰度程序紋理輸入HLSL著色器程序中,如圖5(c)所示。

步驟三:頂點著色器中的紋理坐標重映射,如圖5(d)所示。為了表示UVW相電流的相位差和電流大小,對灰度程序紋理的采樣UV坐標進行重映射計算。對采樣坐標U分量的偏移以V相電流采樣坐標U分量值ucur-v為基準,則U相采樣坐標ucurr-u和W相采樣坐標ucurr-w可由下式計算

(12)

(13)

式中,φuv為三相電流U相和V相的相位差,φuv=2π/3;φvw為三相電流V相和W相的相位差,φvw=2π/3。三相電流采樣坐標V分量與歸一化電流值成比例,且V分量的大小被限制在閉區間[0,1]中,由HLSL函數Clamp(x,min,max)實現

(14)

式中,vx為三相電流的采樣坐標V分量,可表示vu,vv或vw。

步驟四:基于HLSL時間內置變量的紋理動畫,如圖5(d)所示。通過HLSL時間內置變量動態改變3個電流分量采樣坐標U分量,實現紋理從左往右勻速運動,動態渲染電流的波動情況:采樣坐標U分量可由以下公式計算

ux-anim=ux+kspeedtHLSL

(15)

式中,ux-anim為帶紋理動畫的三相電流的采樣坐標U分量,可表示uu-amin,uv-anim和uw-anim;tHLSL為HLSL時間內置變量。然后使用2D紋理貼圖采樣器對3個電流分量的UV坐標進行采樣,采樣函數為tex2D(ux-anim,vx)。

步驟五:片元著色器中的顏色疊加,如圖5(e)所示。將輸入著色器程序的三相電流特效顏色分別和3個電流分量采樣后的2D紋理圖像進行逐像素顏色相乘,將顏色進行疊加。

步驟六:通道混合,如圖5(e)所示。以電流U分量經過UV采樣后的灰度圖片為遮罩紋理(Mask Map),將電流U分量和V分量的彩色紋理圖像進行疊加,再以電流V分量經過UV采樣后的灰度圖片為遮罩,疊加電流W分量的彩色圖像。對于2D紋理每個像素來說,疊加后紋理像素顏色Plerp由被疊加紋理和疊加紋理同位置像素顏色Pt1和Pt2以及遮罩紋理同位置像素顏色Pmask決定,逐像素的疊加計算模型和疊加效果如式(16)和圖6右側所示;2D灰度紋理遮罩則由3個電流分量的灰度圖逐像素取最大值合成,如圖6左側所示。

圖6 疊加后的2D紋理遮罩和圖片Fig.6 2D texture mask and image after overlaying

(16)

步驟七:采用HDRP著色器對其進行渲染,以上步驟中計算的動態紋理、自定默認參數與PBR材質通道定義的關系如圖7所示。

圖7 紋理與PBR材質通道定義關系Fig.7 Relationship between 2D texture and PBR material channel definition

加載電流渲染特效可根據腳本實時輸入的三相電流和額定電流進行電流特效2D圖像紋理的參數化動態渲染,效果如圖8所示。

圖8 負載電流特效2D圖像紋理的參數化動態渲染Fig.8 Parametric dynamic rendering of load current special effect 2D image texture

通過以上步驟,將采煤機實時傳感數據流中各部負載三相電流特效在Unity場景特效對象中的Quad網格上進行實時動態渲染,并通過濾鏡(Volume)進行屏幕圖像后處理增強自發光效果,如圖9所示。

圖9 負載三相電流特效在Unity場景中的實時渲染Fig.9 Real time rendering of load three-phase current special effect in Unity scene

