一种基于VR的桥吊实训方法技术

本发明专利技术公开了一种基于VR的桥吊实训方法，所述方法包括：构建桥吊运动模型构建、构建集装箱运动模型、构建桥吊吊绳运动模型、构建柔性钢丝绳模型、钢丝绳渲染仿真、碰撞检测、桥吊空间运动路径规划和港口虚拟环境搭建。应用本发明专利技术实施例，提升了整体培训质量，降低实操过程中的人为错误率，从而间接地节省了维护保养预算，降低了因错误带来的停工损失。降低了因错误带来的停工损失。降低了因错误带来的停工损失。

【技术实现步骤摘要】
一种基于VR的桥吊实训方法


[0001]本专利技术涉及VR应用
，是一种桥吊实训方法。

技术介绍

[0002]目前，我国培训、评估集装箱吊装操作人员大都采用真实设备来进行的，用这种方式培训操作人员存在风险大，培训费用高的明显缺点。近年来随着虚拟现实(VR)技术的快速发展，用集装箱吊装模拟器培训、评估集装箱吊装操作人员成为可能。采用计算机技术、图形图像技术、虚拟现实研制高质量的集装箱吊装模拟器，可以克服采用真实设备危险性大成本高的弊端。与传统培训方式相比，VR培训效率能够提升33％，从而降低33％的培训成本。同时由于培训时间的缩短，反而提升了整体的培训质量降低实操过程中的人为错误率，从而间接地节省了维护保养预算，降低了因人为失误带来的停工损失。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提供一种应用VR技术的桥吊实训方法，所述的这种实训方法用于解决传统工业大型化机械培训中，大型设备数量有限、成本昂贵，培训成本居高不下，培训周期漫长，生产安全难以得到保障等问题。
[0004]本专利技术提供如下技术方案：一种基于VR的桥吊实训方法，步骤包括：构建桥吊运动模型、构建集装箱运动模型、构建桥吊和吊绳运动模型、柔性钢丝绳建模、钢丝绳渲染仿真、碰撞检测、桥吊空间运动路径规划和港口虚拟环境搭建。对每一步的说明如下：
[0005]S1、构建桥吊运动模型：桥吊的运动主要包括吊车在轨道上的左右运动，吊具的前后运动，吊具和货物的上下移动。设沿轨道方向为Y轴，吊臂走向为X轴，Z轴垂直向下，建立XYZ坐标系。设某时刻，吊车沿轨道运动Y
c
，吊具沿吊臂运动X
c
，吊绳长度为l。集装箱的位置点为P，P
′
为P在Y
′
Z
′
平面上的投影，和Z
′
轴的夹角为吊绳和Y
′
Z
′
平面夹角为
è
，得到P点在XYZ坐标系中的坐标为：
[0006][0007]S2、构建集装箱运动模型：由S1可知，当X
C
、Y
C
、l确定时，求解未知量θ和后就可以确定集装箱的位置。在装卸过程中，由于吊车的左右运动及吊具和集装箱的前后、上下加速运动，集装箱在空中会发生摆动。根据S1构建的桥吊运动模型，在受力系统中增加一个阻尼力，模拟减摇控制、倾斜控制和提升控制，通过调整适当的系数r，来控制集装箱在空中的摆动幅度，构建如下动能和势能模型：
[0008][0009]由拉格朗日求导，可得：
[0010][0011]利用四阶龙库拉法求解上述模型，可以得到θ和的值。该模型不仅可以模拟由于加运动所产生的的集装箱不规则摇摆以及在减摇控制装置起作用时，货物摇摆角的收敛情况。
[0012]S3、构建桥吊和吊绳的运动模型：在S1构建的桥吊运动模型中，桥吊沿轨道运动Y
C
，吊具沿吊臂运动X
C
，吊绳长度为l，通过桥吊左右运动的加速度a
y
、前后运动加速度a
x
和吊绳长度变化率v
l
决定X
C
、Y
C
、l，a
y
、a
x
以及v
l
由实训人员控制，构建如下模型：
[0013][0014]S4、柔性钢丝绳建模：采用基于位置的动力学模拟方法PBD，根据力的值获取速度、位置的数值积分方法不同，PBD先构建约束，在对约束进行投影得出位置信息，进而更新速度值。在PBD算法中，考虑粒子间的主要约束为距离约束，保持系统的动量和角动量守恒，模拟绳体的柔性运动，使其在虚拟空间中的运动更接近现实。绳体由N个顶点粒子和M个约束组成，每个粒子i∈[1，
…
，N]具有质量m
i
，位置X
i
和速度V
i
属性。约束j∈[1，
…
，M]包含以下特性：
[0015](1)、约束的基数n
j
；
[0016](2)、实数约束函数
[0017](3)、约束索引值为i
k
∈[1，
…
，N][0018](4)、刚度系数即约束强度k
j
∈[1，
…
，l][0019](5)、约束分为等式约束与不等式约束
[0020]在绳体建模过程中，假定所有的粒子质量相同，距离约束函数C(p1，p2)＝|p1，
‑
p2|
‑
d，对应点的梯度值为其中得到修正位移值为：
[0021][0022][0023]在Unity3D软件中，利用NVIDIA Flex引擎，对粒子施加重力效应在粒子间建立角色关节联结，确保对所依附物的距离约束，实现绳体随车运动。
