宗曉萍，朱玲玲，齊興敏

（河北大學 電子信息工程學院，河北 保定 071000）

1 引言

自動化立體倉庫是一種適合大規(guī)模儲存貨物的高效立體倉庫，由高層貨架、貨箱、巷道、堆垛起重機、出入庫輸送機系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、計算機倉庫管理系統(tǒng)及輔助設(shè)備組成，對集裝單元貨物實現(xiàn)了自動化存儲和計算機管理[1]。隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的迅猛發(fā)展,產(chǎn)品的多樣化和需求的個性化不斷地對自動化倉庫的規(guī)劃和設(shè)計提出更高的要求，但是面對自動化立體倉庫成本高,投資大的現(xiàn)實,對自動化立體倉庫系統(tǒng)采用三維虛擬仿真技術(shù)可以提前測試實際建設(shè)中方案是否符合要求,并對各種方案建立相應(yīng)的仿真模型，進行多次仿真,確定最適合的方案，避免因盲目建設(shè)而導致經(jīng)濟損失。

自動化立體倉庫的系統(tǒng)仿真是通過系統(tǒng)建模，計算機編程模擬實際系統(tǒng)運行狀態(tài)，并將計算模擬過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)作為實際規(guī)劃設(shè)計與運作管理的理論依據(jù)，同時統(tǒng)計和分析模擬結(jié)果，用以指導實際物流系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計與運作管理。對于圖形化的物流仿真軟件的研究，國外研究起點高，發(fā)展比較成熟，因此出現(xiàn)了很多專業(yè)化的物流仿真軟件。其中比較常用的有3i公司設(shè)計開發(fā)SIMAnimation和AutoSimulation公司開發(fā)的AutoState（AutoMod）,日本的RaLC（樂龍），美國的Flexsim等[2]。但是諸如以上仿真軟件大多不提供源碼，不利于進行二次開發(fā)，且價格昂貴。國內(nèi)對物流業(yè)的仿真都是依靠先進的仿真軟件，如文獻[3]采用Flexsim仿真軟件對某物流中心的倉儲作業(yè)系統(tǒng)進行了建模和深入分析，并從補貨策略設(shè)備配置及利用率等方面對模型進行了優(yōu)化，提出了改進意見和建議。對于物流系統(tǒng)仿真方面，我國目前還處于起步發(fā)展階段。

此三維仿真平臺主要在VC++6.0環(huán)境下利用三維圖形庫OpenGL搭建立體倉庫的三維虛擬仿真平臺，并具體分析了碰撞檢測算法，實現(xiàn)了自動化立體倉庫存儲貨物實際流程的動畫演示,以便提前獲得倉庫的運行情況,使自動化倉儲在物流系統(tǒng)和企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中發(fā)揮更大的作用。

2 三維實體模型的建立

OpenGL只能通過其基本圖元來繪制圖形,不具備實體造型能力。3DMAX擁有強大的造型功能,可以將由3DMAX生成的圖形文件通過轉(zhuǎn)換軟件將模型轉(zhuǎn)換為OpenGL顯示形式,再用OpenGL進行編程控制[4]。此仿真平臺導入*.3DS格式，再對其進行編程控制,由此可避免在OpenGL中用點、線和多邊形來建立三維立體模型的繁重勞動。3DS模型文件由許多Chunk組成，其中編輯Chunk、顏色Chunk、材質(zhì)Chunk、紋理Chunk起著關(guān)鍵的作用。因此，讀入以上的關(guān)鍵塊就可以實現(xiàn)模型的外部導入[5]。

