基于虛擬現實的吊裝仿真和監控一體化系統設計

楊 慶, 盧阿麗, 莊 嚴, 張建德

(南京工程學院 計算機工程學院, 江蘇 南京 211167)

基于虛擬現實的吊裝仿真和監控一體化系統設計

楊 慶, 盧阿麗, 莊 嚴, 張建德

(南京工程學院 計算機工程學院, 江蘇 南京 211167)

基于虛擬現實的吊裝仿真及監控一體化系統以動力學仿真、虛擬現實、半實物仿真和在線監控技術為基礎,形成面向重大件吊裝過程工藝規劃、操作訓練、現場監控的一體化系統。介紹了系統的設計結構和功能。該系統可以與各類重型起重設備結合,實現重大件吊裝之前的3D過程仿真和工藝規劃、虛實結合的吊裝操作訓練、吊裝現場的安全監控和操作指示,使重大件吊裝過程更智能、安全和高效。

重大件吊裝； 虛擬現實； 仿真實驗

仿真計算、虛擬現實、傳感器與控制技術的發展,為重大件吊裝的工藝規劃、操作實驗、仿真訓練、實物可視化吊裝現場監控奠定了技術基礎,可以進行吊裝操作人員的培訓,能夠顯著提高吊裝效率、保障吊裝過程的安全性和準確性。

1 吊裝仿真研究現狀

目前,國內外在起重設備的智能化和自動化研究與應用方面的差距并不大。

在工藝規劃方面,先進國家的吊裝工藝規劃已經普遍使用過程仿真技術,而國內大多采用計算機輔助計算。過程仿真可得到更詳盡的吊裝過程和更精確的吊裝結果,據此制定的工藝與現場真實情況更貼近、工藝內容更加細致、更具有可用性。文獻[1-2]研究了3D圖形環境中吊裝過程動作仿真與路徑規劃問題,將大型吊裝仿真系統用于重大件吊裝過程的路徑規劃、動作仿真和關鍵部件的強度校核；文獻[3]基于相似的思路研究了吊裝三維虛擬仿真系統。近年來,一些交通運輸專業院校、研究機構或企業也進行了吊裝仿真和工藝規劃方面的研究或技術開發[4-6]。例如武昌造船廠對海洋平臺工作船罐艙吊裝作業,采用三維幾何過程仿真的方法實現了工藝過程虛擬仿真[7]。

在針對性的操作訓練方面,國內對于復雜環境的重大件吊裝幾乎沒有操作訓練,國外卻大量使用與起重設備配套的模擬器,但基于真實吊裝環境、具有3D場景的高度仿真訓練也處于起步狀態。

在吊裝現場管控方面,國內外都需依靠現場操作、指揮、安全等人員之間的協調,將模糊控制方法[8-10]、自適應逆推算法[11]、非線性隨機控制方法[12]用于輔助監控的傳感器和測量裝置。

2 吊裝仿真和監控一體化系統結構

基于虛擬現實的吊裝仿真及監控一體化系統與各類重型起重設備結合,實現了重大件吊裝之前的3D過程仿真和工藝規劃、虛實結合的吊裝操作訓練、吊裝現場的安全監控和操作指示。應用該系統,可以提高重大件吊裝過程的安全性、操作效率和操作精確性。系統結構如圖1所示。

圖1 吊裝仿真和監控一體化系統結構

2.1 吊裝過程仿真與工藝規劃子系統

吊裝過程仿真與工藝規劃子系統基于過程規劃、動力學計算和3D可視化仿真,可以在3D環境中設置吊點、規劃被吊物的運動軌跡和速度等,系統根據規劃進行吊裝過程仿真,仿真過程中計算任意時刻的動力學效應(鋼繩受力、起重機受力、重物質心軌跡、重物速度/加速度等),最后自動生成吊裝工藝方案文件。

吊裝過程仿真與規劃子系統的主要功能模塊包括起重機建模、被吊物定義、3D吊裝場景設置、吊裝路徑與時間規劃、吊裝過程仿真計算、吊裝過程的3D可視化仿真、吊裝過程性能分析、吊裝數據管理(見圖2)。

