基于数据驱动和仿真技术的工程机械虚拟监控及预警系统的研究

论文摘要

随着自动化技术的发展,人们对远程监控和管理系统的要求越来越高。本文以塔机为具体的研究对象,针对传统塔机群信息监控及碰撞预警系统的不足,结合国家863项目(2007AA04Z419)“大型塔式起重机安全状态实时监控及预警关键技术研究”,基于数据驱动和仿真技术开发塔式起重机远程虚拟监控及碰撞预警系统。建立塔机运动模型并确定关键运动参数,通过现场传感信息驱动塔机动作,实现了一个三维、具有高度逼真性、实时性、交互性的塔机实时监控系统。在此基础上,利用多层数据模型对塔机和现场元素进行多级简化,通过快速筛选调度算法,对现场的监测对象进行实时碰撞检测,实现对塔机碰撞事故较为准确的预警。本文主要研究内容包括:1、建立起完善的塔机三维模型与环境模型库。根据塔机的结构与运动特点,分析塔机各部件之间的拓扑关系,建立起塔机模型部件库;根据虚拟场景中的环境要素特点采用相适应的建模技术完成模型建构;同时对于建模技术的几个关键问题实现优化。2、实现塔机远程虚拟监控系统的可视化与操作性。基于计算机图形学,采用DirectX设计虚拟监控系统的渲染引擎,既实现了逼真、准确、生动的三维图像显示,而且实现了人机交互操作。3、对于塔机虚拟监控系统的视觉呈现能力进行优化。从虚拟监控系统的3D裁剪、深度缓冲、快速可见性计算三方面进行优化研究,不仅提高监控平台画面呈现的逼真性,而且进一步增强系统的实时性。4、对塔机碰撞系统进行研究。根据塔机碰撞检测的特点,对塔机模型和场景内其它物体进行建模的优化,通过多层数据模型和快速筛选调度算法,实现塔机碰撞的较为准确的实时检测,以达到预警的目的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源、课题背景及研究意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 课题背景及研究意义
• 1.2 塔式起重机安全监控系统研究现状
• 1.2.1 塔机安全监控系统国外研究概况
• 1.2.2 塔机安全监控系统国内研究现状
• 1.2.3 国内外研究现状分析
• 1.3 基于虚拟现实技术的塔机远程监控系统
• 1.3.1 监控系统性能要求
• 1.3.2 塔机远程监控系统方案
• 1.4 课题要做的主要工作
• 第二章 塔机虚拟监控场景建模
• 2.1 虚拟现实建模技术及模型变换概述
• 2.1.1 虚拟现实建模技术
• 2.1.2 三维模型的几何变换概述
• 2.2 塔式起重机的建模分析
• 2.2.1 塔式起重机结构分析
• 2.2.2 塔式起重机运动分析
• 2.2.3 塔机层级结构的确定
• 2.3 虚拟场景中塔机建模实现
• 2.3.1 塔机模型的几何建模实现
• 2.3.2 塔机虚拟监控运动描述及数学实现
• 2.4 塔机监控系统模型的优化
• 2.4.1 实例化技术
• 2.4.2 纹理映射技术
• 2.5 本章小结
• 第三章 塔机虚拟监控系统的场景呈现与交互
• 3.1 Direct3D图形管线
• 3.1.1 坐标变换和光照流水线概述
• 3.2 塔机虚拟监控场景的渲染实现
• 3.2.1 塔机虚拟监控系统图形坐标系转换
• 3.2.2 塔机虚拟监控系统的人机交互
• 3.3 场景的快速渲染技术
• 3.3.1 多分辨率层次细节简化技术
• 3.3.2 可见性剔除
• 3.4 本章小结
• 第四章 塔机群防碰撞系统的研究
• 4.1 塔机碰撞情况分析
• 4.2 现有塔机群防碰撞系统介绍
• 4.3 虚拟现实中实时碰撞检测技术
• 4.3.1 碰撞检测的要求
• 4.3.2 碰撞检测原理
• 4.3.3 碰撞检测的实现方法
• 4.3.4 优化碰撞检测算法的途径
• 4.4 塔机碰撞检测算法策略及实现
• 4.4.1 模型的构建与优化方法
• 4.4.2 碰撞算法的实施
• 4.5 本章小结
• 第五章 塔机虚拟监控及预警系统的实现
• 5.1 塔机群远程监控系统的功能需求
• 5.2 监控系统的实现
• 5.3 碰撞检测预警模块的实现
• 5.4 本章小结
• 总结与展望
• 6.1 本文总结
• 6.2 进一步的工作
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文