专利名称：塔式起重机的模拟操作系统和模拟操作方法
技术领域：
本发明涉及仿真模拟培训系统，特别涉及一种塔式起重机的模拟操作系统以及模拟操作方法。
背景技术：
由于塔式起重机在现代高层建筑中得到了广泛的应用，培训合格的塔式起重机操作人员成为了当务之急。传统式的培训方式有着效率低下、危险性高等缺点，随着虚拟现实技术和计算机图形图像技术的发展，业界开始采用计算机模拟仿真培训来替代真实培训，因此，塔式起重机的模拟培训系统得到了行业的推崇。现有的塔式起重机的模拟培训系统通常由四部分组成输入设备，包括操纵手柄、按钮等；数据采集系统，负责操纵指令的采集并将其传输至计算机平台；计算机平台系统，通过运行模拟培训软件驱动三维模型进行物理学计算；以及显示系统，用于场景及模型显
/Jn o然而，现有的塔式起重机的模拟培训系统的模型驱动仅采用单一的虚拟现实软件来实现，且三维模型类型单一，动力学特性不足，场景中物体运动的物理特性失真，导致操作的真实感不强。
发明内容
本发明的目的是针对现有的塔式起重机的模拟培训系统场景中物体运动的物理特性失真，操作的真实感不强的问题，提供一种能够提供完整、真实的操作感和沉浸感、效果逼真、培训效果更好的塔式起重机的模拟操作系统和模拟操作方法。为了实现上述目的，本发明提供了一种塔式起重机的模拟操作系统，该模拟操作系统包括模拟单元和显示单元，所述模拟单元包括动力学控制模块和图形学模块，所述动力学控制模块用于采集操作指令、并根据采集到的操作指令进行塔式起重机以及虚拟场景中的物体的动力学控制，所述图形学模块用于输出所述动力学控制的结果，所述显示单元用于对虚拟场景进行显示以及对所述动力学控制的结果进行显示，所述动力学控制利用动力学模拟软件Vortex来实现。优选地，所述动力学控制是根据动力学计算的结果完成的，所述动力学计算利用动力学模拟软件Vortex来实现，所述图形学模块还用于输出所述动力学计算的结果，所述显示单元还用于对所述动力学计算的结果进行显示。优选地，所述动力学控制模块可以包括以下中的至少一者塔式起重机运动控制模块，用于进行塔式起重机的模拟运动控制；起重钢丝绳动力学控制模块，用于模拟起重钢丝绳及其附着物体在各种状态下的受力情况；塔式起重机钢结构变形及晃动控制模块，用于模拟塔式起重机因载荷重物及风力引起的变形和晃动；物体碰撞模拟模块，用于模拟虚拟场景中物体之间的碰撞；以及物体摩擦计算模块，用于进行虚拟场景中的相互接触的物体之间的摩擦计算。
优选地，所述图形学模块还可以用于根据所述动力学控制的结果对所述显示单元的显示进行图形渲染。优选地，所述图形渲染利用图形渲染软件OSG来实现。优选地，所述图形学模块可以包括以下中的至少一者天气效果模块，用于执行天气情况模拟；物体阴影显示模块，用于控制虚拟场景中由于光照所产生的阴影显示；信息提示及数据显示模块，用于控制数据显示以及虚拟场景中的信息提示；以及音效模块，用于执行塔式起重机的工作音效模拟。优选地，所述模拟操作系统还可以包括塔机控制器，该塔机控制器与所述模拟单元连接，用于向所述模拟单元发送所述操作指令。优选地，所述模拟单元还可以用于向所述塔机控制器反馈所述动力学计算的结果。本发明还提供了一种塔式起重机的模拟操作方法，该模拟操作方法包括采集操作指令；根据采集到的操作指令进行塔式起重机以及虚拟场景中的物体的动力学控制，所述动力学控制利用动力学模拟软件Vortex来实现；输出所述动力学控制的结果；以及对虚拟场景进行显示以及对所述动力学控制的结果进行显示。优选地，所述动力学控制是根据动力学计算的结果完成的，所述动力学计算利用动力学模拟软件Vortex来实现，该模拟操作方法还可以包括输出所述动力学计算的结果以及对所述动力学计算的结果进行显示。优选地，所述动力学控制包括以下中的至少一者进行塔式起重机的模拟运动控制；模拟起重钢丝绳及其附着物体在各种状态下的受力情况；模拟塔式起重机因载荷重物及风力引起的变形和晃动；模拟虚拟场景中物体之间的碰撞；以及进行虚拟场景中的相互接触的物体之间的摩擦计算。