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(guó)正處在城市化進(jìn)程中，起重機(jī)等工程機(jī)械在其中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。工程機(jī)械大多屬于特種設(shè)備，根據(jù)國(guó)家有關(guān)規(guī)定，工程機(jī)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(jī)械培訓(xùn)主要采用真機(jī)操作，這要求培訓(xùn)機(jī)構(gòu)有更多的訓(xùn)練機(jī)械，且工程機(jī)械耗費(fèi)能源較高，使得傳統(tǒng)的工程機(jī)械駕駛員培訓(xùn)成本很高。許多工程機(jī)械作業(yè)屬于特種危險(xiǎn)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(shí)技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械模擬培訓(xùn)是一種較先進(jìn)的培訓(xùn)方式。與直接進(jìn)行真機(jī)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(duì)場(chǎng)地要求低、全天候、安全環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)然模擬訓(xùn)練器不能完全取代真機(jī)操作，一般采用先在模擬訓(xùn)練器上進(jìn)行基礎(chǔ)培訓(xùn)，再進(jìn)行真機(jī)操作。國(guó)內(nèi)科研院所對(duì)工程機(jī)械模擬培訓(xùn)進(jìn)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(jī)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(tái)、建模、操作手柄與按鈕、吊重的運(yùn)動(dòng)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(tái)

1.1 軟件開發(fā)平臺(tái)

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(jìn)行三維建模，利用Photoshop進(jìn)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(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)開發(fā)。

1.2 系統(tǒng)硬件部分

本系統(tǒng)運(yùn)行的硬件平臺(tái)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(qiáng)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(jì)算機(jī)相連，將參數(shù)傳遞給計(jì)算機(jī)用于控制起重機(jī)的操作。

2 系統(tǒng)的組成與實(shí)現(xiàn)

2.1 塔機(jī)模型

利用3DS MAX構(gòu)建建筑物、車輛、機(jī)械、人員、標(biāo)志、地面、天空背景等三維模型。塔式起重機(jī)是本系統(tǒng)中最重要的模型，依據(jù)實(shí)際尺寸建立的塔式起重機(jī)模型是整個(gè)訓(xùn)練場(chǎng)景的核心，盡量減少模型的面數(shù)，降低對(duì)計(jì)算機(jī)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(yùn)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(jī)模型。

圖1 塔機(jī)模型

2.2 場(chǎng)景模型

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

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

圖2 訓(xùn)練場(chǎng)景之一

圖3 考核場(chǎng)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(yùn)動(dòng)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(gè)檔位，大臂回轉(zhuǎn)、小車和吊鉤的運(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)利用手柄進(jìn)行操作，也可以利用鍵盤進(jìn)行操作。

除了操作手柄外，還配有若干按鈕用來(lái)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(duì)視角進(jìn)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(yùn)動(dòng)模擬

吊重的真實(shí)感運(yùn)動(dòng)模擬是實(shí)現(xiàn)起重機(jī)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(jī)都設(shè)有減搖裝置[8]，吊繩難以簡(jiǎn)化為理想的、無(wú)伸縮性的繩索，使得真實(shí)的吊重運(yùn)動(dòng)狀態(tài)非常復(fù)雜，難以進(jìn)行精確的力學(xué)分析，且往往需要求解微分方程，對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性造成影響。我們的做法是利用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算吊重的擺角，模擬出視覺上具有真實(shí)感的慣性運(yùn)動(dòng)。如突然停止時(shí)，吊重的擺角隨時(shí)間的變化符合正弦函數(shù)：

其中Φ是吊重?cái)[角，t是時(shí)間，T是吊重?cái)[動(dòng)的周期，f (t)是吊重的最大擺動(dòng)角度隨時(shí)間的衰減函數(shù)，可設(shè)置為一個(gè)簡(jiǎn)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(shí)感。本系統(tǒng)還加入風(fēng)吹動(dòng)的效果，將風(fēng)吹引起的擺角疊加到吊重的擺角上即可實(shí)現(xiàn)。本方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)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(shí)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(dòng)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(dú)立地完成受訓(xùn)項(xiàng)目的操作。

3 結(jié)束語(yǔ)

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(jì)算機(jī)中的塔吊進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)塔吊各機(jī)構(gòu)和吊重的真實(shí)感運(yùn)動(dòng)。本系統(tǒng)按照國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置訓(xùn)練和考核場(chǎng)景，并提供提示與幫助信息，幫助培訓(xùn)人員獨(dú)立地完成受訓(xùn)項(xiàng)目的操作。先用本系統(tǒng)進(jìn)行模擬培訓(xùn)，再進(jìn)行真機(jī)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(jí)的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，優(yōu)點(diǎn)是成本低，缺點(diǎn)是沉浸感相對(duì)較低，將來(lái)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(shí)技術(shù)在塔機(jī)司機(jī)訓(xùn)練培訓(xùn)中的應(yīng)用[J]. 2006. 中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào). 4(4): 444-447.

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

[3] 魏國(guó)前. 起重機(jī)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(guó)建設(shè)部. 塔式起重機(jī)駕駛員(技師)[M].北京: 建筑工業(yè)出版社. 2005.

[5] 橋式起重機(jī)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(bào). 41(6): 696-699.

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

[7] 小車吊重系統(tǒng)擺振動(dòng)力學(xué)模型及仿真[J]. 2007. 計(jì)算機(jī)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.