集装箱门式起重机模拟操作全景仿真系统及方法技术方案

本发明专利技术提供一种集装箱门式起重机模拟操作全景仿真系统及方法，系统包括电气控制硬件系统和全景仿真软件系统组成：电气控制硬件系统包括起重机操作联动台、PLC控制系统、电气控制柜、驱动电机、3D头盔系统、以及PC机；全景仿真软件系统包括：虚拟三维建模系统、虚拟现实仿真软件系统、三维虚拟场景输出显示系统、学员信息记录数据库、理论考试模块、操作训练模块、考评系统；学员操作起重机联动台等外部硬件，用以太网将操作命令与PC机双向通信，建立一套起重机仿真的数字模型，采用三维图形渲染引擎驱动视景的运动，实现起重机司机操控电气设备对虚拟环境的集装箱进行装卸作业全景仿真操作训练，本发明专利技术提高了起重机学员的培训效率以及培训安全性。

【技术实现步骤摘要】
集装箱门式起重机模拟操作全景仿真系统及方法
本专利技术属于起重机控制
以及虚拟仿真模拟驾驶培训领域，具体地说，是一种集装箱门式起重机模拟操作全景仿真系统及利用该系统进行集装箱门式起重机模拟操作培训的方法。
技术介绍
集装箱运输已近成为世界货运的大趋势。集装箱门式起重机在现代物流中发挥着重要的作用。目前，集装箱门式起重机驾驶员的培训是通过师傅带徒弟的方式来学习。这种方法对新学员存在较大的安全风险、培训时间长、对设备的耗损严重、还受培训器材等限制。另一方面，起重机作为一种特种设备，驾驶员应学会一些特殊紧急情况下的处理方法，但在传统的培训方式中除了一些理论知识外，没有实际的处理紧急情况的锻炼。随着变频传动技术及计算机控制技术的发展，大量新技术、新产品及新工艺应用于现代起重机，使起重机朝着机电一体化、信息智能化、大型化节能化、高效化的方向发展。集装箱起重机驾驶培训与管理相对于传统起重机及管理模式已经发生了巨大的改变，对集装箱起重机提出了更高的安全要求。国外研究状况：美国Globalsim公司、英国TSI公司、荷兰STC公司和瑞士ABB公司等相继研制起重机仿真操作系统。国外的仿真系统相对于国内的起重机而言存在的缺点有：集装箱起重机的型号与国内的起重机不同；没有适合国情的考评系统；价格昂贵。国内华中科技大学、北京建筑大学等科研机构也有类似的仿真系统，但研究的对象较少的涉及集装箱起重机，并且大部分仿真模型是数字仿真模型。传统的集装箱起重机学员的培训安全性不高并且培训周期较长。随着虚拟现实技术的不断的成熟，以及相关配套的硬件设备、软件业日益丰富，虚拟现实技术在越来越多的领域得到了运用。为此，研究与开发集起重机机械、电气控制、虚拟现实技术、自动化技术于一体的集装箱门式起重机模拟操作全景仿真系统，用于集装箱门式起重机驾驶员的培训成为可能。采用虚拟现实技术，实现集装箱门式起重机司机的仿真培训是起重机发展的一个前沿课题。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种集装箱门式起重机模拟操作全景仿真系统及利用该系统进行集装箱门式起重机模拟操作的方法。为实现上述专利技术目的，本专利技术技术方案如下：一种集装箱门式起重机模拟操作全景仿真系统，包括电气控制硬件系统和全景仿真软件系统：电气控制硬件系统包括起重机操作联动台、PLC控制系统、电气控制柜、驱动电机、3D头盔系统、以及PC机；其中：起重机操作联动台包括多个档位的主令控制器以及相关控制开关，用于采集学员的操作命令；PLC控制系统根据接收到的联动台的操作信号，执行内部逻辑程序，并输出执行命令；电气控制柜用于执行PLC控制系统的输出指令；驱动电机包含起升机构电机、大车运行电机、小车运行电机、旋转机构电机，驱动电机受电气控制柜的控制，用于发出真实的电机加减速声响并产生振动，从而模拟集装箱装卸作业工作环境；PC机中安装全景仿真软件系统，PC机与PLC控制器通过工业以太网双向通信；3D头盔系统和PC机连接，用于全景仿真画面的输出显示；全景仿真软件系统包括：虚拟三维建模系统、虚拟现实仿真软件系统、三维虚拟场景输出显示系统、学员信息记录数据库、理论考试模块、操作训练模块、考评系统；其中：虚拟三维建模系统用于建立集装箱货场的三维模型并进行渲染；虚拟现实全景仿真系统用于为起重机司机提供集装箱起吊、旋转以及卸载操作的VR虚拟训练；三维虚拟场景输出显示系统用于将虚拟现实仿真软件系统的集装箱起重机的装卸作业过程画面通过投影仪和3D头盔进行显示；学员信息记录数据库包含学员个人的基本信息以及培训考核记录资料；理论考试模块包含起重机操作的基础知识以及安全操作规范；操作训练模块用于学员操作联动台完成全景仿真模拟系统中的集装箱装卸作业操作；考评系统用于对学员的理论知识以及全景仿真模拟系统中的集装箱装卸作业操作进行考核，并根据考核情况打分。