起重機建模功能模塊允許用戶根據起重機類型和機構參數,快速定制起重機設備模型(含鋼繩和吊鉤模型)并存入數據庫。

被吊物定義模塊用于指定一個或多個被吊物、設置吊點位置、計算質心和慣性矩等動力學屬性。

圖2 吊裝過程規劃與仿真系統模塊

吊裝場景設置模塊用于按照真實吊裝環境布置3D模型、設置風速、風向、天氣與時間條件等。

吊裝過程規劃模塊用于設置起重機的運動或鋼繩上吊點的運動軌跡和速度。

吊裝過程仿真計算模塊可根據吊裝規劃數據進行全程動力學計算,獲得任意時刻的動力學指標(鋼繩受力、起重設備受力、被吊物速度/加速度、質心位置/速度/加速度、干涉與碰撞情況等)。

吊裝過程3D可視化仿真可根據動力學計算結果,在3D吊裝環境中再現全部吊裝過程。

2.2 虛實結合的吊裝操作仿真訓練子系統

操作仿真訓練子系統用于在確定吊裝工藝之后的操作培訓。由于重大件吊裝的對象特殊、環境多樣,通常無法在事前進行反復訓練。而純虛擬環境中的操作訓練與真實操作的感覺相差很大。虛實結合的吊裝過程操作仿真訓練是半實物仿真訓練,其特點是用戶的操作界面與真實的起重機完全相同,包括所有的操縱桿、座椅、腳踏,以及各種旋鈕、按鈕、開關等。吊裝場景采用3D虛擬方式,完全按照預定的真實環境和真實吊裝對象來設置。

用戶佩戴立體眼鏡,在實物的模擬器中進行仿真訓練。用戶的所有操作都轉換成電信號輸入仿真控制軟件,軟件根據用戶操作信號來驅動虛擬起重機；后臺進行動力學實時計算得到吊裝效果并在3D虛擬環境中顯示出來。由于采用實時交互和3D立體顯示,用戶具有很好的臨場感和操作手感,因此可以獲得良好的訓練效果。仿真控制軟件主要包括4個功能模塊,其技術原理如圖3所示。

圖3 吊裝操作半實物仿真模擬器技術原理圖

場景設置：用于布置吊裝環境、設置吊裝設備和被吊重大件。

硬件管理：用于連接模擬器硬件,并處理操作信號和反饋信號。

操作仿真：根據用戶操作產生吊裝結果,并在3D環境中顯示、輸出到相關硬件執行裝置。

結果評估：根據吊裝計算結果,評估操作的合理性,包括操作的穩定性、定位精度、是否有碰撞、鋼繩受力大小、是否有沖擊等。

2.3 吊裝現場在線可視化監控子系統

吊裝現場監控子系統基于在線數據測量、虛/實場景同步的實時、可視化監控,實現3D虛擬場景與真實場景一一對應；在線獲取起重設備位姿、被吊物位姿、其他運動物體位姿、風速、風向等信息,使虛/實場景同步；進行下一時段危險預測計算和最優控制參數計算，以保證完全性和合理操作。

吊裝現場監控子系統的主要功能模塊如圖4所示。

初始場景設置：根據真實吊裝環境設置3D虛擬環境；根據起重機初始狀態設置虛擬起重機初始狀態；設置被吊物初始位置與姿態等。

硬件管理與設置：各種傳感器和數據采集與傳輸裝置的自檢和初始化。

圖4 吊裝現場監控子系統技術原理圖

信號處理：傳感器及數據采集的信號傳輸與預處理；反饋信號的處理與傳輸。

危險預測計算：根據輸入信號和上一時刻的狀態進行下一設定時段的動力學計算,判斷是否存在危險,若存在危險則立刻傳輸給操作者或起重設備。

操控信號計算：根據下一時段的預定目標(被吊物位姿、速度等),計算起重設備的運動參數,再轉換成操作參數,傳輸給操作者或起重設備。

結果輸出與反饋：在控制端的3D場景中顯示危險信號或相關參數；將可能的危險信號和最優操作參數傳輸給操作者或起重設備。

系統實時獲取當前吊裝設備和被吊物的位姿、鋼繩受力等信息,結合預先設置的與真實場景一一對應的虛擬場景進行動力學實時計算,預測將要發生的危險(如碰撞、受力過大等)，并可以根據預定目標反算起重設備的最佳操作參數,從而保證吊裝作業的安全性,提高操作精度和吊裝作業效率。

