桥式起重机模拟器系统构建及关键技术研究

论文摘要

虚拟现实技术利用三维图形生成技术、多传感交互技术以及高分辨显示技术,生成逼真的三维虚拟环境,用户通过使用相应的硬件设备,便可以进入虚拟空间,感知和操作虚拟世界中的各种对象,从而获得身临其境的感受和体会。虚拟现实技术作为一种新型人机交互形式,与以前任何人机交互形式相比,有希望彻底实现“和谐的、拟人化的”人机界面。目前,应用虚拟现实技术的仿真训练器已逐步成为培训飞机、汽车、船舶等驾驶人员的重要方式之一工业生产的不断发展促使桥式起重机的用量也在不断增长,相应的,起重机操作人员数量的增加,将高效培训桥式起重机作业人员的工作推到了亟待解决问题的浪尖。鉴于应用虚拟现实技术已成功地作为仿真训练器应用于各个行业,本文以高效培训桥式起重机操作人员,降低培训成本为目标,研究基于虚拟现实技术高效构建桥式起重机驾驶模拟系统,在虚拟环境中培训桥式起重机作业人员的若干关键技术。本文针对桥式起重机的培训要求及特点,对构成系统的软硬件系统进行了设计,概述了各个子系统的模块组成,并研究了软硬件间的人机交互方法。针对桥式起重机的一般培训准则及培训方式,重点研究其计算机的实现方法,通过设计考核评估系统对学员的成绩进行评估,最终实现学员的操作培训；通过视景系统中的物理过程研究,保证系统的实时性的同时提高视景系统的沉浸感。论文研究对象具有重要的理论意义与实用价值,创新点如下：（1）采用动作字符与数据采集卡数据映射的方式进行指挥信号解析,实现手语培训考核；结合行驶障碍的布置方式和场景模型的运动特点,通过定义培训场景的“敏感区”设计了该培训模式的实现流程；（2）结合FDH包围盒理论和OSG碰撞检测理论,提出并设计了一种利于提高系统实时性的包围盒碰撞检测算法,提高了系统的真实性和实时性；（3）应用LS-DYNA对主梁碰撞进行分析,通过事故过程中结构的应力位移变化,让学员了解该过程结构的变化机理,从而提高防范事故发生的警惕性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外发展现状
• 1.3 主要内容及组织结构
• 第2章 人机交互与虚拟现实
• 2.1 人机交互学
• 2.1.1 人机交互学概述
• 2.1.2 人机交互设计
• 2.1.3 人机交互的发展趋势
• 2.2 虚拟现实技术的特点
• 2.3 虚拟现实关键技术
• 2.3.1 基本模型构建技术
• 2.3.2 场景图理论
• 2.3.3 高性能计算处理技术
• 2.3.4 实时碰撞技术
• 2.4 人机交互与虚拟现实
• 2.5 本章小结
• 第3章 总体设计及人机交互设计
• 3.1 总体结构设计
• 3.1.1 总体结构
• 3.1.2 硬件系统
• 3.1.3 软件系统
• 3.2 人机交互设计
• 3.2.1 接口设计
• 3.2.2 人机界面设计
• 3.3 本章小结
• 第4章 视景系统设计
• 4.1 视景系统组成图
• 4.2 仿真环境构成
• 4.2.1 视景系统分析
• 4.2.2 景物几何建模
• 4.2.3 图像建模
• 4.2.4 多媒体应用
• 4.3 仿真实现
• 4.3.1 开发环境选择
• 4.3.2 OSG下场景组织
• 4.3.3 更新与回调
• 4.4 本章小结
• 第5章 典型培训模式研究
• 5.1 起重机司机的培训内容
• 5.2 手语、旗语培训
• 5.2.1 手语培训准则
• 5.2.2 流程设计
• 5.2.3 手语评估
• 5.3 吊物对（投）准法（定点落物）
• 5.3.1 定点落物培训准则
• 5.3.2 流程设计
• 5.3.3 定点落物评估
• 5.4 行驶障碍法（绕障培训）
• 5.4.1 绕障培训准则
• 5.4.2 流程设计
• 5.4.3 绕障评估
• 5.5 本章小结
• 第6章 物理仿真研究
• 6.1 碰撞检测
• 6.1.1 碰撞检测的初步设计
• 6.1.2 改进的碰撞检测算法
• 6.2 ANSYS/LS-DYNA中动态研究
• 6.2.1 ANSYS/LS-DYNA
• 6.2.2 主梁的碰撞分析
• 6.3 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 内容总结
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文和参加科研项目情况
• 附录