专利名称：一种基于Virtools的虚拟双梁桥式起重机的构建方法
技术领域：
本发明涉及一种虚拟双梁桥式起重机的构建方法。
背景技术：
随着我国工业的增长，起重机的用量在日益增加，产量和品种也在不断的增长，因而相关的作业人员数量也在大幅上升，随之带来安全隐患也在悄然的增加，数据表明，由于工作和操作不当造成的事故已占全部事故的70%左右，给人民生命和财产带来了严重的损失。由于使用起重机装卸货物是具有危险性的特种工作，所以起重机司机必须到政府批准的培训中心参加培训，取得资格证书以后，才可以从事此项工作。随着装卸设备向大型化、 高效化和自动化方向发展，高新技术的应用和更新换代不断加强；另一方面也要求机器操作人员具有熟练的操作技巧，使设备能高效、安全的运行。这使现有的培训手段和考核方法已无法与现有状况相适应。国内外学者对起重机模拟系统进行了大量的研究。但研究对象多是塔式起重机、 门式起重机和集装箱起重机，在桥式起重机方面的研究还不是很多。在建模工具方面，基本都是采用了 3DS MAX软件和Multigen、Opengvs图形开发高级平台对门式或集装箱起重机进行几何建模。在仿真工具方面，则使用Virtools软件和采用OpenGL进行开发对塔式起重机和门式起重机进行仿真。Solidworks与3DS MAX虽然都是功能非常强大的三维建模软件，但是由于各自应用的领域不同，它们之间还是存在着很大的差异。主要表现在以下3个方面1.建模方式。SolidWorks是实体建模，它不仅描述零件的轮廓与表面，还能描述零件的体积，可以说实体建模包含了曲面的信息；而3DS MAX的模型是以面来代替的，描述了零件的表面，但没有描述零件的质量和体积。2.建模的对象。因为对实体建模，所以SolidWorks对工业机械类建模精确度高， 装备效率高，其特征管理模式修改方便。而3DS MAX对工业机械类的建模不够精确，装配效率低，但是对非机械类建模则非常好，而且它的开发效率高。3.渲染。SolidWorks虽然可以通过添加插件对模型进行渲染与动画制作，但是效果无法与3DS MAX相比。现有技术中，实现虚拟起重机的技术采用全景图虚拟方式。全景图虚拟方式主要是把相机环360度拍摄的一组或多组照片拼接在一起组成一个全景图像，然后再通过计算机实现定点的互动式观看。应用该方法生成的虚拟场景只能对所拍摄的实景进行环绕式的浏览而不能在场景中进行任何操作，若想浏览场景的其他视角则只能通过某一热键进行切换，如果没有对某一视角进行拍摄则无法对其进行浏览。存在的技术缺陷是效率较低、成本较高、实时性较差。
发明内容
为了克服已有虚拟双梁桥式起重机的构建方法的效率较低、成本较高、实时性较差的不足，本发明提供一种效率较高、成本较低、实时性良好的基于Virtools的虚拟双梁桥式起重机的构建方法。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种基于Virtools的虚拟双梁桥式起重机的构建方法，所述构建方法包括以下步骤(1)、利用SolidWorks实体建模功能，按照从企业调研回来双梁桥式起重机的图纸上标记的尺寸，在SolidWorks中通过拉伸、旋转、薄壁、特征阵列以及打孔操作完成起重机各零部件模型的建立，并按照装配关系对零件进行装备，然后再以.stl格式输出；(2)、起重机装配完成导出后，将模型导入到3DS Max环境中对起重机整机模型做编辑与修改；把所有零部件导入后，使用3DS Max中组-成组命令，将起重机打包成3个组件大车组、小车组合和支架组，所述编辑与修改操作包括赋予起重机模型基本材质属性与贴图、模型优化；最后再以.nmo格式输出；(3)、将输出的.nmo场景和模型导入到Virtools，进行优化、测试和重组，然后通过Virtools提供的行为交互模块进行设计；(4)、把构建好的虚拟起重机系统，通过Virtools将作品发布为.vmo格式，客户端只需安装Virtools Web Player就可以通过IE浏览器访问系统。