2.2 液力狀態渲染技術

采煤機的液力狀態指其液壓和冷卻系統管網的壓力和流量,是重要的監測模擬量,反映了采煤機液壓和冷卻系統管網的壓力傳遞和流量分配情況[13]。本系統虛擬現實上位機使用節點化的Unity Shadergraph著色器編輯器編寫適用于HDRP渲染管線的Lit Graph著色程序,基于采煤機實時傳感數據流,實現采煤機各部液力狀態3D特效的動態渲染。渲染流程和場景特效對象父子關系樹如圖10和圖11所示。

圖10 液力狀態實時渲染流程Fig.10 Process of hydaulic state real-time rendering

圖11 液力狀態特效對象父子關系樹Fig.11 Parent-child relationship tree of hydraulic state effect objects

液力狀態渲染特效對象使用一個空對象進行封裝,包含一個用于渲染特效的Quad網格、2個顯示流量以及壓力百分比的Unity用戶界面TextMesh組件。

步驟一:渲染初始化階段。將特效渲染使用的Quad網格信息輸入頂點著色器,如圖10(a)所示。其余2個輸入對象與負載電流渲染技術中步驟一類似,獲取采煤機數據流中監測液力狀態傳感器的壓力和流量值,如圖10(b)所示;獲取傳感器額定壓力、額定流量和壓力流量特效顏色,如圖10(c)所示。

步驟二:C#腳本數據處理階段。與負載電流渲染技術中步驟二類似,根據額定壓力和額定流量值,將實時壓力和流量值進行絕對值和歸一化計算,并通過C#腳本獲取攝影機的視場角、遠近剪裁平面和畫面橫縱比輸入頂點著色器用于計算空間變換矩陣;最后更新場景特效對象TextMesh組件,如圖10(c)所示。

步驟三:網格的空間變換與重建。該過程在頂點著色器中完成,使Quad網格三角面法線方向一直與攝影機觀察方向重合。對于Quad網格的某個頂點P0來說,首先通過式(17)計算模型空間下原點O0(0,0,0)到點P0(x0,y0,z0)的方向向量O0P0,并將模型原點O0通過式(19)的MV變換轉換至觀察空間得到點O1(x1,y1,z1),然后通過式(19)在觀察空間計算P0在觀察空間下相對于O1的點P1(x2,y2,z2),從而在觀察空間重建網格,最后將網格點P1通過式(20)的MV逆變換轉換到模型空間下的點P3(x3,y3,z3),如圖10(e)所示。

(17)

(18)

(19)

(20)

式中,M為模型矩陣;V為觀察矩陣。

步驟四:基于噪聲和程序紋理的特效合成階段,在片元著色器中進行計算,如圖10(f)所示。壓力特效的實時渲染2D紋理貼圖采用壓力水球的形式表現,通過對白噪聲和UV查找紋理的直角坐標形式進行縮放、采樣和疊加而成。圖像白噪聲生成算法以式(21)為基礎,逐像素掃描并生成隨機數γ,且γ?[0,1];UV查找紋理是以遍歷UV坐標值為基礎生成的雙通道圖像(RG圖像),便于2D紋理采樣器快速查找對應的UV坐標值,其R通道代表u分量的取值,G通道代表v分量的取值,如圖12所示。

(21)

圖12 UV坐標查找紋理(直角坐標)Fig.12 UV coordinate searching texture(rectangular coordinate)

通過C#腳本輸入的歸一化壓力值,經過重映射(Remap)與二值化(Step)處理得到形似波動水面的分界閾值圖。通過系統時間內置變量控制2D紋理采樣器采樣UV坐標形成紋理動畫,最后通過顏色疊加形成動態渲染的壓力水球效果2D紋理和對應的灰度遮罩紋理。

流量實時渲染特效則以環形加載特效的形式表達,與壓力的實時渲染特效紋理類似,UV查找圖采用極坐標的形式,如圖13所示。

圖13 UV坐標查找紋理(極坐標)Fig.13 UV coordinate searching texture(polar coordinate)

