基于虚拟现实的集装箱起重机驾驶仿真训练器研究
|
摘要
本文分析了虚拟现实技术和计算机仿真技术的发展及实际运用的情况，根据目前港口生产和司机培训的需要，就岸边集装箱起重机驾驶仿真器进行了研究：通过分析岸边集装箱起重机驾驶的操作规范，提出了岸边集装箱起重机驾驶仿真训练器的软件模块设计；建立了起重机货物的偏摆动力学模型；使用实时仿真软件VEGA，结合虚拟现实的外部设备如数据手套、跟踪系统等，讨论了将虚拟外设运用到岸边集装箱起重机驾驶仿真器的方法。
本文的主要工作有：
1)把计算机仿真技术、机械设计技术与起重机仿真器的研制结合起来，通过分析岸边集装箱起重机的结构型式以及它的基本操作，根据岸边集装箱起重机在集装箱码头生产的具体情况，对集装箱起重机驾驶培训进行软件模块设计，得出了一套比较科学、实际可行的方案。
2)总结岸边集装箱起重机的主要技术参数和机构，分析岸边集装箱起重机的工作过程，使用虚拟现实仿真建模软件MultiGen Creator，建立了包括岸边集装箱起重机、船舶、码头以及集装箱等在内的几何模型库，并对建模方法进行分析，对仿真建模技术进行了一些探讨。
3)对起重机驾驶仿真中的一个难点——货物偏摆的实时仿真问题，结合起重机驾驶的实际操作方法，建立了较为详细的动力学模型，较好地模拟了货物的偏摆，为起重机驾驶仿真训练器的实现解决了一个重要的问题，并为今后起重机驾驶仿真器的动力学模型建立提供了较好的思路。
4)根据岸边集装箱驾驶仿真器的实际情况以及虚拟现实各种外部设备的工作原理、工作性能，得出了较合适的仿真器外设方案，并为今后在实际中应用这些外设，实现具有沉浸感的虚拟环境仿真打下了基础。
This paper analyzes the developing and application of virtual reality and computer simulation. Based on the needing of port,studies the shore container crane driver simulation training ware. The paper analyzes the operation criterion,brings forward the software models' design. Building the dynamics model for real operation to control the load sway,use real simulation software -Vega,combining the virtual reality peripheral equipments such as data glove,track system,discusses the feasibility of applying virtual reality peripheral equipments to the shore container crane drive simulation. The main work of this paper include the following:
1.Through combining the computer simulation ,mechanical design with the drive simulation,analyzing the structure type,basing the basic operation of shore container crane and the situation of container port,the paper designs the shore container crane drive simulation's software models.
2. Summarizing the shore container crane's main parameters and organizations,analyzing the work processes of shore container crane, by VR building model software-MultiGen Creator,the paper builds the shore container crane,ship,port and containers' models,and analyzes the model methods,discusses the simulation modeling technique.
3. Picking out a hard problem of crane drive simulation-load sway's real simulation,basing on the real operation method of crane driver,builds a dynamics model for load sway,dissolves the problem of load sway's real simulation.
4. According the real situation of shore container crane and the operation theory of VR peripheral equipments,the paper brings forward a reasonable scheme of using the peripheral equipments,and establishs the foundation for using peripheral equipments in crane drive simulation.
