一种在三维引擎中煤壁实时形变的仿真模拟方法技术

本发明专利技术提出了一种在三维引擎中煤壁实时形变的仿真模拟方法，属于煤壁形变仿真模拟技术领域；解决了现有煤矿仿真演示或模拟中存在的效果粗糙、消耗计算机算力大、对精细煤壁形变仿真效果差的问题；包括如下步骤：场景动态加载：包括：空间划分和遮挡剔除；采煤机割煤煤壁发生形变的仿真模拟：包括：采煤机滚筒采样，基于设备模型做数据采样，对采煤机滚筒部分与煤壁做直接接触的数据进行采样；煤壁mesh顶点采样，初次加载时，异步遍历煤壁所有的vertex点做存贮，所有样本点录入完成后，通过滚筒的采样点检索煤壁上的交互区域，当达到阈值时，依据采煤机的姿态对接触点的网格做推移形变；本发明专利技术应用于煤壁形态仿真模拟。本发明专利技术应用于煤壁形态仿真模拟。本发明专利技术应用于煤壁形态仿真模拟。

【技术实现步骤摘要】
一种在三维引擎中煤壁实时形变的仿真模拟方法


[0001]本专利技术提供了一种在三维引擎中煤壁实时形变的仿真模拟方法，属于矿井煤壁形变仿真模拟


技术介绍

[0002]目前煤矿的仿真演示大多采用动画，但在数字孪生中，有关煤矿的整体的工作开采流以及工艺演示、工艺回溯中，采煤机割煤时煤壁产生的形变效果大多采用直接在mesh面上挖洞做演示，相对粗糙。但相对精细的煤壁形变效果并没有相对成熟的解决方案。
[0003]目前综采工作面相关的数字孪生内容，煤壁形变的仿真模拟一直是空白。在三维引擎Unity3D中，还原煤壁的形态变化最大的阻力来源场景中模型数量过大，同时做井下状态的实时同步、渲染与实时数据都会消耗较大的算力。
[0004]目前三维引擎中做网格变形通用的解决方案基本都为控制网格mesh顶点的移动，只要网格的精度越细，其做变形效果的还原程度越高。但高精度的网格的数量会带来极大的计算负载。煤矿的数字孪生仿真中，机械设备、煤壁环境的渲染以及实时数据的驱动都会占用较高的算力，因此必须从优化效率上着手。

