虛擬現(xiàn)實技術(shù)在塔吊模擬培訓(xùn)系統(tǒng)中的應(yīng)用

丁 賓，劉海平，邵曉根，卜慧平

（1.徐州工程學(xué)院 信電工程學(xué)院，徐州 221111；2.徐州翰林科技有限公司，徐州 320300）

0 引言

中國正處在城市化進程中，起重機等工程機械在其中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。工程機械大多屬于特種設(shè)備，根據(jù)國家有關(guān)規(guī)定，工程機械的駕駛員在上崗之前必須經(jīng)過嚴(yán)格的培訓(xùn)，考核合格才能上崗。目前的工程機械培訓(xùn)主要采用真機操作，這要求培訓(xùn)機構(gòu)有更多的訓(xùn)練機械，且工程機械耗費能源較高，使得傳統(tǒng)的工程機械駕駛員培訓(xùn)成本很高。許多工程機械作業(yè)屬于特種危險作業(yè)，傳統(tǒng)的培訓(xùn)方式存在較大的安全隱患。采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，利用計算機實現(xiàn)工程機械模擬培訓(xùn)是一種較先進的培訓(xùn)方式。與直接進行真機操作培訓(xùn)相比，采用模擬訓(xùn)練器具有成本低、培訓(xùn)周期短、對場地要求低、全天候、安全環(huán)保等優(yōu)點。當(dāng)然模擬訓(xùn)練器不能完全取代真機操作，一般采用先在模擬訓(xùn)練器上進行基礎(chǔ)培訓(xùn)，再進行真機操作。國內(nèi)科研院所對工程機械模擬培訓(xùn)進行了廣泛的研究[1～3]，但成熟的產(chǎn)品并不多。

本文介紹塔式起重機的模擬培訓(xùn)系統(tǒng)的開發(fā)，包括系統(tǒng)開發(fā)的軟硬件平臺、建模、操作手柄與按鈕、吊重的運動模擬、聲音與幫助系統(tǒng)等內(nèi)容。

1 系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)平臺

1.1 軟件開發(fā)平臺

本系統(tǒng)的軟件開發(fā)基于Windows XP操作系統(tǒng)，利用3DS MAX 2011進行三維建模，利用Photoshop進行界面圖像和紋理圖像的處理，利用基于OpenGL的三維引擎Newton進行虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)開發(fā)。

1.2 系統(tǒng)硬件部分

本系統(tǒng)運行的硬件平臺配置如下：CPU 為Pentium(R) Dual-Core 2.5 GHz，內(nèi)存2GB，硬盤320 GB , 顯卡ATI HD5550以上，顯示設(shè)備為28寸顯示器，可根據(jù)需要使用投影儀輸出圖像，加強沉浸效果。為了播放幫助聲音與音效，系統(tǒng)需配置聲卡。

操作手柄及控制按鈕通過USB接口與計算機相連，將參數(shù)傳遞給計算機用于控制起重機的操作。

2 系統(tǒng)的組成與實現(xiàn)

2.1 塔機模型

利用3DS MAX構(gòu)建建筑物、車輛、機械、人員、標(biāo)志、地面、天空背景等三維模型。塔式起重機是本系統(tǒng)中最重要的模型，依據(jù)實際尺寸建立的塔式起重機模型是整個訓(xùn)練場景的核心，盡量減少模型的面數(shù)，降低對計算機性能的要求。

在建模過程中合理地組織模型的層次關(guān)系，使用3DS MAX中的分組工具（Group，Assembly和Character），按照運行控制的需要把模型合理分組，不僅有助于快速的建模，還有助于后期的優(yōu)化和模型的管理。圖1為所建立的塔機模型。

圖1 塔機模型

2.2 場景模型

根據(jù)由中華人民共和國建設(shè)部組織編制的培訓(xùn)標(biāo)準(zhǔn)[4]中塔式起重機駕駛員職業(yè)技能鑒定實際操作部分，設(shè)定訓(xùn)練與考核場景，嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的外形尺寸、布局一致進行建模。

該模塊共包括十個場景模型，其中有六個訓(xùn)練場景、一個綜合作業(yè)場景和三個考核場景。圖2為其中一個訓(xùn)練場景，圖3為一個考核場景“圓桶過鋼架”。

圖2 訓(xùn)練場景之一

圖3 考核場景之一：圓桶過鋼架

2.3 操縱手柄與按鈕

手柄功能如圖4所示。其中左手柄控制小車運動和大臂回轉(zhuǎn)，右手柄的功能是控制吊鉤的升降。左右手柄都有多個檔位，大臂回轉(zhuǎn)、小車和吊鉤的運動速度是根據(jù)操縱手柄的檔位控制的，檔位大即速度快，檔位小即速度慢。本系統(tǒng)可實現(xiàn)利用手柄進行操作，也可以利用鍵盤進行操作。

