雙主吊鉤汽車起重機三維仿真的研究與應用

蔣春朗，梁友國，李 末，考 輝

(大連益利亞科技發展有限公司，遼寧 大連 116021)

0 引言

當前三維仿真技術已廣泛應用于吊裝領域，各種大型吊裝項目都已經逐步開始使用三維仿真預演吊裝方案，力求在實際操作中減少可能發生的吊裝事故，但大多數的三維仿真預演都只是通過鍵入固定的吊裝動作或者通過鍵盤鼠標模擬動作來實現整個吊裝仿真過程，與實際操作存在極大的差異，并沒有真正做到吊裝預演的效果[1]。雙主吊鉤汽車起重機的雙鉤起吊方式更加復雜，讓這種安全隱患更為明顯。為此，本文將應用與駕駛室配置一致的起重機操作臺，來實現與雙主吊鉤汽車起重機實際吊裝相接近的三維仿真，通過軟硬件高度結合的方式來實現逼真的吊裝預演，為雙主吊鉤汽車起重機吊裝仿真提供切實可靠的方案數據，實現正式吊裝時的省時省力、平安作業。

1 雙主吊鉤汽車起重機仿真模擬系統硬件架構

雙主吊鉤汽車起重機仿真模擬系統的工作主機采用工控機+PMAC(Programmable Multi-Axis Controller)運動控制卡的形式，起重機的轉臺回轉、臂架變幅、兩側吊鉤升降等動作皆是通過PMAC運動控制卡控制[2]；司機室座椅與運動控制卡相連，隨著起重機模擬運動而運動；視景通過主機投影到屏幕上，產生逼真的模擬效果；同時立體音響模擬起重機和環境音效，實時配合系統中模型的動作，形成一個高沉浸感的模擬系統。雙主吊鉤汽車起重機仿真模擬系統硬件架構如圖1所示。

圖1 雙主吊鉤汽車起重機仿真模擬系統硬件架構

2 三維建模

想要實現逼真的吊裝體驗，三維建模便是三維仿真的重中之重，但不是指單單通過構建與實際場地一致的起重機模型及其周圍環境即可，還需要一套完整的視景仿真技術為用戶提供模擬過程中所能看到的逼真景象。結合自身團隊技術與外界主流偏向，本文采用了Unity和3dmax來實現用戶與仿真對象的自然交互[3]，以確保仿真結果。這里最主要的體現方式是視覺上的效果，通過三維顯示設備作為輸出設備，把虛擬場景的模型變換重繪在操作者的眼前，給操作者一種所見即所得的效果。汽車起重機三維建模架構如圖2所示。

圖2 汽車起重機三維建模架構

3 仿真系統

仿真系統的關鍵是在仿真流程中實現三維吊裝過程可視化工作，三維吊裝可視化主要負責顯示仿真中三維場景的一切物體并進行碰撞檢測[4]，具體是在作業環境模型、吊索具模型、被吊物模型、起重機模型的基礎上，根據動作計算模塊求得的系統位姿更新模型進行碰撞檢測，最終渲染吊裝仿真場景。仿真系統工作流程如圖3所示。

圖3 仿真系統工作流程

三維吊裝可視化實質上是將當前的吊裝狀態實時顯示出來，因此只要能準確求出起重機當前的吊裝狀態，即可采用合適的場景組織方法組織管理三維模型，最終利用渲染引擎將其顯示出來。因此，吊裝狀態的求解即是吊裝仿真的關鍵，而吊裝狀態的求解有多種方法，并且吊裝狀態求解與可視化沒有必然的聯系，為此，在吊裝仿真設計時，本文將動作計算獨立出來，形成吊裝仿真動作計算模塊。

4 吊裝動作計算

吊裝動作計算模塊主要負責根據上一時刻的吊裝狀態及當前所選用的動作計算新的吊裝狀態，其數學模型可抽象為：

qt=f(qt-1，ut).