將歸一化流量值根據區間[0,1]上下界重映射到旋轉區間[0,360]中,并使用系統時間內置變量增添紋理動畫。

步驟五:顏色疊加和通道混合,以壓力水球2D紋理和流量環形加載特效灰度遮罩紋理為基礎,疊加流量環形加載2D紋理作為液力狀態特效自發光輸入紋理,如圖14(a)所示;逐像素遍歷壓力水球遮罩紋理和流量環遮罩紋理,取二者最大值重新組成液力狀態特效遮罩紋理,如圖14(b)所示。

圖14 液力狀態特效2D紋理和遮罩紋理的疊加Fig.14 Overlaying of 2D texture of hydraulic state effect and mask texture

步驟六:HDRP著色器其他渲染流程,如圖10(g)所示。

液力狀態渲染3D特效可根據腳本實時輸入的歸一化壓力和流量,進行電流特效2D圖像紋理的參數化動態渲染,所有顏色可通過用戶自定義,效果如圖15所示。

圖15 液力狀態特效2D圖像紋理的參數化動態渲染Fig.15 Parametric dynamic rendering of 2D image texture of hydraulic state effect

圖15中QN為歸一化流量值,PN為歸一化壓力值,且QN,PN?[0,1]。

通過以上步驟,將采煤機實時傳感數據流中各部液力狀態特效在Unity場景特效對象中的Quad網格上進行實時動態渲染,并通過濾鏡進行屏幕圖像后處理增強自發光效果,如圖16所示。

圖16 液力狀態特效在Unity場景中的實時渲染Fig.16 Real time rendering of hydraulic state effect in Unity

2.3 截割頂底板曲線動態渲染技術

采煤機長時間連續運行割煤的過程中,基于示教數據準確地截割綜采工作面頂底板高度是綜采工作安全高效的重要保證[14]。采煤機截割頂底板曲線動態渲染技術可形象地表達出采煤機一刀截割過程中截割的頂底板曲線的形態,便于其遠程監控,對采煤機自動截割技術、頂底板曲線修正和優化技術等綜采關鍵技術的運用起到一定的推動作用。

頂底板曲線動態渲染流程基于采煤機實時傳感數據流中搖臂傾角傳感器數據、機身傾角傳感器數據、軸編碼器數據和系統配置文件中的采煤機尺寸數據進行實時解算,并基于虛擬現實上位機系統Unity界面畫布組件動態繪制,詳細流程如圖17所示。

圖17 采煤機頂底板截割曲線動態渲染流程Fig.17 Dynamic rendering process of cutting curve of roof and floor of shearer

步驟一:C#腳本數據處理階段。虛擬現實上位機在接收到采煤機實時傳感數據流后,激活C#事件委托機制,運行回調方法,通過序列化提取搖臂傾角傳感器、機身傾角傳感器和軸編碼器傳感量。

步驟二:頂底板高度數據解算階段。通過左右搖臂傾角傳感器數據和機身傾角傳感器數據解算采煤機截割最高點與最低點高度;通過軸編碼器數據解算采煤機截割最高點與最低點的位置。

步驟三:向量封裝與插入。由于姿態解算使用的坐標系與Unity坐標系不同,如圖17所示,故分別將截割最高點的位置和高度、截割最低點的位置和高度封裝進Unity Vector3向量的第一、第二分量,第三分量使用采煤機模型左右滾筒中心在場景中的位置z分量填補,最后將封裝的數據分別插入頂板與底板向量有序數組的末位。如圖17(a)所示。

以下所述步驟進入截割曲線動態生成階段,如圖17(b)所示。該階段由C#協同程序(Coroutine)驅動的迭代器(Enumerator)和Unity消息方法LateUpdate()實時更新,與上一階段接收與解算點向量的時間間隔無關。

