TBM虚拟施工系统开发与关键技术研究

论文摘要

虚拟施工技术综合了计算机图形技术、计算机仿真技术、传感器技术、显示技术等多种学科的优势。虚拟施工技术与CAD技术在产品开发过程中的有机结合,改善了虚拟设计中人与计算机的交互方式,在沉浸式的虚拟环境中,设计者通过直接三维操作对产品模型进行管理,以直观自然的方式表达设计概念,并通过视觉、听觉、触觉等的反馈,感知产品模型的几何属性、物理属性与行为表现。在设计过程中,借助交互设备可以方便的完成产品模型构建,修改设计缺陷,对模型进行运动仿真和检验,对整个系统不断改进,直至获得最优设计方案。本论文以土压平衡式和泥水平衡式全断面掘进机为研究对象,进行虚拟施工技术的研究。首先,采用虚拟现实软件进行视景仿真环境设计。将CREATOR制作完成的环境组件导入VEGA仿真软件,根据城市实际环境凋整各个环境组件的位置。将CREATOR处理后的盾构机模型导入到建立好的VEGA虚拟环境中,并且在该环境中添加模拟盾构机工作情况的掘进和渣土运输特效。其次,采用VC++6.0制作基于MFC的盾构机虚拟施工系统软件界面。在MFC中加入多种控件分别控制盾构机的刀盘、管片安装机、注浆管、带式运输机等部件的运动。通过API接口调用VEGA函数库,开启预先制作的VEGA视景仿真环境,形成虚拟现实界面,在该界面下实现虚拟施工。此外,还要解决VC++6.0程序的大模型的加载速度问题,实现实时响应功能。然后,采用嵌入式技术制作单片机电路板,编写单片机程序,实现向工作站发送数据的目标。将采用51单片机制作的电路板通过RS232接口与图形工作站连接,当单片机电路上的功能按钮按下时,单片机向工作站发送数据,工作站中的MFC程序接收到数据后,控制虚拟盾构机做出相应的动作。最终利用现在日趋成熟的3D显示技术,将建立好的全断面掘进机虚拟施工系统全面的展示在屏幕上。本课题通过开发完善虚拟施工系统硬件和软件,力求逼真模拟现实情况下盾构机的工作规律,为实际施工提供直观的仿真和问题的解决方案。在虚拟施工系统的支持下,既能够培养高素质盾构机操作人员,又可以有效的预见实际施工中可能出现的困难,并能对各种施工难题的解决方法进行虚拟预演,显著减少施工停滞时间,提高施工效率。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 虚拟施工技术概述
• 1.1.1 虚拟施工的概念
• 1.1.2 虚拟施工的技术支撑体系
• 1.1.3 虚拟施工技术的引入
• 1.1.4 虚拟施工技术的作用
• 1.1.5 虚拟施工技术在国内外的实践应用
• 1.2 虚拟施工技术在全断面掘进机仿真中的应用
• 1.2.1 全断面掘进机研究发展现状
• 1.2.2 全断面掘进机仿真中引入虚拟施工技术
• 1.3 本课题的研究思路和内容
• 1.4 本章小结
• 第2章 虚拟施工视景驱动开发与研究
• 2.1 Vega的基本功能和特点
• 2.2 多通道显示功能在虚拟施工系统中的应用
• 2.3 特殊效果模块在虚拟施工系统中的使用
• 2.3.1 特殊效果模块及其粒子系统的属性
• 2.3.2 利用粒子系统创建自定义特效
• 2.4 Vega应用程序的基本框架及其实现
• 2.5 本章小结
• 第3章 TBM虚拟施工通信协议研究
• 3.1 串口通信概述
• 3.1.1 接口的方式
• 3.1.2 RS-232C串口标准
• 3.2 利用MSCOMM控件进行编程
• 3.2.1 MSComm控件的操作模式
• 3.2.2 MSComm控件的属性
• 3.2.3 MSComm控件串口编程的基本流程
• 3.3 串口通信在虚拟施工系统中的应用
• 3.3.1 添加MSComm控件和串口控制按钮
• 3.3.2 在框架类中实现串口通信
• 3.4 本章小结
• 第4章 TBM虚拟施工嵌入式控制系统开发
• 4.1 嵌入式系统简介
• 4.1.1 嵌入式系统的概念
• 4.1.2 嵌入式系统的架构
• 4.1.3 嵌入式处理器分类
• 4.2 单片机电路总体设计
• 4.2.1 技术指标的确定
• 4.2.2 单片机机型选择
• 4.2.3 电路器件选择
• 4.2.4 软、硬件功能划分
• 4.3 采用Proteus设计单片机硬件电路
• 4.3.1 Proteus软件简介
• 4.3.2 绘制原理图
• 4.4 Keil C51的使用
• 4.4.1 C51程序设计概述
• 4.4.2 应用程序一的设计
• 4.4.3 应用程序二的设计
• 4.5 硬件电路的焊接与程序下载测试
• 4.5.1 所需器材及元件
• 4.5.2 焊接步骤
• 4.5.3 程序下载与测试
• 4.6 本章小结
• 第5章 TBM虚拟施工软件系统开发与研究
• 5.1 软件界面设计及其功能模块实现
• 5.1.1 软件界面
• 5.1.2 通道转换模块的实现
• 5.1.3 串口通信模块数据的处理
• 5.1.4 仿真过程控制工具栏的实现
• 5.2 全断面掘进机虚拟施工软件系统的运行效果
• 5.2.1 加载Vega文件后的效果
• 5.2.2 通道转换模块使用效果
• 5.2.3 仿真过程控制按钮运行效果
• 5.2.4 串口通信效果
• 5.3 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的论著
• 附录
• A.1 嵌入式程序一
• A.2 嵌入式程序二