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虚拟现实(VirtualReality,简称VR),是以计算机技术为核心,通过各种高科技设备生成的,集视觉、听觉、触觉为一体化的虚拟环境。在这个环境中,用户借助必要的硬件,能以自然的方式与虚拟环境中的对象进行相互交流、相互影响,也能操纵控制其中的物体,从而产生一种身临其境的感受和体验。通过虚拟现实技术,可以让其使用者沉浸在一种人工的虚拟环境中,通过虚拟现实软件及其外部设备与计算机进行充分的交互,进行构思,完成所希望的任务。它综合了先进的信息技术(如网络计算、图形图像处理、多媒体技术、新型传感器、仿真模拟等),甚至心理学、仿生学、艺术等领域的研究成果,目的是致力于构建一个能使人沉浸其中、虚实结合的环境,并能实现高效、多维、更为和谐的人机交互环境。
近年来,随着桥式起重机在国内应用得越来越广泛,与其相关的安全事故发生率也在提高。分析其产生原因可以发现,其中重要的一点就是相关设备作业人员的专业知识缺失、操作技术生疏、安全意识不强、危机处理能力差、职业素质不高等。目前,桥式起重机作为特种设备的范畴,在我国已建立了十分健全的特种作业安全培训管理制度,但培训过程及培训方式较为滞后。在培训过程中,由于教材内容陈旧、教学方式落后、实际操作受现场条件限制,导致桥式起重机作业人员没有真正学到先进的行业理论知识,实践操作能力不强,导致培训效果不佳,留下了大量的事故隐患。
随着现代科学技术的迅速发展和安全生产水平及管理水平的提高,利用虚拟现实技术对桥式起重机作业人员进行仿真培训已经成为培养高素质作业人员的迫切需要。本文即是在这种背景下,将虚拟现实技术应用于桥式起重机作业人员仿真培训,研究基于虚拟环境技术的桥式起重机操作培训系统。
本文重点介绍了构建桥式起重机虚拟仿真平台所采用的关键技术,及其应用方法。同时研究分析了如小车运行时的货物偏摆动力学分析、硬件控制系统、多通道显示系统、培训考核专家系统等主要功能模块的实现方法。并对该系统的应用前景进行了分析和展望。本文的主要研究内容和创新点如下:
(1)研究建立了桥式起重机仿真工作视景系统。其虚拟视景主要包括港口外景、工厂车间和桥式起重机仿真模型等部分。其中港口外景和工厂车间中包含诸如厂房、物料、工作人员和运输设备等三维模型,通过效果渲染、纹理映射、光照等技术处理,产生一个典型的桥式起重机虚拟场景,使操作者有身处桥式起重机工作环境的感觉。桥式起重机模型是进行仿真操作的平台,受训者在桥式起重机仿真培训专用驾驶舱内控制仿真对象,实现对其虚拟控制,学习各种操作动作。
(2)为了获得真实的交互培训效果,研究了基于物理特性的钢丝绳偏摆仿真,并为之开发了专用的关节,实现了通过刚性体运动迭代方式来模拟柔性物体的运动。
(3)按照国家制订的桥式起重机作业人员培训考核大纲,设计开发模拟操作评估知识库,可让培训人员在系统控制下进行培训,并根据国家要求对其操作进行自动评价。
(4)在现有的桥式起重机驾驶仓的基础上,运用传感器、数据通信与采集技术,设计开发出一套与通用桥式起重机控制方式(主令控制器方式)一致的控制与操作系统,实现作业人员对仿真对象的虚拟控制。
本文重点介绍了虚拟仿真平台的建立和所采用的关键技术,开发了一套用于桥式起重机操作培训、技能练习、安全教育和实践考核的模拟操作系统,提高或改善了桥式起重机作业人员培训与考核的效果。