在MFC框架中定義一個名為LOAD3DS的類，用于3DS文件的讀入與重繪，該類中主要定義的幾個結(jié)構(gòu)體及主要函數(shù)如下：

（1）主要結(jié)構(gòu)體：顏色結(jié)構(gòu)體，頂點結(jié)構(gòu)，對象結(jié)構(gòu)體。

（2）主要函數(shù)：

3DSObject·Load3DSObject()；//讀取3DS文件函數(shù)

void Draw3DSObject()；//3DS模型重繪函數(shù)

void Unitize3DSObject()；//模型平移到原點，并縮放到立方體中。

LOAD3DS類編寫完成后即可按下面的步驟導人3DS模型：

（1）文檔類中添加成員變量用于存取導人的模型。

（2）添加OnOpenDocument的消息響應(yīng)函數(shù)，采用顯示列表的方法加載模型。

（3）在視圖類中添加成員函數(shù)DrawWithOpenGL()重繪導入模型。

（4）在視圖類中添加響應(yīng)OnPaint()函數(shù)，并在該函數(shù)下調(diào)用DrawWithOpenGL()函數(shù)顯示3DS模型。

3 碰撞檢測

碰撞檢測是交互式場景漫游需要解決的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，針對三維漫游場景的情況，碰撞檢測主要解決的問題是隨著視點的移動，新的視點可能會穿越場景中設(shè)備對象或者進入物體內(nèi)部的情況。

由于仿真場景中的設(shè)備大多是較為規(guī)則的模型，所以根據(jù)具體設(shè)備的形狀將設(shè)備盡可能簡化為簡單的三角形,同時將視點看作一個點。這樣碰撞檢測就轉(zhuǎn)化為一個點與三角形相交的問題，從而加快實時響應(yīng)速度,取得較好的漫游效果[6]。高層貨架的漫游效果如圖1所示。

視點碰撞檢測的主要步驟：

（1）確定并記錄下當前視點位置m_vPos，并記錄下用戶輸入的新視點位置m_vNewPos；

（2）遍歷場景中的三角形，找到新舊視點之間的三角形平面；

（3）判斷過兩視點的直線與三角形平面交點是否在三角形的內(nèi)部。若此點在其內(nèi)部，則發(fā)生碰撞；反之，按以下步驟繼續(xù)；

圖1 漫游效果圖

（4）繼續(xù)判斷此點是否位于三角形邊上，若是，則碰撞發(fā)生；反之，不發(fā)生碰撞。

碰撞檢測完成后，若碰撞發(fā)生，則將新的視點還原為原來視點的位置；若無碰撞，則視點原位置更新為用戶輸入的新視點。

3.1 判斷視點移動與三角形面是否相交

其判斷方法為：遍歷場景內(nèi)的三角形平面，并判斷新視點到原來視點的射線是否與場景中的三角形平面相交，且交點位于兩點之間。具體算法如下：

確定兩視點變量：m_vPos和m_vNewPos，則此射線的方向向量為：m_v=m_vNewPos-m_vPos;

（1）遍歷場景沒所有三角形并確定所在平面的法向量：m_vNormal；

（2）求取上述的兩向量夾角，若小于90度則返回步驟（2），反之則繼續(xù)步驟（3）；

（3）計算得出與三角面的交點坐標；

（4）判斷交點坐標是否在三角形的內(nèi)部，若在內(nèi)部，則碰撞發(fā)生，反之，無碰撞發(fā)生。

3.2 判斷交點是否位于三角形的內(nèi)部

判斷一個點是否位于三角形的內(nèi)部有許多方法，鑒于編程的方便，采用簡單易行的求交角的方法來進行判斷，如圖2所示。

圖2 視點在三角形內(nèi)部

當角α、β、γ 相加之和為360度時，則說明交點位于三角形內(nèi)部，則碰撞發(fā)生，除此之外的其他情況均為未發(fā)生碰撞。部分代碼段如下：

For(int i=0;i<3;i++)

{

//當前頂點到交點的向量

vA=Triangle[i]-vCutpoint;

//下一個頂點到交點的向量

vB=Triangle[(i+1)%3]-vCutpoint;

//得出交點vCutpoint與三角形三個頂點夾角之和，并判斷是否為360度。

Angle+=AngleBetween(vector vA,vector vB);

