[發明專利]集裝箱門式起重機模擬操作全景仿真系統及方法

在審

• 申請號: 201710630445.1
• 申請日: 2017-07-28
• 公開（公告）號: CN107331235A
• 公開（公告）日: 2017-11-07
• 發明（設計）人: 程文明;劉華森;張敏;張則強
• 申請（專利權）人: 西南交通大學
• 主分類號: G09B9/00
• 分類號: G09B9/00
• 代理公司: 成都點睛專利代理事務所(普通合伙)51232
• 代理人: 敖歡,葛啟函

1.一種集裝箱門式起重機模擬操作全景仿真系統，其特征在于：包括電氣控制硬件系統和全景仿真軟件系統：

電氣控制硬件系統包括起重機操作聯動臺、PLC控制系統、電氣控制柜、驅動電機、3D頭盔系統、以及PC機；其中：起重機操作聯動臺包括多個檔位的主令控制器以及相關控制開關，用于采集學員的操作命令；PLC控制系統根據接收到的聯動臺的操作信號，執行內部邏輯程序，并輸出執行命令；電氣控制柜用于執行PLC控制系統的輸出指令；驅動電機包含起升機構電機、大車運行電機、小車運行電機、旋轉機構電機，驅動電機受電氣控制柜的控制，用于發出真實的電機加減速聲響并產生振動，從而模擬集裝箱裝卸作業工作環境；PC機中安裝全景仿真軟件系統，PC機與PLC控制器通過工業以太網雙向通信；3D頭盔系統和PC機連接，用于全景仿真畫面的輸出顯示；

全景仿真軟件系統包括：虛擬三維建模系統、虛擬現實仿真軟件系統、三維虛擬場景輸出顯示系統、學員信息記錄數據庫、理論考試模塊、操作訓練模塊、考評系統；其中：虛擬三維建模系統用于建立集裝箱貨場的三維模型并進行渲染；虛擬現實全景仿真系統用于為起重機司機提供集裝箱起吊、旋轉以及卸載操作的VR虛擬訓練；三維虛擬場景輸出顯示系統用于將虛擬現實仿真軟件系統的集裝箱起重機的裝卸作業過程畫面通過投影儀和3D頭盔進行顯示；學員信息記錄數據庫包含學員個人的基本信息以及培訓考核記錄資料；理論考試模塊包含起重機操作的基礎知識以及安全操作規范；操作訓練模塊用于學員操作聯動臺完成全景仿真模擬系統中的集裝箱裝卸作業操作；考評系統用于對學員的理論知識以及全景仿真模擬系統中的集裝箱裝卸作業操作進行考核，并根據考核情況打分。

2.如權利要求1所述的集裝箱門式起重機模擬操作全景仿真系統，其特征在于：虛擬三維建模系統采用Solidworks建立集裝箱貨場的三維模型，并導入到3DS MAX中進行渲染。

3.如權利要求1所述的集裝箱門式起重機模擬操作全景仿真系統，其特征在于：虛擬現實全景仿真系統是采用OGRE驅動集裝箱貨場模型資源，并采用Visual Studio平臺對OGRE圖形引擎進行二次開發。

4.如權利要求1所述的集裝箱門式起重機模擬操作全景仿真系統，其特征在于：所述虛擬三維建模系統，在集裝箱門式起重機結構特點和工作特點基礎上，對集裝箱門式起重機以及貨場場景進行簡化處理，采用三維建模工具3DS MAX建立集裝箱起重機和貨場場景的三維動態仿真模型，三維場景模型包括：集裝箱起重機、起重機行走軌道、集裝箱、火車、鐵路軌道，其中起重機、裝卸作業的集裝箱以及攝像機是運動的，其他的物體是靜態不動的。

5.如權利要求1所述的集裝箱門式起重機模擬操作全景仿真系統，其特征在于：虛擬現實仿真軟件系統，利用OgreMax將3DS MAX中建立的起重機與貨場模型，轉換成OGRE工程模型資源；應用OGRE圖形渲染引擎進行圖形的渲染驅動，基于Visual Studio對OGRE圖形渲染引擎編寫程序，開發出集裝箱起重機的全景仿真系統，實現起重機操控實物電氣設備對虛擬仿真環境中的起重機進行裝卸作業控制，三維模型作為OGRE場景中的活動對象，通過人機接口實現對運動三維模型的控制和操作；人機接口主要通過三種方式:OIS接口、CEGUI接口以及聯動臺用以太網與PC機通訊。

6.如權利要求5所述的集裝箱門式起重機模擬操作全景仿真系統，其特征在于：基于Visual Studio平臺對OGRE圖形渲染引擎編寫程序時，對于鋼絲繩的升降問題，通過給鋼絲繩添加一個邊界區域軸向平行包圍盒，并監聽邊界區域以內的鋼絲繩，從而實現模擬鋼絲繩的升降操作；采用四元數旋轉方法實現鋼絲繩和集裝箱起重機吊具的360度旋轉；在集裝箱對位檢測中，分別給吊具以及被裝卸集裝箱一個邊界區域軸向平行包圍盒，判斷它們在水平面空間范圍是否滿足規定范圍誤差；如果吊具與集裝箱的空間位置誤差在允許范圍內，則吊具完成集裝箱的對位作業；貨場內物體的碰撞檢測算法采用軸對齊包圍盒方法，分別定義動態物體和靜態物體的軸向平行包圍盒，然后判斷其是否相交，如果相交則發生碰撞，仿真系統發出碰撞警告，并同時將碰撞信息記錄到學員的培訓數據庫中。

7.如權利要求1所述的集裝箱門式起重機模擬操作全景仿真系統，其特征在于：學員信息記錄數據庫，能夠添加、修改以及刪除學員的基礎個人信息，同時，能夠記錄學員的訓練時間長度、理論考試成績、操作訓練的失誤以及每次訓練的得分等情況。

8.利用權利要求1至7任意一項所述的系統進行集裝箱門式起重機模擬操作的方法，其特征在于：學員通過操作聯動臺上的主令控制器發出控制命令，PLC控制系統接收到命令信號后，執行內部控制程序，控制起重機大車運行電機、小車運行電機、旋轉機構以及起升電機的轉動，同時控制命令通過以太網通訊方式傳輸給PC機；PC機驅動全景仿真軟件系統使虛擬的集裝箱起重機執行相對應的大車運動、小車運動、吊具起升、吊具伸縮、吊具開閉鎖的動作，在虛擬仿真環境中實現對集裝箱門式起重機的裝卸作業過程的全景仿真操作訓練，同時，通過投影儀顯示虛擬起重機的裝卸作業畫面，學員帶上3D頭盔，實現360度全景觀察集裝箱貨場的裝卸作業情況，學員的操作信息被記錄在學員信息數據庫中，同時，根據考評系統，對學員的理論知識考核以及實際集裝箱裝卸作業操作進行考核評分。