优选地，该模拟操作方法还可以包括根据所述动力学控制的结果对所述显示进行图形渲染。优选地，所述图形渲染可以利用图形渲染软件OSG来实现。优选地，所述图形渲染可以包括以下中的至少一者执行天气情况模拟；控制虚拟场景中由于光照所产生的阴影显示；控制数据显示以及虚拟场景中的信息提示；以及执行塔式起重机的工作音效模拟。优选地，所述操作指令可以采集自塔机控制器。优选地，该模拟操作方法还可以包括向所述塔机控制器反馈所述动力学计算的结果。在本发明提供的塔式起重机的模拟操作系统和模拟操作方法中，采用了动力学模拟软件Vortex来实现模拟单元中的动力学控制，Vortex的常用工具箱可以产生多个模拟器来实现运动和环境仿真，并且Vortex是一个开放的仿真环境平台，采用标准的C++语言，用户可以在现有的平台基础上开发适合自己的独立的工具箱，采用Vortex来实现塔式起重机的模拟操作系统的模拟单元中的动力学控制，可以获得更强的真实感和临场感，效果更逼真，使得培训效果更好。本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式
部分予以详细说明。
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式
一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中图I是本发明提供的塔式起重机的模拟操作系统的结构示意图；图2是本发明提供的塔式起重机的模拟操作方法的流程图。附图标记说明I塔机控制器2模拟单元3显示单元4动力学控制模块5图形学模块11塔式起重机运动控制模块
12起重钢丝绳动力学控制模块13塔式起重机钢结构变形及晃动控制模块14物体碰撞模拟模块15物体摩擦计算模块21天气效果模块22物体阴影显示模块23信息提示及数据显示模块24音效模块
具体实施例方式以下结合附图对本发明的具体实施方式
进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式
仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。本发明提供了一种塔式起重机的模拟操作系统，如图I所示，该模拟操作系统包括模拟单元2和显示单元3，所述模拟单元2包括动力学控制模块4和图形学模块5，所述动力学控制模块4用于采集操作指令、并根据采集到的操作指令进行塔式起重机以及虚拟场景中的物体的动力学控制，所述图形学模块5用于输出所述动力学控制的结果，所述显示单元3用于对虚拟场景进行显示以及对所述动力学控制的结果进行显示，所述动力学控制利用动力学模拟软件Vortex来实现。根据本发明的技术方案，所述动力学控制是根据动力学计算的结果完成的，所述动力学计算利用动力学模拟软件Vortex来实现，所述图形学模块5还用于输出所述动力学计算的结果，所述显示单元3还用于对所述动力学计算的结果进行显示。如图I所示，所述模拟单元2用于根据操作者的操作指令执行动力学计算和模型驱动。所述模拟单元2包括动力学控制模块4，在仿真培训期间，该动力学控制模块4用于采集来自操作者的塔式起重机操作指令、并根据采集到的操作指令进行塔式起重机以及虚拟场景中的物体的动力学计算和动力学控制。根据本发明的技术方案，所述动力学计算和动力学控制均利用动力学模拟软件Vortex来实现。Vortex是加拿大的CM-LABS公司开发的多体动力学虚拟仿真系统,Vortex通过优化的数学模型和优秀的计算方法，可以实现精确的动力学分析和碰撞干涉检查，建立交互式的仿真操作环境。Vortex的常用工具箱可以产生多个模拟器来实现运动和环境仿真。并且，Vortex是一个开放的仿真环境平台，采用标准的C++语言，用户可以在现有的平台基础上开发适合自己的独立的工具箱。区别于传统的动力学软件，Vortex的用户在进行动力学模拟的同时，可以实时的修改各种动力学参数，从而不需要重新启动软件就可以进行操控模拟。
