【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及船舶工程技术教学领域，具体来说，涉及一种散货船装卸货作业仿真训练系统及方法。
技术介绍
1、甲板克令吊(以下简称克令吊)是大多数散杂货船重要的起重装置，主要用与船舶货舱间以及船舶与码头之间的货物转移。近年来，随着干散料海上运输的蓬勃发展，船用回转式克令吊的操作成为散货船船员不可或缺的技能。然而，由于培训机构实物资源有限，且克令吊操作存在一定危险性，目前主要采用书本学习、观看视频等教学方式对散货船船员进行克令吊操作培训，培训效果并不理想。因此开发一种真实感良好、专业度高的可用于教学培训的散货船装卸货作业仿真训练系统迫在眉睫。
技术实现思路
1、鉴于现有技术的不足，本专利技术提供一种散货船装卸货作业仿真训练系统及方法。本专利技术主要利用离散元法以及层次碰撞检测方法进行装卸货作业模拟，提高了仿真系统的真实感，能够进行高专业度的散货船装卸货作业教学培训。
2、本专利技术采用的技术手段如下：
3、一种散货船装卸货作业仿真训练系统，包括克令吊启动模块、克令吊运动模块、货物装卸模块以及抓斗复位模块；
4、所述克令吊启动模块包括用于在运行前模拟对克令吊吊体、抓斗以及油温进行检查的检查模块以及用于响应于操作动作进行模拟功率问讯和启动问讯的按钮模块；
5、所述克令吊运动模块包括用于模拟控制抓斗进行提拉、吊放的吊索伸缩模块、用于模拟控制克令吊的旋转运动的吊臂旋转模块以及用于模拟控制克令吊吊臂角度的变换的吊臂变幅模块；
6、所述货物
7、所述抓斗复位模块包括用于模拟检测抓斗是否进入可复位区域的检测模块以及用于模拟对克令吊抓斗复位的复位模块。
8、进一步地，所述碰撞检测模块模拟碰撞检测过程中，将层次化碰撞检测机制引入标准gjk流程，将碰撞检测过程划分为初级搜索阶段和精确碰撞阶段；
9、在初级搜索阶段，使用边界盒代替原始抓斗进行快速碰撞检测，如果初级搜索阶段未发现碰撞，算法结束，否则使用原始抓斗进行精确检测；
10、精确碰撞检测阶段利用gjk算法对抓斗及其相互作用的物体进行细致的几何碰撞分析，当gjk算法指出两物体相交时，进一步采用扩展多面体算法计算碰撞深度和碰撞法线，为计算物理反应提供必要的准确信息，最终根据碰撞检测结果，模拟抓斗与货物的物理反应。进一步地，所述货物模拟模块根据碰撞检测模块输出的模拟结果，模拟货物间的相互作用，包括建立以下力学模型：
11、接触力模型：
12、
13、其中fijc为货物间的接触力，e为货物间杨氏模量，r为颗粒的曲率半径，δ是颗粒之间的接触形变；
14、阻尼力模型：
15、fijd＝-cv·(vi-vj)·nij
16、其中，fijd为货物间的阻尼力，cv为阻尼系数，vi和vj为相邻货物的速度向量，nij为相邻货物的单位法向量；
17、摩擦力模型：
18、
19、其中fijf为货物间的摩擦力，μs为摩擦系数，fijn为法向力，vij为相邻货物之间的相对速度向量。
20、进一步地，所述货物模拟模块模拟货物间的相互作用，还包括根据相互作用模型计算的受力，更新散料颗粒的速度和位置：
21、给定一个时间步长δt，颗粒的速度v和位置x通过以下方式更新：
22、
23、x′＝x+v′×δt
24、这里f为作用在颗粒上的接触力、阻尼力和摩擦力的合力，m为颗粒质量，v′以及x′为更新后的速度与位置。
25、进一步地，所述货物模拟模块模拟货物间的相互作用，还包括更新颗粒的角速度和扭矩：
26、根据给定的时间步长δt，颗粒的角速度ω和扭矩τ通过以下方式更新：
27、
28、τ＝r×f
29、其中，r是力的作用点到颗粒质心的矢量，i为颗粒的转动惯量，τ为扭矩，ω′为更新后的角速度。
30、进一步地，所述货物模拟模块模拟货物间的相互作用，进一步包括由新的角速度运用四元数法更新颗粒的方向：
31、使用旋转角速度ω′和时间步长δt，计算角位移θ：
32、θ＝|ω′|×δt
33、其中|ω′|表示角速度的大小；
34、根据计算得到的角位移θ构造旋转四元数q：
35、
36、其中为单位向量，表示角速度的方向；
37、将颗粒的当前方向表示为四元数p，使用四元数乘法：
38、p′＝q×p
39、将结果p′归一化，得到更新后的方向四位数，它保持单位长度，表示颗粒在空间中的新方向。
