橋式起重機動態(tài)仿真與虛擬控制研究.pdf

1、虛擬現(xiàn)實(VirtualReality,簡稱VR),是以計算機技術為核心,通過各種高科技設備生成的,集視覺、聽覺、觸覺為一體化的虛擬環(huán)境。在這個環(huán)境中,用戶借助必要的硬件,能以自然的方式與虛擬環(huán)境中的對象進行相互交流、相互影響,也能操縱控制其中的物體,從而產(chǎn)生一種身臨其境的感受和體驗。通過虛擬現(xiàn)實技術,可以讓其使用者沉浸在一種人工的虛擬環(huán)境中,通過虛擬現(xiàn)實軟件及其外部設備與計算機進行充分的交互,進行構(gòu)思,完成所希望的任務。它綜合了先進的

2、信息技術(如網(wǎng)絡計算、圖形圖像處理、多媒體技術、新型傳感器、仿真模擬等),甚至心理學、仿生學、藝術等領域的研究成果,目的是致力于構(gòu)建一個能使人沉浸其中、虛實結(jié)合的環(huán)境,并能實現(xiàn)高效、多維、更為和諧的人機交互環(huán)境。
　　 近年來,隨著橋式起重機在國內(nèi)應用得越來越廣泛,與其相關的安全事故發(fā)生率也在提高。分析其產(chǎn)生原因可以發(fā)現(xiàn),其中重要的一點就是相關設備作業(yè)人員的專業(yè)知識缺失、操作技術生疏、安全意識不強、危機處理能力差、職業(yè)素質(zhì)不高等

3、。目前,橋式起重機作為特種設備的范疇,在我國已建立了十分健全的特種作業(yè)安全培訓管理制度,但培訓過程及培訓方式較為滯后。在培訓過程中,由于教材內(nèi)容陳舊、教學方式落后、實際操作受現(xiàn)場條件限制,導致橋式起重機作業(yè)人員沒有真正學到先進的行業(yè)理論知識,實踐操作能力不強,導致培訓效果不佳,留下了大量的事故隱患。
　　 隨著現(xiàn)代科學技術的迅速發(fā)展和安全生產(chǎn)水平及管理水平的提高,利用虛擬現(xiàn)實技術對橋式起重機作業(yè)人員進行仿真培訓已經(jīng)成為培養(yǎng)高素質(zhì)

4、作業(yè)人員的迫切需要。本文即是在這種背景下,將虛擬現(xiàn)實技術應用于橋式起重機作業(yè)人員仿真培訓,研究基于虛擬環(huán)境技術的橋式起重機操作培訓系統(tǒng)。
　　 本文重點介紹了構(gòu)建橋式起重機虛擬仿真平臺所采用的關鍵技術,及其應用方法。同時研究分析了如小車運行時的貨物偏擺動力學分析、硬件控制系統(tǒng)、多通道顯示系統(tǒng)、培訓考核專家系統(tǒng)等主要功能模塊的實現(xiàn)方法。并對該系統(tǒng)的應用前景進行了分析和展望。本文的主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點如下:
　　 (1)研究

5、建立了橋式起重機仿真工作視景系統(tǒng)。其虛擬視景主要包括港口外景、工廠車間和橋式起重機仿真模型等部分。其中港口外景和工廠車間中包含諸如廠房、物料、工作人員和運輸設備等三維模型,通過效果渲染、紋理映射、光照等技術處理,產(chǎn)生一個典型的橋式起重機虛擬場景,使操作者有身處橋式起重機工作環(huán)境的感覺。橋式起重機模型是進行仿真操作的平臺,受訓者在橋式起重機仿真培訓專用駕駛艙內(nèi)控制仿真對象,實現(xiàn)對其虛擬控制,學習各種操作動作。
　　 (2)為了獲得

6、真實的交互培訓效果,研究了基于物理特性的鋼絲繩偏擺仿真,并為之開發(fā)了專用的關節(jié),實現(xiàn)了通過剛性體運動迭代方式來模擬柔性物體的運動。
　　 (3)按照國家制訂的橋式起重機作業(yè)人員培訓考核大綱,設計開發(fā)模擬操作評估知識庫,可讓培訓人員在系統(tǒng)控制下進行培訓,并根據(jù)國家要求對其操作進行自動評價。
　　 (4)在現(xiàn)有的橋式起重機駕駛倉的基礎上,運用傳感器、數(shù)據(jù)通信與采集技術,設計開發(fā)出一套與通用橋式起重機控制方式(主令控制器方式)