技术实现思路

[0005]本专利技术为了解决现有煤矿仿真演示或模拟中存在的效果粗糙、消耗计算机算力大、对精细煤壁形变仿真效果差的问题，提出了一种在三维引擎中煤壁实时形变的仿真模拟方法。
[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种在三维引擎中煤壁实时形变的仿真模拟方法，包括如下步骤：
[0007]S1：场景动态加载：包括：
[0008]S1.1：空间划分：采用八叉树算法，在场景初期加载时，基于视角对场景做空间划分，当视角发生变化时，依据八叉树做空间检索，更新场景内设备以及环境的显隐状态；
[0009]S1.2：遮挡剔除：采用传统LOD加载场景以及视锥剔除；
[0010]S2：采煤机割煤煤壁发生形变的仿真模拟：包括：
[0011]S2.1：采煤机滚筒采样，基于设备模型做数据采样，对采煤机滚筒部分与煤壁做直接接触的数据进行采样；
[0012]S2.2：煤壁mesh顶点采样，初次加载时，异步遍历煤壁所有的vertex点做存贮，所有样本点录入完成后，通过滚筒的采样点检索煤壁上的交互区域，当达到阈值时，依据采煤机的姿态对接触点的网格做推移形变。
[0013]所述步骤S2.2中网格推移形变包括网格中间点形变计算和网格外围点形变计算两步。
[0014]所述网格外围点形变计算的过程如下：
[0015]将三角网格上的顶点坐标(x，y，z)看作3个独立的标量场，网格上每个三角片都存
在3个独立的梯度场，该梯度场在形变过程中随控制点集的移动而变化，当用户拖拽网格上的控制点集时，网格外围点形变的求解公式如下：
[0016][0017]上式中：Φ为待求的网格形变后坐标，w为网格形变后的梯度场，A为三角形面积，Ω为定义域；
[0018]根据变分法，上式最小化即求解泊松方程
[0019]所述网格外围点形变计算的公式能够进一步表示为求解稀疏线性方程组：
[0020]LΦ＝b；
[0021]其中L为网格的拉普拉斯算子，b为梯度场w在网格顶点处的散度值。
[0022]所述网格中间点形变计算的过程如下：
[0023]设f是一个分片线性函数，在网格的每个三角片{x
i
，x
j
，x
k
}的顶点处有f(x
i
)＝f
i
，f(x
j
)＝f
j
，f(x
k
)＝f
k
，通过线性插值计算f在三角片上每一点处的值为：
[0024]f(x)＝f
i
φ
i
+f
j
φ
j
+f
k
φ
k
；
[0025]f的梯度如下：
[0026][0027]其中的表达式是：
[0028]依次计算的表达式，其中
⊥
表示将向量逆时针旋转90度，A表示三角片的面积；
[0029]设向量值函数w：S
→
R3，S表示网格，R3表示顶点到三维空间的映射函数，w表示在每个三角片上的向量，那么w在顶点x
i
处的散度定义为：
[0030][0031]其中T(x
i
)表示顶点x
i
的1环邻域三角片，A
T
表示三角片T的面积；
[0032]将梯度算子表达式代入散度算子表达式得到顶点x
i
处的Laplace算子表达式：
[0033][0034]其中N(x
i
)表示接触点x
i
的1环邻域点，α
ij
、β
ij
为ij边缘的对面角度，根据上述每个顶点处的Laplace算子表达式对网格顶点做平滑处理。
[0035]本专利技术相对于现有技术具备的有益效果为：本专利技术通过对场景资源采用多线程与八叉树相结合的方式做场对场景做分区渲染，优化了在三维引擎中的渲染方式；割煤形变效果采用四叉树实时更新变形mesh点的方式做场景优化，可产生仿真度相对较高的煤壁形变效果；煤壁变形网格采样存贮，提高了煤壁网格变形更新的效率。
附图说明
[0036]下面结合附图对本专利技术做进一步说明：
[0037]图1为本专利技术的方法流程图；
[0038]图2为本专利技术进行空间区域划分的示意图。
具体实施方式
[0039]如图1
‑
2所示，本专利技术为了解决现有采用三维引擎仿真模拟煤壁形态算力消耗较大的问题，引入八叉树算法，按照空间区域划分做场景的分批渲染，减轻渲染压力；煤壁形变部分，通过对煤壁vertex顶点采样，忽略推进方向上的轴向值，遍历完成后依照四叉树存储数据，采煤设备的位姿更新后，基于其采集区域更新形变部分的网格顶点列表做形变处理。
[0040]本专利技术提供的在三维引擎中可破坏地形的仿真模拟方法是用于模拟采煤机割煤时煤壁发生形变的仿真模拟效果，其方法流程图如图1所示，主要步骤如下：
[0041]01)对于机械设备以及环境的渲染，拆分成两个方向做效率优化。一是利用传统的LOD加载以及视锥剔除，其二是利用八叉树算法，在场景初期加载时，基于视角对场景做空间划分。当视角发生变化时，依据八叉树做空间检索，更新场景内设备以及环境的显隐状态。空间区域划分的示意图如图2所示，图2中白色为视角区域内显示的物体，黑色为隐藏的问题，三角形区域外的黑色为视锥剔除的部分，能够重点显示视角区域内的物体，将视角区域外或远处的物体进行模糊或剔除处理，不占用太多的算力。
[0042]02)采煤机割煤煤壁发生形变的仿真模拟
[0043]a)采煤机滚筒采样，基于设备模型做数据采样，对采煤机滚筒部分的与煤壁做直接接触的数据做采样；
本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种在三维引擎中煤壁实时形变的仿真模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：场景动态加载：包括：S1.1：空间划分：采用八叉树算法，在场景初期加载时，基于视角对场景做空间划分，当视角发生变化时，依据八叉树做空间检索，更新场景内设备以及环境的显隐状态；S1.2：遮挡剔除：采用传统LOD加载场景以及视锥剔除；S2：采煤机割煤煤壁发生形变的仿真模拟：包括：S2.1：采煤机滚筒采样，基于设备模型做数据采样，对采煤机滚筒部分与煤壁做直接接触的数据进行采样；S2.2：煤壁mesh顶点采样，初次加载时，异步遍历煤壁所有的vertex点做存贮，所有样本点录入完成后，通过滚筒的采样点检索煤壁上的交互区域，当达到阈值时，依据采煤机的姿态对接触点的网格做推移形变。2.根据权利要求1所述的一种在三维引擎中煤壁实时形变的仿真模拟方法，其特征在于：所述步骤S2.2中网格推移形变包括网格中间点形变计算和网格外围点形变计算两步。3.根据权利要求2所述的一种在三维引擎中煤壁实时形变的仿真模拟方法，其特征在于：所述网格外围点形变计算的过程如下：将三角网格上的顶点坐标(x，y，z)看作3个独立的标量场，网格上每个三角片都存在3个独立的梯度场，该梯度场在形变过程中随控制点集的移动而变化，当用户拖拽网格上的控制点集时，网格外围点形变的求解公式如下：上式中：Φ为待求的网格形变后坐标，w为网格形变后的梯度场，A为三角形面积，Ω为定义域；根据变分法，上式最小化即求解泊松方程4.根据权利要求3所述的一种在三维引擎中煤壁实时形变的仿真模拟方法，其特征在于：所述网格外围点形变计算的公式能够进一步表示为求解稀疏线性方程组：LΦ＝b；其中L为网格的拉普拉斯算子，b为梯度场w在网格顶点处的散度值。5.根据权利要求2所述的一种在三维引擎中煤壁实时形变的仿真模拟方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈任帅，刘治国，韩晋代，王亮，文敏越，
申请(专利权)人：太原向明智控科技有限公司，
类型：发明
国别省市：