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桥式起重机仿真模拟器-桥式起重机虚拟仿真培训系统

发布时间:2024-06-11

编辑人:灵图互动

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桥式起重机仿真模拟器是用于培训大型桥式起重机驾驶员的仿真设备,它具有一个仿真度与实际桥式起重机司机室等比的虚拟驾驶舱,且驾驶舱与真实的桥式起重机在外观和功能上一致。桥式起重机仿真模拟器能模拟仿真桥式起重机的作业流程,使受培训者通过手柄设备来操作桥式起重机仿真模拟器,就能够得到实车驾驶感觉以及实际作业经验。

桥式起重机仿真模拟器使用计算机产生的画面代替桥吊的窗户,操作者对于手柄以及其它信号设备的操作都会对计算机生产虚拟的吊装画面产生预期的影响。

桥式起重机仿真模拟器不仅能够培训驾驶员如何安全操作起重机,规范驾驶员的操作行为,而且还能够有效增加驾驶员的熟练程度,最终能够提高吊装作业的效率和安全性。

桥式起重机仿真模拟器分为软件模拟和硬件仿真两个部分,硬件仿真部分由模拟驾驶舱、可编程逻辑控制器(PLC)、PC主机和显示器组成,PLC接受模拟驾驶舱的操作信息计算得出起重机仿真状态信息,并传给模拟器的软件部分。软件模拟部分主要工作是读取硬件仿真部分传递的起重机状态信息来实时更新和绘制起重机的工作场景,并完成声效模拟。

桥式起重机仿真模拟器

1. 桥式起重机仿真模拟器的功能

通过桥式起重机仿真模拟器受训人员可以通过吊装工作流程以及虚拟场景中的提示进行模拟吊装操作,进而提升操纵技能。其功能主要包含吊装训练操作功能、多视角同时显示功能两部分。

1.1 吊装训练操作功能

根据模拟器流程设计,模拟器能够提供用户吊装工作配置、抓箱训练画面、出错提示以及吊车状态显示等功能。

1.1.1 吊装工作的设置功能

将集装箱从货轮调往集装箱卡车被称为卸箱,反过来称为装箱。模拟器需要提供配置装箱和卸箱的配置功能。另外,吊装操作还需要模拟不同规格的集装箱。一次吊装操作可以吊装一个集装箱,最多吊装两个集装箱,集装箱根据规格的不同也有区分。

因此,桥式起重机虚拟仿真软件系统需要设计这样的功能:吊装训练开始前,用户根据训练目的,配置模拟器进行哪一种吊装操作,同时还需要设置起吊的集装箱数量以及集装箱类型。

1.1.2 抓箱训练画面

集装箱吊装过程就是抓箱训练画面。桥式起重机仿真模拟器要求提供实时的抓箱训练画面。

画面必须实时的显示到司机室内的显示器中,显示的画面就应该是虚拟场景,虚拟场景应该根据PLC提供的吊车状态信息自动更新。

1.1.3 出错提示

在模拟吊装过程中,驾驶员的不当操作所引发的错误应该被优先显示出来。

因此,当吊装操作出错的时候,模拟画面弹出对话框,以提示驾驶员出现了操作失误,仅当驾驶员按下复位键后,系统才接受外部输入。

1.1.4 吊车状态显示

在现实世界的吊装操作过程中,吊装系统的状态信息,例如吊具距离集装箱的偏移信息、小车速度以及是否已经完成闭锁操作,这些信息都需要驾驶员进行独立判断,而没有数据化的消息提供。

桥式起重机仿真模拟器要求能够在虚拟画面中提供上述数据信息。这种消息能够帮助驾驶员熟悉自己的操作对于吊装系统的具体影响。

1.2 多视角同时显示功能

在现实世界的吊装操作过程中,驾驶员的视角限制在司机室内,无法观察到桥吊的整体状态。

桥式起重机仿真模拟器要求能够在虚拟画面中不仅提供驾驶员的司机室视角,还要提供一个视角观察吊车的整体状态,这两个视角需要在虚拟画面上同时存在。根据这个需求,课题组为模拟器设计了主要视角和旁观视角。

1.2.1 主要视角

主要视角初始设置在司机室内,运行时能够切换司机室内的观察视角,该视角也可以切换到司机室外,完成基本的场景漫游功能。虚拟画面中该视角所占用显示区域最大,所以称为主要视角。

1.2.2 旁观视角

旁观视角用于观察吊车的整体状态,一般不需要切换到司机室内,因而称之为旁观视角。

桥式起重机仿真模拟器的功能

2. 桥式起重机仿真模拟器设计

2.1 桥吊模拟的设计

根据桥式起重机仿真模拟器的设计要求,桥式起重机的模型要求根据PLC的吊车状态信息进行实时控制,能够实现大车在场景中的自由移动、小车沿着导轨移动、吊具系统的吊装动作以及俯仰的运动。