步驟四:頂底板點向量組的異步遍歷。由于機械化綜采工作面采煤機截割一刀的過程為40 min左右,在此過程中,虛擬現實系統每隔1 s就需要接收并處理一次數據流,頂底板點向量組數據量可達9 600個,而系統每一次曲線繪制的時間間隔在1.60 s左右,數據處理量較大。為了防止畫面卡頓,繪圖前的點向量組遍歷過程采用工廠設計模式,以線程池異步委托的形式遍歷和處理點向量組,以保證主線程對系統畫面的渲染流暢度。

步驟五:攝影機參數的獲取與點向量的空間轉換。首先使用C#腳本獲取用戶控制的場景攝影機視場角、橫縱比和遠近剪裁平面參數,便于計算空間變換矩陣;然后通過線程計算,將點向量坐標從世界空間變換到窗口坐標系中,保存在窗口坐標系下向量點的二維向量組List中。

步驟六:n次Bézier曲線插值計算。為了防止渲染曲線過度遮擋場景界面,頂底板曲線采用基于Unity Sprite對象預制體組成的點畫虛線在系統用戶界面畫布組件進行實時繪制與渲染,需要將向量組中離散的點坐標進行連續化插值,然后按照對象大小和對象間隔距離重定義每一個Sprite對象的實際窗口坐標,如圖18所示。故采用n次Bézier曲線進行插值計算,見式(22)和式(23)。

(22)

圖18 姿態解算坐標系與Unity坐標系Fig.18 Attitude solution coordinate system and coordinate system in Unity

圖20 截割頂底板曲線的實時渲染Fig.20 Real time rendering of cutting roof and floor curves

(23)

式(22)將欲求插值點窗口坐標的x分量進行歸一化計算得到參數t,xmax為插值曲線輸入頂點橫坐標最大值,即采煤機截割最高點或最低點橫坐標;式(23)根據歸一化橫坐標值t和曲線在窗口坐標系下的n個離散點P0,P1,…,Pn,遞歸地進行Bézier插值計算,最后求得插值點窗口坐標(x,B(t))。

步驟七:曲線繪制與渲染階段。曲線基于Unity畫布組件繪制,渲染時關閉深度寫入(Z-Write)并取消陰影計算,便于渲染管線對于曲線上所有的Sprite對象預制體進行動態合并批處理(Dynamic Batch)。頂底板曲線渲染順序位于Overlay渲染隊列首位,位于場景半透明網格模型渲染隊列Transparent之后,如圖19所示。故曲線的生成與更新采用Unity UI更新消息方法LateUpdate()在場景更新完成后進行曲線更新,最后由HDRP渲染管線創建渲染隊列按順序渲染屏幕所有對象。

圖19 渲染順序與渲染隊列Fig.19 Unity rendering order and rendering queue

3 實驗研究

為了驗證所提出采煤機狀態數據實時特效渲染方法的有效性,文中搭建采煤機虛擬現實監測系統平臺,對采煤機虛擬現實表達渲染技術方法的監控與優化效果進行驗證,實驗平臺硬件結構圖如圖21所示。

圖21 實驗平臺硬件結構Fig.21 Hardware structure of experimental platform

實驗平臺的數據傳輸原理基于CAN總線及以太局域網,通過操作遙控操作站,控制采煤機運行,并基于采煤機物理傳感體系,采集傳感數據和機載PLC發送的CAN幀,在CAN-HUB進行數據集成,使用CAN-NET轉換為有線以太網發送至交換機和路由器,通過路由器轉換為無線局域網信號,將原始數據發送至采煤機工控機顯示界面傳感數據處理計算機,進行數據實時處理,并經由數據庫服務器實時保存,最后驅動采煤機虛擬現實上位機對采煤機工況進行動態渲染表達。

由于虛擬現實上位機監控數據達46個,文中僅展示部分關鍵監控數據與其可視化效果。實驗通過模擬采煤機換向操作,記錄并對比采煤機工控機記錄數據與采煤機虛擬現實上位機接收和展示的數據,對虛擬現實表達渲染技術方法進行實驗。設計實驗時長100 s,實驗流程見表1。文中展示實驗過程中采煤機模型機左牽引電流(圖22)、機身溫度(圖23)、冷卻水總流量(圖24)及調高液壓系統總壓力(圖25)曲線圖,并將工控機數據與虛擬現實上位機數據進行對比。