本文的主要工作有：
1)把计算机仿真技术、机械设计技术与起重机仿真器的研制结合起来，通过分析岸边集装箱起重机的结构型式以及它的基本操作，根据岸边集装箱起重机在集装箱码头生产的具体情况，对集装箱起重机驾驶培训进行软件模块设计，得出了一套比较科学、实际可行的方案。
2)总结岸边集装箱起重机的主要技术参数和机构，分析岸边集装箱起重机的工作过程，使用虚拟现实仿真建模软件MultiGen Creator，建立了包括岸边集装箱起重机、船舶、码头以及集装箱等在内的几何模型库，并对建模方法进行分析，对仿真建模技术进行了一些探讨。
3)对起重机驾驶仿真中的一个难点——货物偏摆的实时仿真问题，结合起重机驾驶的实际操作方法，建立了较为详细的动力学模型，较好地模拟了货物的偏摆，为起重机驾驶仿真训练器的实现解决了一个重要的问题，并为今后起重机驾驶仿真器的动力学模型建立提供了较好的思路。
4)根据岸边集装箱驾驶仿真器的实际情况以及虚拟现实各种外部设备的工作原理、工作性能，得出了较合适的仿真器外设方案，并为今后在实际中应用这些外设，实现具有沉浸感的虚拟环境仿真打下了基础。
This paper analyzes the developing and application of virtual reality and computer simulation. Based on the needing of port,studies the shore container crane driver simulation training ware. The paper analyzes the operation criterion,brings forward the software models' design. Building the dynamics model for real operation to control the load sway,use real simulation software -Vega,combining the virtual reality peripheral equipments such as data glove,track system,discusses the feasibility of applying virtual reality peripheral equipments to the shore container crane drive simulation. The main work of this paper include the following:
1.Through combining the computer simulation ,mechanical design with the drive simulation,analyzing the structure type,basing the basic operation of shore container crane and the situation of container port,the paper designs the shore container crane drive simulation's software models.
2. Summarizing the shore container crane's main parameters and organizations,analyzing the work processes of shore container crane, by VR building model software-MultiGen Creator,the paper builds the shore container crane,ship,port and containers' models,and analyzes the model methods,discusses the simulation modeling technique.
3. Picking out a hard problem of crane drive simulation-load sway's real simulation,basing on the real operation method of crane driver,builds a dynamics model for load sway,dissolves the problem of load sway's real simulation.
4. According the real situation of shore container crane and the operation theory of VR peripheral equipments,the paper brings forward a reasonable scheme of using the peripheral equipments,and establishs the foundation for using peripheral equipments in crane drive simulation.
引文
[1] 袁福昌，集装箱装卸搬运机械，武汉：港口装卸杂志社，1988
[2] 蒋国仁，港口起重机，大连：大连海事大学出版社，1995
[3] 广州市劳动局编，起重机械作业驾驶员培训教材
[4] 交通部海洋运输管理局等编，装卸机械技术性能手册，武汉：港口装卸杂志社，1987
[5] 吴重光，仿真技术，北京：化学工业出版社，2000
[6] 何江华，计算机仿真导论，北京：科学出版社，2001
[7] 胡宗武，阎以诵，起重机动力学，北京：机械工业出版社，1986
[8] 余洲生，港口装卸机械，北京：人民交通出版社，1993
[9] 孙俊，实时仿真建模技术及其在轮机仿真训练器中的应用，计算机仿真，2000 (2)