(1)

其中：qt-1、qt分別為由起重機和被吊物組成的系統上一時刻和當前時刻的吊裝狀態；ut為所應用的動作。

起升系統雙鉤吊裝仿真計算模塊主要負責根據上一時刻的吊裝狀態及當前時刻所應用的動作計算雙鉤和被吊物的位姿[5]。此模塊提供了基于正向運動學和基于幾何約束兩種計算模式，其中基于正向運動學的計算方法可以通過操控雙鉤模擬任意的雙鉤吊裝過程;基于幾何約束的雙鉤仿真方法由于事先已把協同策略嵌入雙鉤系統的基本動作中，因而可以容易地模擬期望的雙鉤吊裝過程。本文以吊鉤起升為例論述雙吊鉤起升動作的實現方法。

以左側吊繩頂端O點作為計算原點，設左側吊繩的長度為L1，右側吊繩的長度為L2，兩側吊點間距為d。吊鉤起升簡易示意圖如圖4所示。

圖4 吊鉤起升簡易示意圖

吊鉤起升后，左側吊點A′的坐標為(L1sinθ1，-L1cosθ1)，右側吊點B′的坐標為(d-L2sinθ2,-L2cosθ2)。根據物體受力分析可知，吊鉤起升后，被吊物重心不會發生偏移，兩側吊繩的偏擺角度相同，即θ1=θ2=θ。故可通過AB點向量構建等式：

((L1+L2)sinθ-d)2+(L2-L1)2cos2θ=d2.

(1)

令a=4L1L2,b=-2d(L1+L2)，c=(L2-L1)2，則由式(1)可構建出一個標準的一元二次方程：

asin2θ+bsinθ+c=0.

(2)

由此，得出兩側吊鉤的偏擺角θ和A′、B′兩點坐標后，便可計算出吊鉤發生偏擺后的實際位姿。

綜上所述，無論是哪一側吊鉤起升、下降或是兩側吊鉤同步起升、下降，使用以上計算方法，只要獲取到兩側吊繩的長度變化，便可通過計算得出兩側吊鉤的實際位姿參數。

5 串口通信

通過軟硬件結合的方式進行吊裝模擬，關鍵點在于數據的傳輸，通俗說，即是上位機發送指令、下位機再反過來通知上位機的過程。本文中的雙主吊鉤汽車起重機三維仿真所使用的方法便是通過一份專門為軟硬件所需通信數據敲定好的通訊協議來進行傳輸，起重機與操作箱通訊協議如圖5所示，起重機與遙控器通訊協議如圖6所示。起重機操作箱將用戶操作后的起重機姿態通過一組數據傳遞到PC主機，PC主機通過解析計算后更新至仿真系統的場景樹中，通過圖形渲染展示出來。同時，通過計算得到的起重機相關參數，也會同步返回至遙控器端，以保證指揮者能通過遙控器顯示屏獲取每一次操作的詳細數據，以便更加精準地完成整個仿真模擬。

圖5 起重機與操作箱通訊協議

圖6 起重機與遙控器通訊協議

需要注意的是，考慮到傳輸數據的準確性，操作臺操作時可能會引起數據中斷[6]，本文中的串口通信選擇了異步傳輸的方式，并在此基礎上為確保數據獲取的完整性，又增加了用于識別信息完整性的通信地址，數據在操作臺與PC主機間傳輸時通過以上條件甄別是否為仿真需要的正確數據，再交由計算模塊對起重機動作進行計算渲染。

6 實際應用

雙主吊鉤汽車起重機的雙鉤起吊方式在實際吊裝項目中需要經過嚴密的計算，吊裝過程中更需要隨時停止作業進行數據修正，非常耗時耗力。本文使用與起重機操作臺相結合的方式，用與實際吊裝相接近的三維吊裝預演將整個現場吊裝過程展示出來，也為實際吊裝提供了切實可靠的方案數據，實現了真正省時省力的平安作業。三維仿真場景下的雙鉤吊裝過程如圖7所示，現場作業時用于數據對比的仿真回放如圖8所示。

圖7 仿真預演時的單、雙鉤起吊過程

圖8 現場作業時用于數據對比的仿真回放

7 結語

本文基于三維吊裝仿真的相關知識，研究開發了一種通過軟硬件相結合的方法來實現三維仿真的沉浸式模擬，并已應用于實際項目的吊裝仿真過程中，有效縮短了實際吊裝的時間，顯著提高了實際吊裝的安全性，減少了相關人員大量重復的計算與試吊，在降低吊裝成本的同時提高了吊裝作業的速度。