进一步，所述步骤(1)中，增加系统对操纵杆的响应模块，桥式起重机的驾驶室为两个操纵杆，左边的操纵杆主要控制大车和小车的运动；右边的操纵杆则用于控制吊钩的起升。本发明的技术构思为三维模型虚拟方式主要是应用SolidWorkS、3DS Max等建模软件先对模型进行建模、渲染、烘焙并导入Virtools等虚拟软件中，再经过编辑操作之后即可生成一个可执行的EXE文件，用户可通过这个EXE文件浏览三维场景的每个画面，还可以使用鼠标、键盘、游戏杆或其他跟踪工具，在规划方案中进行实时操作。使用SolidWorks软件对桥式起重机进行实体建模，然后导入3DS MAX进行优化和渲染。本发明的有益效果主要表现在1、安全性降低了非专业人员的操作风险；2、功能性使用计算机仿真软件，通过人机交互方式，可实现货物的装卸过程；3、经济性使用周期长，易于维护和扩充，长期使用可降低减少企业员工的培训费用。
图1是系统开发流程图。图2是系统组成图。图3网格单元的尺寸问题，其中，(a)为网格过于密集，(b)为(与对象尺寸相比) 网格过于稀疏，(c)为(与对象复杂程度相比)网格过于稀疏，(d)为既稀疏又密集的网格。图4 一个4*5网格可隐式定义为9个链表的交集。图5 —个4*5网格数组可隐式地定义为9个位数组的交集。图6系统中碰撞检测的流程。图7小车-重物系统。图8重物受力图。
图9超重控制流程。
具体实施例方式下面结合附图对本发明进一步描述。参照图1 图2，一种基于Virtools的虚拟双梁桥式起重机的构建方法，包括以下步骤(1)、利用SolidWorks强大的实体建模功能，按照从企业调研回来的图纸上标记的尺寸，在SolidWorks中通过拉伸、旋转、薄壁、特征阵列以及打孔等操作完成起重机各零部件模型的建立，并按照一定的装配关系对零件进行装备，然后再以.stl格式输出，方便导入3DS Max中进行渲染。(2)、起重机装配完成导出后，需将模型导入到3DS Max环境中对起重机整机模型做进一步的编辑与修改。在将模型导入3DS Max中时，导入的过程不可移动零部件，否则会影响起重机模型的装配关系，把所有零部件导入后，可以使用3DSMax中组-成组命令，将起重机打包成几个组件以方便对其进行整体操作。本系统中主要分成3组，大车组、小车组合和支架组。为了更好地满足虚拟现实技术所提出的要求，主要的编辑与修改有赋予起重机模型基本材质属性与贴图、模型优化。最后再以.nmo格式输出。(3)、最后将输出的.nmo场景和模型导入到Virtools，进行优化、测试、重组以达到更好的效果。然后就可以通过Virtools提供的行为交互模块进行设计。(4)、把构建好的虚拟起重机系统，通过Virtools将作品发布为.vmo格式，客户端只需安装Virtools Web Player就可以通过IE浏览器访问系统。系统用到了 SolidWorkS、3DS MAX、Virtools等作为制作的工具。需要注意的是， 在SolidWorks中建好起重机模型在导入3DS MAX之后，需要使用optimize修改器对模型的面数进行减少，以减少文件所占的空间大小，最后在利用Virtools进行起重机的交互制作。最后为了达到更好的操作效果，增加了系统对操纵杆的响应模块。