作为优选方式，虚拟三维建模系统采用Solidworks建立集装箱货场的三维模型，并导入到3DSMAX中进行渲染。作为优选方式，虚拟现实全景仿真系统是采用OGRE驱动集装箱货场模型资源，并采用VisualStudio平台对OGRE图形引擎进行二次开发。作为优选方式，所述虚拟三维建模系统，在集装箱门式起重机结构特点和工作特点基础上，对集装箱门式起重机以及货场场景进行简化处理，采用三维建模工具3DSMAX建立集装箱起重机和货场场景的三维动态仿真模型，三维场景模型包括：集装箱起重机、起重机行走轨道、集装箱、火车、铁路轨道，其中起重机、装卸作业的集装箱以及摄像机是运动的，其他的物体是静态不动的。作为优选方式，虚拟现实仿真软件系统，利用OgreMax将3DSMAX中建立的起重机与货场模型，转换成OGRE工程模型资源；应用OGRE图形渲染引擎进行图形的渲染驱动，基于VisualStudio对OGRE图形渲染引擎编写程序，开发出集装箱起重机的全景仿真系统，实现起重机操控实物电气设备对虚拟仿真环境中的起重机进行装卸作业控制，三维模型作为OGRE场景中的活动对象，通过人机接口实现对运动三维模型的控制和操作；人机接口主要通过三种方式:OIS接口、CEGUI接口以及联动台用以太网与PC机通讯。作为优选方式，基于VisualStudio平台对OGRE图形渲染引擎编写程序时，对于钢丝绳的升降问题，通过给钢丝绳添加一个边界区域轴向平行包围盒，并监听边界区域以内的钢丝绳，从而实现模拟钢丝绳的升降操作；采用四元数旋转方法实现钢丝绳和集装箱起重机吊具的360度旋转；在集装箱对位检测中，分别给吊具以及被装卸集装箱一个边界区域轴向平行包围盒，判断它们在水平面空间范围是否满足规定的范围误差，如果吊具与集装箱的空间位置误差在允许范围内，则吊具完成集装箱的对位作业；货场内物体的碰撞检测算法采用轴对齐包围盒方法，分别定义动态物体和静态物体的轴向平行包围盒，然后判断其是否相交，如果相交则发生碰撞，仿真系统发出碰撞警告，并同时将碰撞信息记录到学员的培训数据库中。作为优选方式，学员信息记录数据库，能够添加、修改以及删除学员的基础个人信息，同时，能够记录学员的训练时间长度、理论考试成绩、操作训练的失误以及每次训练的得分等情况。为实现上述专利技术目的，本专利技术还提供一种利用上述系统进行集装箱门式起重机模拟操作的方法，该方法为：学员通过操作联动台上的主令控制器发出控制命令，PLC控制系统接收到命令信号后，执行内部控制程序，控制起重机大车运行电机、小车运行电机、旋转机构以及起升电机的转动，同时控制命令通过以太网通讯方式传输给PC机；PC机驱动全景仿真软件系统使虚拟的集装箱起重机执行相对应的大车运动、小车运动、吊具起升、吊具伸缩、吊具开闭锁的动作，在虚拟仿真环境中实现对集装箱门式起重机的装卸作业过程的全景仿真操作训练，同时，通过投影仪显示虚拟起重机的装卸作业画面，学员带上3D头盔，实现360度全景观察集装箱货场的装卸作业情况，学员的操作信息被记录在学员信息数据库中，同时，根据考评系统，对学员的理论知识考核以及实际集装箱装卸作业操作进行考核评分。本专利技术的有益效果为：本专利技术以虚拟仿真技术为基础生成逼真的视、听觉一体化的集装箱货场的虚拟仿真环境，学员操作起重机联动台等外部硬件，实现了起重机司机操控实物电气设备对虚拟环境中的集装本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种集装箱门式起重机模拟操作全景仿真系统，其特征在于：包括电气控制硬件系统和全景仿真软件系统：电气控制硬件系统包括起重机操作联动台、PLC控制系统、电气控制柜、驱动电机、3D头盔系统、以及PC机；其中：起重机操作联动台包括多个档位的主令控制器以及相关控制开关，用于采集学员的