根据本发明的技术方案，所述动力学控制模块4包括以下中的至少一者塔式起重机运动控制模块11，用于进行塔式起重机的模拟运动控制；起重钢丝绳动力学控制模块12，用于模拟起重钢丝绳及其附着物体在各种状态下的受力情况；塔式起重机钢结构变形及晃动控制模块13，用于模拟塔式起重机因载荷重物及风力引起的变形和晃动；物体碰撞模拟模块14，用于模拟虚拟场景中物体之间的碰撞；以及物体摩擦计算模块15，用于进行虚拟场景中的相互接触的物体 之间的摩擦计算。通过建立上述模块进行塔式起重机以及虚拟场景中的物体的动力学计算和动力学控制并利用动力学模拟软件Vortex来实现，可以模拟更加完整真实的塔式起重机施工现场，使得操作者的真实感和临场感更强，模拟效果更逼真，培训效果更好。所述模拟单元2还包括图形学模块5，该图形学模块5用于输出来自动力学控制模块4的动力学控制的结果和动力学计算的结果。本发明提供的模拟操作系统还包括与所述模拟单元2连接的显示单元3，该显示单元3用于对虚拟场景(例如天气情况、虚拟场景中的物体位置等)进行显示以及对所述动力学控制的结果(塔式起重机的运动及虚拟场景中的物体运动)和所述动力学计算的结果(数据显示等)进行显示。所述显示可以包括图形显示和相应的声音显示。所述显示单元3例如可以为液晶显示屏。为了获得更加逼真的视觉效果和真实感，优选情况下，本发明提供的塔式起重机的模拟操作系统中，所述图形学模块5还用于根据所述动力学控制的结果对所述显示单元3的显示进行图形渲染，所述图形学模块5用于通过光学模拟对显示单元3的显示场景进行图像处理来实现图形渲染，以获得更逼真的显示效果。根据本发明的技术方案，所述图形渲染利用图形渲染软件OSG来实现。OpenSceneGraph (简称0SG)使用OpenGL技术开发,是一套基于C++平台的应用程序接口，使得用户能够更加快速、便捷地创建高性能、跨平台的交互式图形程序。OpenGL技术为图形元素(多边形、线、点…)和状态(光照、材质、阴影…)的编程提供了标准化的接口。通过状态转化、绘图管道和自定制等操作，OSG还可以用于优化渲染性能。OSG采用以下工具进行构建ANSI标准C++ ；C++标准模板库(STL);设计模式。这些工具使得OSG的用户可以在自己喜好的平台上进行开发，并且依据用户所要求的平台进行配置。根据本发明的技术方案，所述图形学模块5包括以下中的至少一者天气效果模块21，用于执行天气情况模拟；物体阴影显示模块22，用于控制虚拟场景中由于光照所产生的阴影显示；信息提示及数据显示模块23，用于控制数据显示以及虚拟场景中的信息提示；以及音效模块24，用于执行塔式起重机的工作音效模拟。通过建立上述模块对塔式起重机以及虚拟场景的显示进行图形渲染并利用动力学模拟软件Vortex来实现图形渲染，模拟效果更逼真，培训效果更好。由于现有的塔式起重机的模拟操作系统中，塔式起重机的操作指令是通过数据采集设备进行采集的，成本相对较高，且需要针对数据采集设备进行相应的硬件驱动程序开发，开发周期较长。为了降低成本，同时提高采集的数据的真实性和可靠性，优选情况下，根据本发明的技术方案，如图I所示，所述模拟操作系统还包括塔机控制器1，该塔机控制器I与所述模拟单元2连接，用于向所述模拟单元2发送所述操作指令。所述塔机控制器I为真实塔机操作中用于输出电机控制指令的塔式起重机自身的PLC控制器，根据本发明的技术方案，操作者可以通过真实的塔机操纵台和塔机控制器I来向模拟操作系统发送操作指令。所述塔机控制器I用于与真实的塔机操纵台连接，以获取来自操纵者的操纵信号，并经由数据线上传至所述模拟操作系统的模拟单元2。所述模拟单元2还用于向所述塔机控制器I反馈所述动力学计算的结果，该反馈信息可以在所述塔机控制器I处进行显示。