[0024]S5、钢丝绳渲染仿真：采用空间圆周螺旋均分点求解算法，将粒子质点位置间距作为节距，合理选择螺旋角度、绳半径和材质贴图，动态渲染出钢丝绳模型。在渲染绘制时，钢丝绳绘制为单层股形态，每一股由多节斜圆柱构成，斜圆柱是通过在节点处进行圆的插值，形成m
×
2个三角后面渲染而成，节点即模拟粒子，m为近似圆的均分点数。
[0025]S6、碰撞检测：采用一种基于层次结构和均衡二叉树的面向对象实时三维碰撞检测技术，将集装箱抽象成包围盒，替代复杂集合对象(集装箱)进行相交测试，设长方体A的边长为{a，b，c}、长方体B的边长为{d，e，f}。A的质心坐标为(x1，y1，z1)，B的质心坐标为(x2，y2，z2)。如果
[0026][0027]则，这两个长方体必然发生碰撞。
[0028]S7、桥吊空间运动路径规划：基于Unity3D导航网格寻路系统，嵌入A*寻路算法，将桥吊的起升运动和水平运动进行串联，使桥吊的大车运动和小车运动保持协调从而保证集装箱与最优路线的匹配。桥吊的空间运行，也即吊物的运动，将在空间的每一“层”级展开，利用NavMeshComponents组件，获取任一层空间的最优路径信息。
[0029]S8、港口虚拟环境搭建：采用Unity3D作为视景驱动程序的开发工具，采用MultiGenCreator作为视景建模的主要工具软件对集装箱码头的环境进行虚拟仿真，生成实训人员位于桥吊驾驶室舱内透过窗户看到的视景。主要包括驾驶舱轮廓、吊构件、码头背景、集装箱船、吊索、集装箱等。用户以第一人称视角体验全720
°
逼真的三维环境，自主操作，自由行走。场景在PC端显示方式为3D实时渲染，渲染帧数超过60fps，在VR端为双目实时渲染，为防止眩晕感，双目渲染帧数为90fps。能够将VR操作和PC操作完美融合的VRGUI管理技术，交互界面能够根据需要实时的被唤起、转换、变化、消失，能够支撑不同的交互界面形状、交互界面动画方式、交互界面事件和交互操作模式；采用PBR Metallic制作流程，以Substance本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于VR的桥吊实训方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、构建桥吊运动模型：桥吊的运动主要包括吊车在轨道上的左右运动，吊具的前后运动，吊具和货物的上下移动；设沿轨道方向为Y轴，吊臂走向为X轴，Z轴垂直向下，建立XYZ坐标系；设某时刻，吊车沿轨道运动Y
c
，吊具沿吊臂运动X
c
，吊绳长度为l；集装箱的位置点为P，P
′
为P在Y
′
Z
′
平面上的投影，和Z
′
轴的夹角为吊绳和Y
′
Z
′
平面夹角为
è
，得到P点在XYZ坐标系中的坐标为：S2、构建集装箱运动模型：根据S1构建的桥吊运动模型，在受力系统中增加一个阻尼力，模拟减摇控制、倾斜控制和提升控制，通过调整适当的系数r，来控制集装箱在空中的摆动幅度，构建如下动能和势能模型：由拉格朗日求导，可得：S3、构建桥吊和吊绳的运动模型：在S1构建的桥吊运动模型中，桥吊沿轨道运动Y
C
，吊具沿吊臂运动X
C
，吊绳长度为l，通过桥吊左右运动的加速度a
y
、前后运动加速度a
x
和吊绳长度变化率v
l
决定X
C
、Y
C
、l，a
y
、a
x
以及v
l
由实训人员控制，构建如下模型：S4、柔性钢丝绳建模：采用基于位置的动力学模拟方法，考虑粒子间的主要约束为距离约束，保持系统的动量和角动量守恒，模拟绳体的柔性运动；绳体由N个顶点粒子和M个约束组成，每个粒子i∈[1，
…
，N]具有质量m
i
，位置X
i
和速度V
i
属性；约束j∈[1，
…
，M]包含以下特性：(1)、约束的基数n
j
；(2)、实数约束函数C
j
：(3)、约束索引值为i
k
∈[1，
…
，N]
(4)、刚度系数即约束强度k
j
∈[1，
…
，l](5)、约束分为等式约束与不等式约束S5、钢丝绳渲染仿真：采用空间圆周螺旋均分点求解，将粒子质点位置间距作为节距，合理选择螺旋角度、绳半径和材质贴图，动态渲染出钢丝绳模型；在渲染绘制时，钢丝绳绘制为单层股形态，每一股由多节斜圆柱构成，斜圆柱是通过在节点处进行圆的插值，形成m
×
2个三角后面渲染而成，节点即模拟粒子，m为近似圆的均分点数；S6、碰撞检测：采用一种基于层次结构和均衡二叉树的面向对象实时三维碰撞检测技术，将集装箱抽象成包围盒，替代复杂集合对象(集装箱)进行相交测试，设长方体A的边长为{a，b，c}、长方体B的边长为{d，e，f}；A的质心坐标为(x1，y1，z1)，B的质心坐标为(x2，y2，z2)；如果则，这两个长方体必然发生碰撞；S...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁一，
申请(专利权)人：上海海事大学，
类型：发明
国别省市：