操作命令；PLC控制系统根据接收到的联动台的操作信号，执行内部逻辑程序，并输出执行命令；电气控制柜用于执行PLC控制系统的输出指令；驱动电机包含起升机构电机、大车运行电机、小车运行电机、旋转机构电机，驱动电机受电气控制柜的控制，用于发出真实的电机加减速声响并产生振动，从而模拟集装箱装卸作业工作环境；PC机中安装全景仿真软件系统，PC机与PLC控制器通过工业以太网双向通信；3D头盔系统和PC机连接，用于全景仿真画面的输出显示；全景仿真软件系统包括：虚拟三维建模系统、虚拟现实仿真软件系统、三维虚拟场景输出显示系统、学员信息记录数据库、理论考试模块、操作训练模块、考评系统；其中：虚拟三维建模系统用于建立集装箱货场的三维模型并进行渲染；虚拟现实全景仿真系统用于为起重机司机提供集装箱起吊、旋转以及卸载操作的VR虚拟训练；三维虚拟场景输出显示系统用于将虚拟现实仿真软件系统的集装箱起重机的装卸作业过程画面通过投影仪和3D头盔进行显示；学员信息记录数据库包含学员个人的基本信息以及培训考核记录资料；理论考试模块包含起重机操作的基础知识以及安全操作规范；操作训练模块用于学员操作联动台完成全景仿真模拟系统中的集装箱装卸作业操作；考评系统用于对学员的理论知识以及全景仿真模拟系统中的集装箱装卸作业操作进行考核，并根据考核情况打分。...

【技术特征摘要】
1.一种集装箱门式起重机模拟操作全景仿真系统，其特征在于：包括电气控制硬件系统和全景仿真软件系统：电气控制硬件系统包括起重机操作联动台、PLC控制系统、电气控制柜、驱动电机、3D头盔系统、以及PC机；其中：起重机操作联动台包括多个档位的主令控制器以及相关控制开关，用于采集学员的操作命令；PLC控制系统根据接收到的联动台的操作信号，执行内部逻辑程序，并输出执行命令；电气控制柜用于执行PLC控制系统的输出指令；驱动电机包含起升机构电机、大车运行电机、小车运行电机、旋转机构电机，驱动电机受电气控制柜的控制，用于发出真实的电机加减速声响并产生振动，从而模拟集装箱装卸作业工作环境；PC机中安装全景仿真软件系统，PC机与PLC控制器通过工业以太网双向通信；3D头盔系统和PC机连接，用于全景仿真画面的输出显示；全景仿真软件系统包括：虚拟三维建模系统、虚拟现实仿真软件系统、三维虚拟场景输出显示系统、学员信息记录数据库、理论考试模块、操作训练模块、考评系统；其中：虚拟三维建模系统用于建立集装箱货场的三维模型并进行渲染；虚拟现实全景仿真系统用于为起重机司机提供集装箱起吊、旋转以及卸载操作的VR虚拟训练；三维虚拟场景输出显示系统用于将虚拟现实仿真软件系统的集装箱起重机的装卸作业过程画面通过投影仪和3D头盔进行显示；学员信息记录数据库包含学员个人的基本信息以及培训考核记录资料；理论考试模块包含起重机操作的基础知识以及安全操作规范；操作训练模块用于学员操作联动台完成全景仿真模拟系统中的集装箱装卸作业操作；考评系统用于对学员的理论知识以及全景仿真模拟系统中的集装箱装卸作业操作进行考核，并根据考核情况打分。2.如权利要求1所述的集装箱门式起重机模拟操作全景仿真系统，其特征在于：虚拟三维建模系统采用Solidworks建立集装箱货场的三维模型，并导入到3DSMAX中进行渲染。3.如权利要求1所述的集装箱门式起重机模拟操作全景仿真系统，其特征在于：虚拟现实全景仿真系统是采用OGRE驱动集装箱货场模型资源，并采用VisualStudio平台对OGRE图形引擎进行二次开发。4.如权利要求1所述的集装箱门式起重机模拟操作全景仿真系统，其特征在于：所述虚拟三维建模系统，在集装箱门式起重机结构特点和工作特点基础上，对集装箱门式起重机以及货场场景进行简化处理，采用三维建模工具3DSMAX建立集装箱起重机和货场场景的三维动态仿真模型，三维场景模型包括：集装箱起重机、起重机行走轨道、集装箱、火车、铁路轨道，其中起重机、装卸作业的集装箱以及摄像机是运动的，其他的物体是静态不动的。5.如权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：程文明，刘华森，张敏，张则强，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川,51