40、本专利技术还提供了一种散货船装卸货作业仿真训练方法，基于上述系统实现，包括以下步骤：
41、在进行油温检测后，学员点击功率问询按钮，触发准备启动灯闪烁，直至长亮，表示进入预启动状态，随后，点击启动吊车按钮，准备启动灯再次闪烁，直至准备运行灯长亮，一旦准备启动灯熄灭，克令吊将进入可操作状态，克令吊进入可操作状态之后，学员通过操纵克令吊的吊臂进行旋转和变幅，以便抓取甲板上的抓斗；
42、抓斗抓取完成后，进入克令吊装货操作模块，通过控制抓斗的张合，同时通过控制抓斗的位置，实现抓斗与货物之间的物理交互；
43、装货完成后，学员通过操控左右摇杆将抓斗从船舱移至另一船舱，在移仓过程中，必须保持克令吊平稳的旋转和变幅，以防止货物掉落，从而影响训练结果，当抓斗到达卸货舱上方时，通过控制抓斗张合实现货物移仓，即货物穿过卸货舱舱面，算作移仓成功。
44、移仓结束后，学员操作克令吊将抓斗放置回初始位置，完成复位，最后，点击结束按钮以完成整个训练过程。
45、较现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
46、1、本专利技术在模拟碰撞检测阶段，在标准gjk流程中引入层次化碰撞检测机制。将检测过程分为初级搜索阶段和精确碰撞检测阶段。初级搜索阶段进行粗略检测节省算力，精确碰撞检测阶段采用原始数据模拟计算，提高仿真还原度。
47、2、本专利技术通过构建接触力模型、阻尼力模型和摩擦力模型模拟操作过程中货物之间的相互作用关系，实现了对系统作业告诉、精确仿真。
48、3、针对散货船甲板克令吊装卸货操作培训的短缺，散货船员对于克令吊的操作能力参差不齐的问题，本专利技术在高精度仿真系统的基础上，提供了一种培训操作方法，进一步提高了学员培训的效率和质量。
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1.一种散货船装卸货作业仿真训练系统，其特征在于，包括克令吊启动模块、克令吊运动模块、货物装卸模块以及抓斗复位模块；
2.根据权利要求1所述的一种散货船装卸货作业仿真训练系统，其特征在于，所述碰撞检测模块模拟碰撞检测过程中，将层次化碰撞检测机制引入标准GJK流程，将碰撞检测过程划分为初级搜索阶段和精确碰撞阶段；
3.根据权利要求2所述的一种散货船装卸货作业仿真训练系统，其特征在于，所述货物模拟模块根据碰撞检测模块输出的模拟结果，模拟货物间的相互作用，包括建立以下力学模型：
4.根据权利要求3所述的一种散货船装卸货作业仿真训练系统，其特征在于，所述货物模拟模块模拟货物间的相互作用，还包括根据相互作用模型计算的受力，更新散料颗粒的速度和位置：
5.根据权利要求4所述的一种散货船装卸货作业仿真训练系统，其特征在于，所述货物模拟模块模拟货物间的相互作用，还包括更新颗粒的角速度和扭矩：
6.根据权利要求5所述的一种散货船装卸货作业仿真训练系统，其特征在于，所述货物模拟模块模拟货物间的相互作用，进一步包括由新的角速度运用四元数法更新
7.一种散货船装卸货作业仿真训练方法，基于权利要求1所述的散货船装卸货作业仿真训练方法实现，其特征在于，包括以下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种散货船装卸货作业仿真训练系统，其特征在于，包括克令吊启动模块、克令吊运动模块、货物装卸模块以及抓斗复位模块；
2.根据权利要求1所述的一种散货船装卸货作业仿真训练系统，其特征在于，所述碰撞检测模块模拟碰撞检测过程中，将层次化碰撞检测机制引入标准gjk流程，将碰撞检测过程划分为初级搜索阶段和精确碰撞阶段；
3.根据权利要求2所述的一种散货船装卸货作业仿真训练系统，其特征在于，所述货物模拟模块根据碰撞检测模块输出的模拟结果，模拟货物间的相互作用，包括建立以下力学模型：
4.根据权利要求3所述的一种散货船装卸货作业仿真训练系统...
【专利技术属性】
技术研发人员：任鸿翔，郑嘉琦，邱绍杨，杨晓，王德龙，孙健，陶瑞，方诚，潘明阳，蒋效彬，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：
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