3 吊裝仿真模擬器

研制了開放式、半封閉式和全封閉式吊裝仿真訓練模擬器,以適應于不同類型起重機的模擬操作訓練(見圖5)。起重機操控裝置可根據實際起重機定制。

圖5 吊裝操作仿真模擬器

4 結語

通過將先進的軟件、物聯網、傳感器、虛擬現實、在線反饋控制、3D可視化交互等技術進行有效集成,構建了一個基于虛擬現實的吊裝過程規劃、訓練、監控一體化系統,使重大件吊裝過程更智能,更安全、更高效。吊裝仿真及監控一體化系統將在復雜工程或設備安裝、大型構件對接等方面有廣泛的應用。

References)

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[2] 林遠山,鄭亞輝,梁友國,等.面向大型吊裝的三維仿真系統[J].中國工程機械學報,2010,8(2):238-243.

[3] 楊煦斌,王欣,孔維東,等.面向吊裝的三維虛擬仿真系統設計與實現[J].石油化工建設,2008,30(1)：43-47.

[4] 劉新根.鋼管混凝土拱橋拱肋吊裝及注漿力學仿真分析[J].世界橋梁,2014,42(4)：59-63.

[5] 岳玉潔,趙建國.基于Inventor三維吊裝仿真系統的研究與應用[J].機械設計與制造,2012(4)：73-75.

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[9] Trabia M B,Renno J M,Moustafa K A F. A general anti-swing fuzzy controller for an overhead crane with hoisting[C]//IEEE International Conference on Fuzzy Systems. 2006：627-634.

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[11] Cao Lingzhi,Wang Hongwei,Niu Chao. Adaptive backstepping control of crane hoisting system[C]//2007 2nd International Conference on Bio-Inspired Computing: Theories and Applications(BICTA 2007). 2007：245-248.

[12] Rapp C,Kreuzer E,Namachchivaya N S. Reduced normal forms for nonlinear control of underactuated hoisting systems[J].Archive of Applied Mechanics,2012,82(3)：297-315.

Design of hoisting simulation and monitoring integrated system based on virtual reality

Yang Qing, Lu Ali, Zhuang Yan, Zhang Jiande

(Department of Computer Engineering,Nanjing Institute of Technology,Nanjing 211167,China)

The hoisting simulation and monitoring integrated system is based on dynamics simulation, virtual reality,semi-physical simulation and on-line supervision and control. It is used for Hoisting process planning, operation training and on-site monitoring. The design structure and function of the system are introduced. The system can be combined with all kinds of hoisting equipment,to achieve 3D process simulation and process planning,hoisting operation training,hoisting safety monitoring and operating instructions on site. The system can make hoisting more intelligent,safe and efficient.

heavy hoisting; virtual reality; simulation experiment

10.16791/j.cnki.sjg.2017.04.027

2016-11-30 修改日期：2016-12-09

國家自然科學基金項目(61403188)；江蘇省產學研項目(BY2016008-02)；江蘇省自然科學基金項目(BK20150731)；南京工程學院教學研究項目(2014ZD01,2014ZC22,2014ZC25,JG201409)；南京工程學院創新基金重大項目(CKJA201506,CKJA201306)；南京工程學院人才啟動項目(YKJ201324)

楊慶(1976—),女,上海,碩士,副教授,主要研究方向為虛擬仿真、圖形圖像.

TP391.9

A

1002-4956(2017)4-0108-04