｝

為了提高碰撞檢測的效率，加快實時反應(yīng)，在碰撞檢測之前在場景中建立了AABB包圍盒，這樣可以將距視點比較遠的不可能發(fā)生碰撞的物體排除，即將參與檢測的物體僅限于視點附近。進一步的精確檢測時，只需考慮所劃范圍內(nèi)的包圍盒對象即可，從而簡化程序的遍歷過程，提高程序運行過程。最終的碰撞檢測流程圖如圖3所示。

圖3 碰撞檢測流程圖

4 出入庫動畫模擬

在自動化立體倉庫系統(tǒng)中，出入庫是物流系統(tǒng)的主要操作活動，本系統(tǒng)按照單入庫作業(yè)流程進行作業(yè)，即：堆垛機從入庫臺取貨并運行至目的地；堆垛機將貨物送至貨架的貨格中；堆垛機返回原地等待下次作業(yè)。

在MFC中添加數(shù)據(jù)庫連接類ADOcnn，結(jié)合windows系統(tǒng)中ado動態(tài)連接庫msado15.dll，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫與底層設(shè)備數(shù)據(jù)的連接。其中在入庫命令下達時，系統(tǒng)會通過數(shù)據(jù)庫查詢貨架存儲狀態(tài)，貨架的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)表見表1。

表1 貨位的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)表

一旦用戶輸入入庫指令，目標貨位fram[j][k][l]就確定，貨物的行進路線也隨之確定：一級傳送帶ID，二級傳送帶ID,堆垛機的水平和垂直運動量都將確定。貨物從貨物發(fā)生器start出發(fā)，經(jīng)過一級傳送帶，尋找距離最近的未滿的入庫緩沖區(qū)Trans[i],然后在貨物到達緩沖區(qū)最前端，且巷道堆垛機lift[m]處于I/O臺待命狀態(tài)時，貨物移到堆垛機上，之后的貨物同堆垛機一起運動，堆垛機將貨物送到指定貨格fram[j][k][l]。如圖4所示。出庫的流程與入庫流程類似，其出庫調(diào)度算法，同樣可以后期開發(fā)定制，并隨時更換，也可以對幾種不同的算法進行比較驗證。

圖4 貨物入庫程序流程圖

為了生成平滑的動畫,本仿真系統(tǒng)采用了OpenGL雙緩存技術(shù)(DoubleBuffering),即前臺緩存和后臺緩存,后臺緩存主要是計算場景、生成動畫,前臺緩存顯示后臺緩存已畫好的畫面，從而增強三維仿真動畫顯示的連續(xù)性和逼真感。動作函數(shù)

void CMyPick1View::move (CLoadOBJ&a,CLoadOBJ&b,CLoadOBJ&c)實現(xiàn)出庫入庫等基本功能仿真動畫，該函數(shù)以三個設(shè)備對象為形參，其中對象b為運動的設(shè)備對象，對象a為對象b運動的起點，對象c為對象b運動的終點。

5 交互式設(shè)計

對于一個三維漫游場景來說，交互性是指用戶可以從不同的角度進行觀察和對模型的操作。

5.1 視點轉(zhuǎn)換

本平臺利用在OpenGL中的gluLookAt（g_eye[0]，g_eye[1]，g_eye[2]，g_look[0]，g_look[1]，g_look[2]，upx，upy，upz）函數(shù)實現(xiàn)視點的轉(zhuǎn)換，達到漫游效果，其中內(nèi)部函數(shù)變量（g_eye[0]，g_eye[1]，g_eye[2]）決定初始視點空間位置，（g_look[0]，g_look

[1]，g_look[2]）表示目標點，（upx，upy，upz）表示視點運動的方向。該函數(shù)作用是可以改變用戶在虛擬世界中的觀察點，當視點的位置及視點的參考方向發(fā)生改變時，視景中的物體相對于觀察者的方位也發(fā)生了改變，同時系統(tǒng)定義了鍵盤上的‘↑’，‘↓’，‘←’，‘→’鍵來控制視點的前進后退左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)，Page Up，Page Down分別控制視點上仰下俯，從而達到場景的漫游效果。