除了操作手柄外，還配有若干按鈕用來控制系統(tǒng)功能，如圖5所示。通過按鈕與手柄組合操作可對視角進行調(diào)整。本系統(tǒng)定義了4種視角。

圖4 手柄功能

圖5 按鈕功能

2.4 吊重運動模擬

吊重的真實感運動模擬是實現(xiàn)起重機虛擬操作系統(tǒng)的關(guān)鍵，現(xiàn)有的研究主要利用第二類拉格朗日方程分析吊重與小車組成的系統(tǒng)[5～7]。由于當(dāng)前的起重機都設(shè)有減搖裝置[8]，吊繩難以簡化為理想的、無伸縮性的繩索，使得真實的吊重運動狀態(tài)非常復(fù)雜，難以進行精確的力學(xué)分析，且往往需要求解微分方程，對系統(tǒng)的實時性造成影響。我們的做法是利用簡單的數(shù)學(xué)經(jīng)驗公式計算吊重的擺角，模擬出視覺上具有真實感的慣性運動。如突然停止時，吊重的擺角隨時間的變化符合正弦函數(shù)：

其中Φ是吊重擺角，t是時間，T是吊重擺動的周期，f (t)是吊重的最大擺動角度隨時間的衰減函數(shù)，可設(shè)置為一個簡單的分段線性函數(shù)。經(jīng)過細(xì)致地調(diào)整參數(shù)，可以很好地達(dá)到視覺效果上的真實感。本系統(tǒng)還加入風(fēng)吹動的效果，將風(fēng)吹引起的擺角疊加到吊重的擺角上即可實現(xiàn)。本方法實現(xiàn)簡單和快捷。

2.5 聲音及幫助系統(tǒng)

本系統(tǒng)提供立體聲音效，既包括實際作業(yè)中的聲音，如：工作鈴音、哨音、碰撞聲音等，又引入提示、警告等不同用途的系統(tǒng)幫助聲音。操作過程中如出現(xiàn)不規(guī)范或有違規(guī)程的動作，系統(tǒng)將予以警告，并給出正確操作方法的提示，幫助培訓(xùn)人員獨立地完成受訓(xùn)項目的操作。

3 結(jié)束語

本文介紹了塔吊模擬培訓(xùn)系統(tǒng)的開發(fā)過程。利用操作手柄和按鈕可以控制計算機中的塔吊進行操作，實現(xiàn)塔吊各機構(gòu)和吊重的真實感運動。本系統(tǒng)按照國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置訓(xùn)練和考核場景，并提供提示與幫助信息，幫助培訓(xùn)人員獨立地完成受訓(xùn)項目的操作。先用本系統(tǒng)進行模擬培訓(xùn)，再進行真機培訓(xùn)可以極大地降低培訓(xùn)成本，降低油耗。

本系統(tǒng)屬于桌面級的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，優(yōu)點是成本低，缺點是沉浸感相對較低，將來可以將力反饋等裝置加入到系統(tǒng)中以提高沉浸感。

[1] 孟憲頤, 劉勇. 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在塔機司機訓(xùn)練培訓(xùn)中的應(yīng)用[J]. 2006. 中國工程機械學(xué)報. 4(4): 444-447.

[2] 夏顯明, 陳寧, 佘建國, 等. 基于MultiGen Creator和Vega工程機械仿真研究[J]. 2005. 江蘇科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版). 19(6): 79-83.

[3] 魏國前. 起重機模擬培訓(xùn)系統(tǒng)若干關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 武漢理工大學(xué). 2007.

[4] 中華人民共和國建設(shè)部. 塔式起重機駕駛員(技師)[M].北京: 建筑工業(yè)出版社. 2005.

[5] 橋式起重機吊重二自由度擺角模型與仿真[J]. 2006. 西南交通大學(xué)學(xué)報. 41(6): 696-699.

[6] 高丙團, 陳宏鈞, 張曉華. 龍門吊車系統(tǒng)的動力學(xué)建模[J].2006. 計算機仿真. 23(2): 50-52.

[7] 小車吊重系統(tǒng)擺振動力學(xué)模型及仿真[J]. 2007. 計算機仿真. 24(11): 316-319.

[8] 魏雨龍. 岸邊集裝箱裝卸橋吊具減搖裝置的研究[D]. 上海海事大學(xué). 2005.