钻机虚拟仿真设备是一款虚实结合的半实物模拟仿真训练平台，利用虚拟现实技术，结合先进的系统模型构建方法以及钻机的虚拟仿真模拟算法，构建出一个高沉浸感的虚拟钻机操作环境，再结合硬件设备能够对学员进行逼真的钻机操作教学和培训。
钻机虚拟仿真设备由软件和硬件组成，软件分为地上和地下两大部分，培训功能模块齐全；硬件与软件之间通过数据采集卡实现通信，硬件能够对软件功能模块进行实时控制。
1. 钻机虚拟仿真设备的软件系统设计
1.1 三维建模
在水平定向钻机培训的过程中，学员主要通过手柄、按钮等硬件实现对钻机虚拟仿真系统中的虚拟钻机进行控制，其基本功能由系统中的虚拟钻机进行展示。
钻机虚拟仿真系统的三维建模首先通过通过Solidworks中的拉伸、放样、扫描等命令对本系统中的虚拟钻机进行了建模；其次，利用3dsMax对模型进行法线贴图和渲染，实现对钻机的外观的优化，并导出.FBX格式；最后，将.FBX格式模型导入Unity中，能够通过程序对模型各个部件进行姿态的控制，由此实现软件中的各个功能模块。
1.2 软件界面和场景设计
在实际的水平定向钻机的操作过程中，钻机操作人员需要实时对钻机上各种仪表的数据变化进行观察，以此保证钻机的正常工作。为了使钻机虚拟仿真系统能够满足培训要求，系统采用Unity3D自带的GUI模块对系统软件的主界面和钻进参数界面进行了设计。在检视面板中，采用Panel组件为主界面和钻进参数界面赋予相应的背景，使用Dropdown组件实现了钻进面向角的选择功能。
1.3 钻机功能设计
实现钻机的真实工况需要对钻机的每个动作进行相对应的仿真模拟，因此钻机仿真需要建立强大的逻辑动作库，命令与动作紧密联系、环环相扣。钻机功能分地上部分、地下部分以及辅助部分。
1.3.1 钻机地上功能
在实际的水平定向钻机操作中，控制钻机的行走是操作人员必不可少的工作内容之一。钻机虚拟仿真系统使用Translate()函数和Rotate()函数分别实现了钻机整机的平移和旋转。对钻机履带进行贴图，通过SetTextureOffset()函数使履带的材质发生偏移，实现了履带的转动效果。结合钻机的整机平移、旋转和履带转动的3个模块，实现了钻机的行走功能，为钻机培训人员练习操控钻机的行走提供了良好条件。
为了实现虚拟钻机能够连续上下钻杆的功能，钻机虚拟仿真系统定义了一个DrillName[i]数组，将Unity3D层次面板中的钻杆对象赋到DrillName[i]数组中，通过DrillName[i]为钻杆对象进行排序，结合MoveTowards()函数实现了无序上、下钻杆的功能。
钻机虚拟仿真系统通过Translate()函数依次实现了夹持器的夹持运动、动力头在钻架上的移动以及支腿的伸缩；通过OnTriggerEnter()函数对夹持器、动力头以及支腿进行了限位，防止夹持器、动力头以及支腿超出移动范围；通过Rotate()函数实现了夹持器的卸扣功能以及钻杆的正反转功能。
1.3.2 钻进轨迹设计
钻进轨迹主要包含保直和导向两大类，而钻具面向角是一个重要的钻进参数，其影响着整个钻进轨迹的走向。在保直钻进阶段，钻具面向角保持恒定，钻头沿直线方向钻进；而在导向钻进阶段，根据地质条件和目标位置的变化，动态调整面向角。
钻机虚拟仿真系统结合三维轨迹算法，不仅可以模拟出地下三维钻进轨迹，而且还会综合考虑地质层的倾斜、断层、裂缝等因素，优化钻进路径。同时利用使用三维图形技术，展示钻头在地下的实时位置和轨迹，让用户可以从不同角度观察钻头的钻进过程和轨迹变化，对钻机培训人员能力的提升具有显著作用。
1.3.3 辅助功能设计
钻机虚拟仿真系统利用Unity3D中的粒子和光源模块分别实现了钻机工作时的烟雾效果和灯光模拟效果。在ParticleSystem组件中设置粒子的大小、单位时间发射的数量、发射速度以及消失时间等参数实现静态烟雾效果，将粒子模拟坐标改为世界坐标并将层次面板中的ParticleSystem放入钻机烟囱模型文件夹下作为子物体，当钻机移动时即可模拟出相应的烟雾效果。系统的灯光模拟功能由光源组件下的点光源和聚光灯光源两个模块联合实现，其中点光源光照范围设置在灯罩以内，实现灯罩的遮光效果；设置聚光灯的聚光角度和照射距离，使光线沿灯罩口射出并照亮场景中的实物模型，即可实现灯光模拟效果。
2. 钻机虚拟仿真设备的硬件系统设计
2.1 数据采集与通信
系统通过上位机给数据采集卡发送通信协议，数据采集卡接收到通信协议后返回电压信号到上位机，上位机对返回的电压信号进行解析，对解析的电压信号值的大小进行判断，以此识别硬件中按钮及手柄的状态，当接通电源并对手柄和按钮进行操作时，系统软件功能模块即可做出实时响应。
2.2 操作平台的搭建
按照实际水平定向钻机操作平台的尺寸大小，本系统在Solidworks中对钻机操作平台进行了建模并导出三维模型的CAD图，通过AutoCAD对导出的图形进行了修改并打印出图纸，根据图纸对本系统的操作平台进行了机械加工。
钻机虚拟仿真设备通过软、硬件的结合，使实训系统更加接近实际实训系统，真实感强、稳定性高，为水平定向钻机操作人员提供了良好的培训平台