5.2 場景平移

場景的平移是通過OpenGL的函數(shù)glTranslatef()來實現(xiàn)的。通過參考文獻[7]和文獻[8]，利用鼠標選中模型，則可以在模型上確定一點，通過拖動鼠標移動此點，從而實現(xiàn)對模型的間接控制，平移或者旋轉(zhuǎn)。

對于模型的旋轉(zhuǎn)是通過建立旋轉(zhuǎn)軸實現(xiàn)的，將兩個鼠標矢量所構(gòu)成平面的法向量作為旋轉(zhuǎn)軸，兩鼠標矢量的夾角作為旋轉(zhuǎn)角度。通過參考文獻[9]，由旋轉(zhuǎn)軸和旋轉(zhuǎn)角度計算出四元旋轉(zhuǎn)向量，從而由旋轉(zhuǎn)向量構(gòu)造旋轉(zhuǎn)矩陣，實現(xiàn)模型的旋轉(zhuǎn)。

6 三維仿真實驗

在本仿真平臺下，搭建一個簡單的立體倉庫，并設(shè)置好各個設(shè)備的參數(shù)屬性：對象名稱、空間坐標、運動速度以及某些對象的特有屬性，比如傳送帶的功能分類：主傳送帶、入庫緩沖傳送帶、出庫緩沖傳送帶。貨架的基本元素：層數(shù)和列數(shù)，并按照以下的平面方案布局搭建，該虛擬立體倉庫具備了一般自動化立體倉庫的主要功能，同時可以改變視角，并在場景中漫游。其主要模型和平面示意圖如圖5所示。

其中：a-主傳送帶，b-入庫緩沖區(qū)，c-貨物，d-出/入庫貨臺，e-巷道堆垛機，f-高層貨架。

圖5 仿真場景平面示意圖

三維仿真效果圖如圖6所示。

圖6 立體倉庫三維仿真效果圖

7 小結(jié)

選用可視化編程語言VC作為仿真系統(tǒng)開發(fā)平臺，實現(xiàn)了自動化立體倉庫出入庫作業(yè)流程的模擬仿真，用戶可以更換布局方案,改變背景和視角,實現(xiàn)虛擬漫游，對自動化立體倉庫實際運行情況進行演示,同時此三維仿真系統(tǒng)具有友善的人機交互界面和簡便的操作方法,并兼顧系統(tǒng)功能擴充時易于修改和擴展?，F(xiàn)今我國自動化立體倉庫的系統(tǒng)仿真方面處于起步階段，本三維仿真平臺作為一個探索和嘗試，對今后的后續(xù)開發(fā)和拓展具有重要的實際意義。

[1]劉臣宇,郭峰,李衛(wèi)靈.基于Creator的虛擬自動化立體倉庫的研究與實現(xiàn)[J].價值工程,2010,(29).

[2]柳賽男.基于Web的制造業(yè)倉庫管理物流平臺關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用研究[D].杭州:浙江大學,2007.

[3]朱小蓉.基于Flexsim的倉儲作業(yè)系統(tǒng)仿真及優(yōu)化[J].物流技術(shù),2012,(2).

[4]張志剛,曹西京,劉昌祺,王棟生.自動化立體倉庫系統(tǒng)仿真的研究[J].計算機仿真,2005,(7).

[5]高海芳,王天雷,邱杰,康獻民,王大承.基于OpenGL的3DS模型的導入與控制[J].五邑大學學報(自然科學版),2010,(3).

[6]董晶晶,陳兵,王磊.虛擬場景漫游中基于視點的碰撞檢測研究及實現(xiàn)[J].海洋測繪,2011,(5).

[7]張正波,牟彥,黃華,劉波.OPENGL實現(xiàn)3ds文件中的模型自由旋轉(zhuǎn)[J].計算機工程與應(yīng)用,2005,41(13):98-100.

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[9]Terence JGrant,Jeff Molofee.ArcBall rotation control revisited[EB/OL].http://nehegame lev.net/tutorial/arcball_rotation/19003/.