由于本发明采用了真实的塔式起重机的塔机控制器I来完成操作指令的上传，不需要额外的数据采集设备，降低了成本，且采集的数据更加可靠、真实。图2是本发明提供的塔式起重机的模拟操作方法的流程图。如图2所示，本发明还提供了一种塔式起重机的模拟操作方法，该模拟操作方法包括采集操作指令；根据采集到的操作指令进行塔式起重机以及虚拟场景中的物体的动力学控制，所述动力学控制利用动力学模拟软件Vortex来实现；输出所述动力学控制的结果；以及对虚拟场景进行显示以及对所述动力学控制的结果进行显示。根据本发明的技术方案，所述动力学控制是根据动力学计算的结果完成的，所述动力学计算利用动力学模拟软件Vortex来实现，该模拟操作方法还包括输出所述动力学 计算的结果以及对所述动力学计算的结果进行显示。所述动力学控制包括以下中的至少一者进行塔式起重机的模拟运动控制；模拟起重钢丝绳及其附着物体在各种状态下的受力情况；模拟塔式起重机因载荷重物及风力引起的变形和晃动；模拟虚拟场景中物体之间的碰撞；以及进行虚拟场景中的相互接触的物体之间的摩擦计算。通过上述步骤进行塔式起重机以及虚拟场景中的物体的动力学计算和动力学控制并利用动力学模拟软件Vortex来实现，可以模拟更加完整真实的塔式起重机施工现场，使得操作者的真实感和临场感更强，模拟效果更逼真，培训效果更好。为了获得更加逼真的视觉效果和真实感，优选情况下，优选地，该模拟操作方法还包括根据所述动力学控制的结果对所述显示进行图形渲染。所述图形渲染包括以下中的至少一者执行天气情况模拟；控制虚拟场景中由于光照所产生的阴影显示；控制数据显示以及虚拟场景中的信息提示；以及执行塔式起重机的工作音效模拟。更加优选的情况下，所述图形渲染利用图形渲染软件OSG来实现。通过上述步骤对塔式起重机以及虚拟场景的显示进行图形渲染并利用动力学模拟软件Vortex来实现图形渲染，模拟效果更逼真。为了降低成本，同时提高采集的数据的真实性和可靠性，优选情况下，所述操作指令采集自塔机控制器I。由于采用真实的塔式起重机的塔机控制器I来完成操作指令的上传，不需要额外的数据采集设备，降低了成本，且采集的数据更加可靠、真实。优选情况下，该模拟操作方法还包括向所述塔机控制器I反馈所述动力学计算的结果。该反馈信息可以在所述塔机控制器I处进行显示。以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。另外需要说明的是，在上述具体实施方式
中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
权利要求
1.一种塔式起重机的模拟操作系统，该模拟操作系统包括模拟单元(2)和显示单元(3)，所述模拟单元(2)包括动力学控制模块(4)和图形学模块(5)，所述动力学控制模块(4)用于采集操作指令、并根据采集到的操作指令进行塔式起重机以及虚拟场景中的物体的动力学控制，所述图形学模块(5)用于输出所述动力学控制的结果，所述显示单元(3)用于对虚拟场景进行显示以及对所述动力学控制的结果进行显示，其中，所述动力学控制利用动力学模拟软件Vortex来实现。
2.根据权利要求I所述的模拟操作系统，其中，所述动力学控制是根据动力学计算的结果完成的，所述动力学计算利用动力学模拟软件Vortex来实现，所述图形学模块(5)还用于输出所述动力学计算的结果，所述显示单元(3)还用于对所述动力学计算的结果进行显不。
3.根据权利要求2所述的模拟操作系统，其中，所述动力学控制模块(4)包括以下中的至少一者 塔式起重机运动控制模块(11 )，用于进行塔式起重机的模拟运动控制； 起重钢丝绳动力学控制模块(12)，用于模拟起重钢丝绳及其附着物体在各种状态下的受力情况； 塔式起重机钢结构变形及晃动控制模块(13)，用于模拟塔式起重机因载荷重物及风力引起的变形和晃动； 物体碰撞模拟模块(14)，用于模拟虚拟场景中物体之间的碰撞；以及 物体摩擦计算模块(15)，用于进行虚拟场景中的相互接触的物体之间的摩擦计算。