桥式起重机的驾驶室为两个操纵杆，另外加几个按钮，分别起辅助作用，比如启动等。操纵杆作用如下左边的操纵杆主要控制大车和小车的运动；右边的操纵杆则用于控制吊钩的起升。该系统主要是为企业内部员工进行训练和培训提供一个平台。可以生成.EXE格式可执行文件，也可以制作网页的形式，只需通过浏览器就可以实现对员工的培训。本实施例中，以桥式起重机为模型，应用虚拟现实技术，按照国家标准通过在计算机中建立三维模型、作业场景，模拟出真实的工作环境，制作成为一个能进行人机交互的仿真系统，来进行桥式起重机学员的培训工作。由于该培训过程是在计算机展示的虚拟环境中进行，拥有高沉浸感，使学员如同身临其境，在虚拟学习环境中反复实践技术要领，最后提高技术水平，降低了非专业人员的操作风险，可长期使用降低了学员的培训费用。桥式起重机仿真系统三维模型结构比较复杂，数据量比较大。因此创建三维模型时需要兼顾到视景渲染的真实性和实时性，因此需要对模型进行有效的管理和合理的组织 (如图幻。按照各部件的运动特性将虚拟场景分为动态场景和静态场景，其中部分动态场景和所有静态场景在Solidworks和3DS Max中建立，具体包括起重机桥架和重物等组成虚拟车间内部场景和以地面、天空为主要部分的外部场景。部分动态场景包括固定路径运动的大车、小车和吊具等。静态模型主要影响视觉效果，因此，可以采用景物几何和图像相结合的建模技术实现，以提高程序运行的实时性和较高的沉浸感。动态模型的主体是需要仿真起重机及各种提示信息，主要通过相关的图形引擎写相应的程序进行运动控制。因为要实时对大车、小车和吊具的仿真，因此，必须建立准确的三维模型以真实的表现其运动。然后把建立好的桥式起重机模型导入到3DS Max中进行模型的优化和渲染，最后再导入到虚拟现实制作软件Virtools中进行起重机的仿真和实现，并基于此，开发出虚拟双梁桥式起重机仿真系统，系统实现过程中，涉及几个关键技术，分别是碰撞检测算法的优化、小车(大车)_重物系统的模拟和系统对超重的处理。1、本文实现的碰撞检测算法是基于包围盒技术和空间分割中的均勻网格技术。在对虚拟起重机进行空间划分时，对其经行了适当的简化。起重机的活动范围有限，只在由大车轨道和支架围成的长方体中移动。将这个长方体由上到下投影到地板上形成一个矩形，然后对这个矩形使用均勻网格划分。考虑到主要是对大小比较规则，尺寸比较统一的对象操作，故将单元格周长定为场景中零部件直径的两倍。碰撞检测的过程可以分为以下几个部分 碰撞区域的均勻网格划分对投影矩形区域进行均勻网格划分。循环访问碰撞区域中的物体，并且记录每个物体所占的单元格。 判断吊钩所在单元格根据吊钩的位置和自身包围盒计算出吊钩所在的单元格。 选择要进行碰撞检测的物体根据吊钩所在的单元格和吊钩运动方向，选择单元格，并与这些单元格中的物体进行碰撞检测。 碰撞响应没有发生碰撞就继续运动，否则就停止。具体流程如图6所示。2、小车(大车)系统在桥式起重机仿真器开发中是重点内容。在起重机工作时， 重物的不断摆动，对桥式起重机来说，存在两种摆动，分别是小车运动时重物的前后摆动和大车运动时重物的左右摆动。由于这两个摆动的除了方向的不同其余都是相似的，所以在这里我们主要阐述小车运动时重物的摆动。如何模拟这种摆动，使仿真效果尽可能贴近现实中重物的运动，成为系统是否具有高效真实性的瓶颈。一般来说，为了准确模拟模型中各个零部件的运动，需要对模型建立实时数学运动模型，并进行实时运算，这样通过严谨的数学推导得到的方程可以很精确的模拟系统的变化过程。由于本系统重点在于训练操作者的操作技能而非精确的模拟桥式起重机的运动轨迹，且因所使用的Virtools开发软件的编程注重对模型行为的视觉模拟，并不善于数学建模。