起重机的位置应该位于适合吊装工作的场位上。如果轮船的位置已经固定,那么吊车应该被自动设置到合适的场位上,在这种情况下,吊车的最新场位信息应该被保存到外部的配置文件中,以使得一次设置能够多次生效。另外,模拟器还需要设计起重机位置配置功能,以便用户按照自己的需求细微调整桥吊的位置。

小车是吊车的一部分,桥吊大车运动的时候,小车与大车的相对位置应该保持不变,根据上图中的层次设计能够做到这一点。另外,小车需要能够单独沿着导轨运动,层次结构同样能够满足这一点。

起吊系统作为小车的一部分,与小车的相对位置同样需要保持不变,另外起吊系统中的吊具相对于小车做上下升降运动,吊绳和吊索根据小车和吊具之间的距离更新其长度,并且要求与小车的相对位置不发生改变。

俯仰也是吊车的一部分,桥吊大车运动的时候,俯仰与大车的相对位置同样应该保持不变,这与小车的设计是相同的。

2.2桥式起重机仿真模拟器场景设计

按照模拟器的基本功能需求,模拟器的场景中已经至少包含以下场景元素:一台仿真模拟吊车,一艘用于集装箱货轮,一辆集装箱卡车以及容纳这些元素的港口地面模型。

从功能实现的角度上来看,包含以上元素的模拟器场景已经能够满足仿真训练器的需要,但是考虑到虚拟现实的真实感对于培训人员的影响,画面不能简简单单的就是一个吊车、汽车和轮船和港口陆地,还应该更加真实的模拟出港口的现实环境,增加驾驶者的沉浸感。

2.2.1 作业场景模拟

基于港口对于桥式起重机驾驶员的训练需求,模拟器的虚拟现实场景主要涵盖海洋元素与户外元素。海洋环境模拟模块通过构建海洋环境模型实现海洋环境动态模拟,户外场景模块具有真实感的天空模拟,能够显著的增强场景的真实感。具体包含以下:

(1)天气&声音特效:支持24小时天空与海面环境的连续变化、晴天、阴天、雨天、雪天、大雾天气效果并配有相应音效;

(2)训练海域:支持海浪等级、温度、风力、海流设定。

2.2.2 桥吊建模

在建模过程中按照与现实1:1的比例关系创建桥式起重机各个部分,主要涵盖:

桥吊上面的小车、桥吊的吊具、司机室、桥吊的主体大车等。

桥吊按照层次结构组织,如果小车移动,挂在在小车上的吊具也会跟着移动,而吊具自身的运动不会影响到小车。

在虚拟场景中,需要有一台桥吊,桥吊的大车可以在地面的固定轨道上移动,桥吊的小车在大车上的轨道运动,小车下面悬挂有吊具,吊具相对于小车在垂直方向上运动。

吊具和小车之间有钢索相连,钢索需要设计顶点动画模拟钢索悬挂重物时的晃动,另外,钢索还需要根据小车和吊具之间的距离而增长或者缩短。

2.2.3 轮船建模

轮船模型同样是起重机仿真训练模拟器所需要的一个重要模型。

在创建模型的时候同样是以层次模型创建轮船,但是轮船的组成部件不需要单独进行控制,轮船的操作都是整体的移动、旋转和放缩操作。

场景中的轮船提供了桥吊工作的一个目的地,驾驶员从轮船上抓取箱子然后吊往集卡,或者从集卡上抓取箱子吊往货轮。轮船上需要显示一定数量的箱子,并且箱子被抓起或者放下后,轮船上的集装箱数目需要有所变化。

为此,货轮在建模的时候,针对其可以放置集装箱的甲板,定义了多个辅助节点,最终这些辅助节点将会随着货轮一起在场景中被创建,然后为集装箱的创建提供定位信息。

2.2.4 集卡建模

在虚拟场景中,驾驶员要么从集装箱卡车上抓取箱子吊往货轮,要么从货轮上卸载箱子到集卡上。因此,在设计的时候,集卡会有一个驶离和驶入工作地点的动画,动画类型使可以用虚拟仿真软件的节点动画来完成。

2.2.5 集装箱建模

集装箱的尺寸的有不同,创建的集装箱三种长度:20英尺、40英尺、45英尺,每种长度还分高箱和标箱。不同规格集装箱的设计主要是考虑到虚拟场景仿真的真实感,以及为了丰富吊装训练功能。

桥式起重机仿真模拟器设计

桥式起重机仿真模拟器主要是给用户提供一个真实的操作环境,从显示设备可以清晰看到操作过程中桥式起重机各部分的运动状态,并且让其深入其境,用户可以操作键盘或是手柄等控制部件,实现对系统中建立的模型的控制,并观察通过控制后得到的控制效果,物体的运动状态,了解各部分的工作状态,最终达到培训的目的,让用户通过培训能很快的掌握桥门式起重机的驾驶工作。

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