4.根据权利要求3所述的模拟操作系统，其中，所述图形学模块(5)还用于根据所述动力学控制的结果对所述显示单元(3)的显示进行图形渲染。
5.根据权利要求4所述的模拟操作系统，其中，所述图形渲染利用图形渲染软件OSG来实现。
6.根据权利要求4所述的模拟操作系统，其中，所述图形学模块(5)包括以下中的至少一者 天气效果模块(21)，用于执行天气情况模拟； 物体阴影显示模块(22)，用于控制虚拟场景中由于光照所产生的阴影显示； 信息提示及数据显示模块(23)，用于控制数据显示以及虚拟场景中的信息提示；以及 音效模块(24 )，用于执行塔式起重机的工作音效模拟。
7.根据权利要求2所述的模拟操作系统，其中，该模拟操作系统还包括塔机控制器(I )，该塔机控制器(I)与所述模拟单元(2 )连接，用于向所述模拟单元(2 )发送所述操作指令。
8.根据权利要求7所述的模拟操作系统，其中，所述模拟单元(2)还用于向所述塔机控制器(I)反馈所述动力学计算的结果。
9.根据权利要求7所述的模拟操作系统，其中，所述模拟操作系统还包括真实塔机操纵台，所述塔机控制器(I)与所述塔机操纵台连接。
10.一种塔式起重机的模拟操作方法，该模拟操作方法包括 采集操作指令； 根据采集到的操作指令进行塔式起重机以及虚拟场景中的物体的动力学控制，所述动力学控制利用动力学模拟软件Vortex来实现； 输出所述动力学控制的结果；以及 对虚拟场景进行显示以及对所述动力学控制的结果进行显示。
11.根据权利要求10所述的模拟操作方法，其中，所述动力学控制是根据动力学计算的结果完成的，所述动力学计算利用动力学模拟软件Vortex来实现，该模拟操作方法还包括输出所述动力学计算的结果以及对所述动力学计算的结果进行显示。
12.根据权利要求11所述的模拟操作方法，其中，所述动力学控制包括以下中的至少一者 进行塔式起重机的模拟运动控制； 模拟起重钢丝绳及其附着物体在各种状态下的受力情况； 模拟塔式起重机因载荷重物及风力引起的变形和晃动； 模拟虚拟场景中物体之间的碰撞；以及 进行虚拟场景中的相互接触的物体之间的摩擦计算。
13.根据权利要求12所述的模拟操作方法，其中，该模拟操作方法还包括 根据所述动力学控制的结果对所述显示进行图形渲染。
14.根据权利要求13所述的模拟操作系统，其中，所述图形渲染包括以下中的至少一者 执行天气情况模拟； 控制虚拟场景中由于光照所产生的阴影显示； 控制数据显示以及虚拟场景中的信息提示；以及 执行塔式起重机的工作音效模拟。
15.根据权利要求11所述的模拟操作方法，其中，所述操作指令采集自塔机控制器(I)。
16.根据权利要求15所述的模拟操作方法，其中，该模拟操作方法还包括 向所述塔机控制器(I)反馈所述动力学计算的结果。
全文摘要
本发明公开了一种塔式起重机的模拟操作系统和一种塔式起重机的模拟操作方法。所述模拟操作系统包括模拟单元(2)和显示单元(3)，所述模拟单元(2)包括动力学控制模块(4)和图形学模块(5)，所述动力学控制模块(4)用于采集操作指令、并根据采集到的操作指令进行塔式起重机以及虚拟场景中的物体的动力学控制，所述图形学模块(5)用于输出所述动力学控制的结果，所述显示单元(3)用于对虚拟场景进行显示以及对所述动力学控制的结果进行显示，所述动力学控制利用动力学模拟软件Vortex来实现。本发明提供的塔式起重机的模拟操作系统和模拟操作方法效果更逼真，培训效果更好。
文档编号G09B9/00GK102723008SQ20121020139
公开日2012年10月10日 申请日期2012年6月18日 优先权日2012年6月18日
发明者习可, 何首文, 夏鄂, 崔壮平, 李力, 陈刚 申请人:中联重科股份有限公司