所以先通过数学建模对小车-重物系统进行分析，了解系统的运动特点，用于指导、 验算方案设计。而开发工作则充分利用Virtools软件的功能模块，以视觉效果为开发的最终评价标准。小车-重物系统运动数学建模(1)、首先，对桥式起重机小车-重物系统进行力学分析，以小车沿大车运行时为例进行受力分析。小车-重物系统受力分析如图7、8。假定重物为一个质点，M为小车质量，m为重物质量。绝对坐标χ代表小车沿大车的位移。在与小车一起运动的同时，提升的重物还做相对小车的来回摆动。由此可知，重物的绝对运动是有两部分运动合成的相对小车的相对运动(提升和摆动)和随小车一起的绝对运动。1代表绳长4为提升重物的相对摆动角度。则提升重物的相对运动可以通过相对坐标(/,妁来表示，而绝对运动可由绝对坐标χ算出。如图所示，Fm为操作过程中小车所受的阻力，并且随小车的运动而改变；F是牵引电机对小车的牵引力；T则是提升电机作用于重物的提升力。小车-重物摆动系统属于不完全约束，使用达朗伯原理，建立动态方程。在垂直缆绳方向受力平衡得
权利要求
1.一种基于Virtools的虚拟双梁桥式起重机的构建方法，其特征在于所述构建方法包括以下步骤(1)、利用SolidWorks实体建模功能，按照从企业调研回来双梁桥式起重机的图纸上标记的尺寸，在SolidWorks中通过拉伸、旋转、薄壁、特征阵列以及打孔操作完成起重机各零部件模型的建立，并按照装配关系对零件进行装备，然后再以.stl格式输出；(2)、起重机装配完成导出后，将模型导入到3DSMax环境中对起重机整机模型做编辑与修改；把所有零部件导入后，使用3DS Max中组-成组命令，将起重机打包成3个组件 大车组、小车组合和支架组，所述编辑与修改操作包括赋予起重机模型基本材质属性与贴图、模型优化；最后再以.nmo格式输出；(3)、将输出的.nmo场景和模型导入到Virtools，进行优化、测试和重组，然后通过 Virtools提供的行为交互模块进行设计；(4)、把构建好的虚拟起重机系统，通过Virtools将作品发布为.vmo格式，客户端只需安装Virtools Web Player就可以通过IE浏览器访问系统。
2.如权利要求1所述的基于Virtools的虚拟双梁桥式起重机的构建方法，其特征在于所述步骤(1)中，增加系统对操纵杆的响应模块，桥式起重机的驾驶室为两个操纵杆， 左边的操纵杆主要控制大车和小车的运动；右边的操纵杆则用于控制吊钩的起升。
全文摘要
一种基于Virtools的虚拟双梁桥式起重机的构建方法，包括以下步骤(1)在SolidWorks中通过拉伸、旋转、薄壁、特征阵列以及打孔操作完成起重机各零部件模型的建立，并按照装配关系对零件进行装备，然后再以.stl格式输出；(2)起重机装配完成导出后，将模型导入到3DS Max环境中对起重机整机模型做编辑与修改；(3)将输出的.nmo场景和模型导入到Virtools，进行优化、测试和重组，然后通过Virtools提供的行为交互模块进行设计；(4)把构建好的虚拟起重机系统，通过Virtools将作品发布为.vmo格式，客户端只需安装Virtools Web Player就可以通过IE浏览器访问系统。本发明效率较高、成本较低、实时性良好。
文档编号G06T17/00GK102360396SQ201110296328
公开日2012年2月22日 申请日期2011年9月27日 优先权日2011年9月27日
发明者俞楚勇, 张元鸣, 肖刚, 胡荣保, 袁晓阳, 陆佳炜, 高飞 申请人:浙江众擎起重机械制造有限公司, 浙江工业大学