圖22 采煤機模型機左牽引電流曲線Fig.22 Left traction current curve of model shearer

圖23 采煤機模型機機身溫度曲線Fig.23 Temperature curve of model shearer

圖24 采煤機模型機冷卻水總流量曲線Fig.24 Total flow curve of model shearer cooling water

圖25 采煤機模型機調高液壓系統壓力曲線Fig.25 Pressure curve of height regulating hydraulic system of model shearer

采用皮爾遜相關系數[15]對文中所提出的負載電流渲染技術、液力狀態渲染技術的數據表征準確性進行評估。通過求解采煤機工控機記錄數據所擬合的曲線與采煤機虛擬現實上位機展示數據擬合曲線之間的皮爾遜相關系數可得以下幾點:①采煤機模型機左牽引三相電流的平均皮爾遜相關系數約為0.764 5;②采煤機模型機機身溫度的皮爾遜相關系數約為0.942 4;③采煤機模型機冷卻水總流量的皮爾遜相關系數約為0.951 0;④采煤機模型機調高液壓系統壓力的皮爾遜相關系數約為0.946 7。綜上,平均皮爾遜相關系數約為0.901 6,處于0.8至1.0區間,屬于極強相關,因此,文中所提出的采煤機負載電流和液力狀態渲染系統可以實現采煤機傳感數據的準確跟蹤與實時表征。

由于頂底板曲線動態渲染流程基于采煤機實時傳感數據流中位置與姿態信息,因此,采用虛擬現實上位機中的搖臂傾角、采煤機位移數據與相應的工控機數據進行比較評價,比較結果如圖26所示。

圖26 采煤機位姿評價Fig.26 Evaluation for shearer position and attitude

如圖26所示,虛擬現實上位機數據曲線對于采煤機搖臂傾角和位移兩關鍵采煤機位姿數據曲線均表現為較高的重合度。經計算,虛擬現實上位機對于采煤機搖臂傾角和位移表征的平均誤差分別為0.817 4°和0.016 42 m,可實現采煤機位姿數據的有效表征,滿足實際需求。

在實驗過程中,采煤機虛擬現實上位機VR場景的實時渲染表達基于圖26實驗數據動態更新,實現對采煤機模型機的實時監控,如圖27所示。

圖27 上位機VR場景數據可視化3D特效Fig.27 Visualized 3D effects of host computer VR scene data

由以上實驗圖表可得,采煤機虛擬現實表達渲染技術可以較為準確地完成采煤機在虛擬空間的映射,通過以太局域網真實傳感數據驅動的場景實時特效渲染場景工作穩定,增強了監控系統的真實感與沉浸感。

4 結論

(1)實現采煤機準確、直觀的監控是提升采煤機“精準”“透明”開采的重要條件。針對主流采煤機虛擬現實場景顯示數據與模型分離、直觀性差的問題,結合虛擬現實前沿技術和平臺,基于采煤機負載電流、液力狀態和截割頂底板曲線3個采煤機重點監測數據,基于PBR光照模型和模型頂點坐標變換,依據HDRP渲染管線流程提出相應的實時特效渲染技術。

(2)采煤機狀態數據實時特效渲染技術較為準確地表達采煤機姿態,且增強了真實感與沉浸感,在一定程度上克服了傳統采煤機虛擬現實系統數據與模型分離的問題,也為新一代綜采工作面虛擬現實監控系統的研究提供了思路。

(3)后續工作將繼續對采煤機虛擬現實系統進行研究,建立采煤機結構參數映射機制,構建可以適應不同機型采煤機的虛擬現實系統,最終構建一套完整的基于數據驅動的控制與傳感集成的采煤機虛擬現實監控平臺。