[10] 程成，陈由迪，戴国忠等，基于场景的虚拟环境用户界面研究及实现，系统仿真学报，2000(5)
[11] 苏虎，周美玉，高速列车模拟器的视景建模与仿真，系统仿真学报，2001 (5)
[12] 王汝传，陈丹伟，顾翔等，虚拟现实技术及其实现研究，计算机工程，2000 (12)
[13] 李实，扬斌，叶榛等，基于虚拟现实的船舶轮机仿真训练系统，系统仿真学报，2000 (3)
[14] 程芳真，高琪瑞，吕崇德等，基于windows平台的仿真支撑系统的研究，系统仿真学报，2001 (3)
[15] 谢振华，吴文海，孙所义等，一种新型多型飞行控制系统综合训练模拟器，系统仿真学报，2001 (3)
[16] 黄安详，刘长华，陈宗基等，现代军机飞行仿真系统的研究，系统仿真学报，2001 (3)
[17] 周前祥，陈善广，姜国华等，航天器座舱布局工效学仿真试验系统虚拟座舱的研究，系统仿真学报，2001 (3)
[18] 杨肇夏，蒋熙等，列车接发与调度指挥实时仿真培训系统，系统仿真学报，2001 (4)
[19] 郭齐胜，李光辉，张桂元等，坦克综合训练模拟器的软件系统，系统仿真学报，2001 (2)
[20] 张国锋，有人驾驶飞行模拟器仿真系统的实现，系统仿真学报，2000 (4)
[21] 杨方廷，半主动式汽车训练模拟器，系统仿真学报，2000 (11)
[22] 丁浩杰，徐福培，徐斌等，主动式三维汽车驾驶训练模拟器的设计与实现，系统仿真学报，2000 (3)
[23] 尹勇，航海模拟器与分布交互仿真技术，计算机仿真，2000 (6)
[24] 田新成，王宁生，袁信等，一种多微机遥现虚拟现实(VR)系统体系结构，计算机应用研究，2000 (10)
[25] 张国宣，基于VR的多模式多代理人机交互接口，计算机应用研究，2000 (10)
[26] 林锐，基于OpenGL的场景管理、三维交互与用户界面设计，计算机应用研究，2000 (3)
[27] 王飞，王波，杨湘龙等，PC上虚拟现实仿真的实现，计算机工程，2000 (8)
[28] 顾浩，刘光勇，虚拟现实技术及其在分布交互式仿真系统中的应用，系统仿真学报，2000 (3)
[29] 郭齐胜，李华刚，张伟等，新型坦克战斗训练模拟器的视景建模与仿真，计算机仿真，2000 (2)
[30] 王鸿鹏，洪炳熔，空间机器人的虚拟环境建模及其仿真，计算机应用研究，2000 (4)
[31] 王文武，赵琳，郝燕玲等，基于VR的潜艇航行训练模拟器设计，系统仿真学报，2001 (5)
[32] 李洪儒，冯振声，面向对象仿真的基本概念框架研究，计算机仿真，2000 (5)
[33] 郭恒业，李晗静，王力明等，虚拟现实技术中视景建模快捷实现的软件，计算机仿真，2000 (3)
[34] Daniel Gopher et al. Using Complex Computer Games as Task Simulator in The Training of Flight of Flight Skills. {roceedings of 1988 IEEE International Conference on Systems, Man and Sybernetics, 1988
[35] Edward A Foxa. Advances in Interacting Digital Multimedia Systems, Computer, 1991 ,Oct
[36] Jerry Isdale. What is virtual reality, 1993,ftp.u.washington.edu in public/virtual-worlds/papers as whatisvr. txt
[37] MultiGen Creator user guide for Windows NT, MultiGen-paradigm inc.,1999
[38] The virtual reality modeling language specification ver. 1.0. May 1995
[39] Law A M, Kelton W D. Simulation modeling and analysis. MeGraw Hill, inc.1991
[40] Monnet F. Virtual reality: the technology and its applications, 1995
[41] Lang Chenglian, On -real-time simulation of Longitudinal forces of heave-haul train driving simulator, Proceeding of nd Beijing International Conference On System Simulation and Scientific Computing. October 1992.
[42] VEGA PROGRAMER'S GUIDE FOR WINDOWS NT, Paradigm Simulation Inc. 1998
[43] LYNX USER'GUIDE(NT), Version 3.2 for Windows NT, Paradigm Simulation Incorporated, 1998
[44] R. S. Kalawsky, The Science of Virtual Reality and Virtual Environments. Addison-Wesley Publishing Company. 1993
[2] 蒋国仁，港口起重机，大连：大连海事大学出版社，1995
[3] 广州市劳动局编，起重机械作业驾驶员培训教材
[4] 交通部海洋运输管理局等编，装卸机械技术性能手册，武汉：港口装卸杂志社，1987
[5] 吴重光，仿真技术，北京：化学工业出版社，2000
