起重機模擬培訓(xùn)系統(tǒng)若干關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、虛擬現(xiàn)實是一種先進的、自然的、直接的人機交互技術(shù)，它能夠同時提供諸如視覺、聽覺、觸覺等多種感知，允許用戶與計算機中的模型進行實時交互，并使他們獲得與真實世界相似的體驗。隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究越來越深入，其應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛。 模擬培訓(xùn)系統(tǒng)是一種集成了傳感器技術(shù)、計算機接口技術(shù)、三維實時動畫技術(shù)、人工智能技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)等先進技術(shù)于一體的仿真系統(tǒng)，它不僅具有節(jié)能、安全、經(jīng)濟等優(yōu)點，而

2、且培訓(xùn)不受時間、氣候、場地的限制。借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)的3I特性--沉浸(Immersion)、交互(Interaction)和構(gòu)想(Imagination)，受訓(xùn)者可以沉浸在虛擬操作環(huán)境當(dāng)中。根據(jù)虛擬環(huán)境提供的視覺、聽覺和觸覺反饋，直接感知操作對象的結(jié)構(gòu)和工作原理，構(gòu)想操作動作要領(lǐng)，體驗在現(xiàn)實世界中經(jīng)常發(fā)生或者極少發(fā)生的各類生產(chǎn)工況，并取得令人滿意的培訓(xùn)效果。 起重機是一類廣泛應(yīng)用于冶金、制造、港口、水電、建筑等行業(yè)的物流運輸設(shè)備

3、，同時，起重機也屬于特種設(shè)備的范疇，起重機司機必須經(jīng)過嚴格的安全技術(shù)理論學(xué)習(xí)和安全技術(shù)操作實踐，考核合格之后方能獲證上崗。目前起重機司機受訓(xùn)的實踐操作與考核環(huán)節(jié)大部分是在租用工廠的起重機上進行，這種方式雖然能夠使受訓(xùn)者獲得直接的受訓(xùn)體驗，但也存在較大的安全隱患，同時具有受訓(xùn)資源受限、能耗浪費大、考核評估缺乏客觀性、培訓(xùn)效果不盡如人意等缺點，這給當(dāng)前起重機司機的培養(yǎng)工作帶來了極大的挑戰(zhàn)。研究并開發(fā)性能卓越、功能強大的起重機模擬培訓(xùn)系統(tǒng)并將

4、其用于起重機司機的培訓(xùn)工作，是迎接這一挑戰(zhàn)的最有效方法，本文即是在這一背景下選題并展開研究的。 本文針對起重機司機培訓(xùn)的特殊要求，分析了起重機模擬培訓(xùn)系統(tǒng)的特點與組成，建立了融合技能訓(xùn)練和理論知識教學(xué)于一體的培訓(xùn)實施框架，并對其中的建模理論與方法、紋理特效與性能優(yōu)化技術(shù)、可運動的虛擬人體建模及其自由變形方法、適于起重機受訓(xùn)環(huán)境的視景顯示方案、面向操控的人機交互技術(shù)等內(nèi)容進行了系統(tǒng)、深入的研究。論文選題具有重要的理論意義與實用價值

5、，取得的成果和創(chuàng)新點主要有： 1、提出了一種新的模擬培訓(xùn)的實施框架，指出模擬培訓(xùn)系統(tǒng)不僅應(yīng)該具有模擬操作功能，還要具有理論知識教學(xué)功能；針對起重機司機培訓(xùn)的要求，給出了一種系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)，并采用多層次的視景模型以適應(yīng)不同的培訓(xùn)目的。 2、研究了基于景物幾何的起重機虛擬場景的建模方法。根據(jù)起重機工作場景不同組成部分的結(jié)構(gòu)特點采取了有針對性的建模策略，建立了包含大車、小車和取物裝置等主要運動構(gòu)件的層次模型；基于模板文件實現(xiàn)了可

6、參數(shù)驅(qū)動的箱形梁虛擬建模，解決了系列化箱形結(jié)構(gòu)的快速建模問題；基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)設(shè)計了若干典型型材的自定義原型節(jié)點，可以實現(xiàn)快捷方便的型材虛擬建模。 3、研究了紋理特效與性能優(yōu)化技術(shù)。采用具有透明度信息的紋理圖像，實現(xiàn)了基于簡單造型節(jié)點和紋理映射技術(shù)的桁架結(jié)構(gòu)建模；基于多重紋理的光照技術(shù)，實現(xiàn)了箱形梁內(nèi)部場景的移動光照效果；從文件的優(yōu)化、模型的優(yōu)化和紋理的優(yōu)化三個方面出發(fā)，研究了VRML場景的優(yōu)化處理技術(shù)；采用Bsp樹對場景模型進

7、行組織和管理，有效地控制了三角形面片的渲染數(shù)量。 4、研究了基于骨架的虛擬人體建模方法，結(jié)合人體關(guān)節(jié)的國際標準H-Anim及其中的四種關(guān)節(jié)層次，利用插補算法實現(xiàn)了關(guān)節(jié)的運動控制，利用FFD技術(shù)實現(xiàn)了人體腰部的彎曲變形。 5、研究了視覺和操縱兩方面的若干人機交互技術(shù)。分析了目前起重機模擬培訓(xùn)常用的幾種視景顯示方案，提出了一種基于增強現(xiàn)實的顯示概念，并對其中若干問題的實現(xiàn)方法進行了探討；研究了基于操縱的人機交互技術(shù)，通過時間