起重機模擬培訓系統(tǒng)若干關鍵技術研究.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，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。隨著計算機技術的迅猛發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術的研究越來越深入，其應用領域也越來越廣泛。 模擬培訓系統(tǒng)是一種集成了傳感器技術、計算機接口技術、三維實時動畫技術、人工智能技術、數(shù)據(jù)通信技術、網(wǎng)絡技術、多媒體技術等先進技術于一體的仿真系統(tǒng)，它不僅具有節(jié)能、安全、經(jīng)濟等優(yōu)點，而

2、且培訓不受時間、氣候、場地的限制。借助虛擬現(xiàn)實技術的3I特性--沉浸(Immersion)、交互(Interaction)和構想(Imagination)，受訓者可以沉浸在虛擬操作環(huán)境當中。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構和工作原理，構想操作動作要領，體驗在現(xiàn)實世界中經(jīng)常發(fā)生或者極少發(fā)生的各類生產工況，并取得令人滿意的培訓效果。 起重機是一類廣泛應用于冶金、制造、港口、水電、建筑等行業(yè)的物流運輸設備

3、，同時，起重機也屬于特種設備的范疇，起重機司機必須經(jīng)過嚴格的安全技術理論學習和安全技術操作實踐，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者獲得直接的受訓體驗，但也存在較大的安全隱患，同時具有受訓資源受限、能耗浪費大、考核評估缺乏客觀性、培訓效果不盡如人意等缺點，這給當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系統(tǒng)并將

4、其用于起重機司機的培訓工作，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的特殊要求，分析了起重機模擬培訓系統(tǒng)的特點與組成，建立了融合技能訓練和理論知識教學于一體的培訓實施框架，并對其中的建模理論與方法、紋理特效與性能優(yōu)化技術、可運動的虛擬人體建模及其自由變形方法、適于起重機受訓環(huán)境的視景顯示方案、面向操控的人機交互技術等內容進行了系統(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的實施框架，指出模擬培訓系統(tǒng)不僅應該具有模擬操作功能，還要具有理論知識教學功能；針對起重機司機培訓的要求，給出了一種系統(tǒng)組成結構，并采用多層次的視景模型以適應不同的培訓目的。 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構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件的層次模型；基于模板文件實現(xiàn)了可

6、參數(shù)驅動的箱形梁虛擬建模，解決了系列化箱形結構的快速建模問題；基于面向對象技術設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。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)點和紋理映射技術的桁架結構建模；基于多重紋理的光照技術，實現(xiàn)了箱形梁內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；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，結合人體關節(jié)的國際標準H-Anim及其中的四種關節(jié)層次，利用插補算法實現(xiàn)了關節(jié)的運動控制，利用FFD技術實現(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。分析了目前起重機模擬培訓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，通過時間