[6] 何江华，计算机仿真导论，北京：科学出版社，2001
[7] 胡宗武，阎以诵，起重机动力学，北京：机械工业出版社，1986
[8] 余洲生，港口装卸机械，北京：人民交通出版社，1993
[9] 孙俊，实时仿真建模技术及其在轮机仿真训练器中的应用，计算机仿真，2000 (2)
[10] 程成，陈由迪，戴国忠等，基于场景的虚拟环境用户界面研究及实现，系统仿真学报，2000(5)
[11] 苏虎，周美玉，高速列车模拟器的视景建模与仿真，系统仿真学报，2001 (5)
[12] 王汝传，陈丹伟，顾翔等，虚拟现实技术及其实现研究，计算机工程，2000 (12)
[13] 李实，扬斌，叶榛等，基于虚拟现实的船舶轮机仿真训练系统，系统仿真学报，2000 (3)
[14] 程芳真，高琪瑞，吕崇德等，基于windows平台的仿真支撑系统的研究，系统仿真学报，2001 (3)
[15] 谢振华，吴文海，孙所义等，一种新型多型飞行控制系统综合训练模拟器，系统仿真学报，2001 (3)
[16] 黄安详，刘长华，陈宗基等，现代军机飞行仿真系统的研究，系统仿真学报，2001 (3)
[17] 周前祥，陈善广，姜国华等，航天器座舱布局工效学仿真试验系统虚拟座舱的研究，系统仿真学报，2001 (3)
[18] 杨肇夏，蒋熙等，列车接发与调度指挥实时仿真培训系统，系统仿真学报，2001 (4)
[19] 郭齐胜，李光辉，张桂元等，坦克综合训练模拟器的软件系统，系统仿真学报，2001 (2)
[20] 张国锋，有人驾驶飞行模拟器仿真系统的实现，系统仿真学报，2000 (4)
[21] 杨方廷，半主动式汽车训练模拟器，系统仿真学报，2000 (11)
[22] 丁浩杰，徐福培，徐斌等，主动式三维汽车驾驶训练模拟器的设计与实现，系统仿真学报，2000 (3)
[23] 尹勇，航海模拟器与分布交互仿真技术，计算机仿真，2000 (6)
[24] 田新成，王宁生，袁信等，一种多微机遥现虚拟现实(VR)系统体系结构，计算机应用研究，2000 (10)
[25] 张国宣，基于VR的多模式多代理人机交互接口，计算机应用研究，2000 (10)
[26] 林锐，基于OpenGL的场景管理、三维交互与用户界面设计，计算机应用研究，2000 (3)
[27] 王飞，王波，杨湘龙等，PC上虚拟现实仿真的实现，计算机工程，2000 (8)
[28] 顾浩，刘光勇，虚拟现实技术及其在分布交互式仿真系统中的应用，系统仿真学报，2000 (3)
[29] 郭齐胜，李华刚，张伟等，新型坦克战斗训练模拟器的视景建模与仿真，计算机仿真，2000 (2)
[30] 王鸿鹏，洪炳熔，空间机器人的虚拟环境建模及其仿真，计算机应用研究，2000 (4)
[31] 王文武，赵琳，郝燕玲等，基于VR的潜艇航行训练模拟器设计，系统仿真学报，2001 (5)
[32] 李洪儒，冯振声，面向对象仿真的基本概念框架研究，计算机仿真，2000 (5)
[33] 郭恒业，李晗静，王力明等，虚拟现实技术中视景建模快捷实现的软件，计算机仿真，2000 (3)
[34] Daniel Gopher et al. Using Complex Computer Games as Task Simulator in The Training of Flight of Flight Skills. {roceedings of 1988 IEEE International Conference on Systems, Man and Sybernetics, 1988
[35] Edward A Foxa. Advances in Interacting Digital Multimedia Systems, Computer, 1991 ,Oct
[36] Jerry Isdale. What is virtual reality, 1993,ftp.u.washington.edu in public/virtual-worlds/papers as whatisvr. txt
[37] MultiGen Creator user guide for Windows NT, MultiGen-paradigm inc.,1999
[38] The virtual reality modeling language specification ver. 1.0. May 1995
[39] Law A M, Kelton W D. Simulation modeling and analysis. MeGraw Hill, inc.1991
[40] Monnet F. Virtual reality: the technology and its applications, 1995
[41] Lang Chenglian, On -real-time simulation of Longitudinal forces of heave-haul train driving simulator, Proceeding of nd Beijing International Conference On System Simulation and Scientific Computing. October 1992.
[42] VEGA PROGRAMER'S GUIDE FOR WINDOWS NT, Paradigm Simulation Inc. 1998
[43] LYNX USER'GUIDE(NT), Version 3.2 for Windows NT, Paradigm Simulation Incorporated, 1998
[44] R. S. Kalawsky, The Science of Virtual Reality and Virtual Environments. Addison-Wesley Publishing Company. 1993