基于虚拟现实的岸吊仿真器研究与设计

论文摘要

基于虚拟现实的岸吊仿真器的培训是当今及未来岸吊培训学习的重要方向之一。国内对于岸吊仿真器的研究和设计还处于起步阶段,有必要设计开发一种实用的多功能岸吊仿真器。本文在对岸吊仿真器进行功能设计、体系结构设计、数据通讯接口设计、运动仿真建模及优化等基础上,设计和开发了一种实用的岸吊仿真器。研究和设计开发的过程遵循了自底向上建模、并行化开发、由点到面的原则方法,并按照三维实体建模、初始化与设置、运动仿真、仿真效果优化的步骤,完成了岸吊仿真器研究和设计开发。本文的主要内容包括: （1）提出了一种功能齐全的岸吊仿真器设计方案。（2）设计了岸吊仿真器两种系统结构,即基于数学模型和数学-物理模型的岸吊仿真器。（3）详细设计了模型场景的三维实体造型。（4）对岸吊仿真器进行了详细的运动仿真建模。（5）提出了模型的优化方案。其中,利用Virtools开发平台进行运动仿真建模是本文的重点。运动仿真建模的技术关键主要在于碰撞检测、多因素的影响和提高模型的真实性与实时性。本文将碰撞检测问题拆分为实时监测、类型判断和分类处理三个子问题分别予以解决;采用建立简化力学模型和运动的动力学模型的方法将多因素的影响抽象化予以解决;真实性和实时性则通过模型优化方案得以保证。本文以岸吊为重点,针对其作业流程的各个环节进行了详细的运动仿真建模。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外岸吊仿真器研究的现状和发展趋势
• 1.2.1 国外岸吊仿真器研究
• 1.2.2 国内岸吊仿真器研究
• 1.3 课题相关技术
• 1.3.1 虚拟现实技术
• 1.3.2 沉浸式虚拟现实系统
• 1.3.3 运动仿真建模平台——Virtools
• 1.4 本文主要研究工作
• 1.5 论文组织
• 第2章 岸吊仿真器的总体方案
• 2.1 岸吊仿真器的功能设计
• 2.1.1 岸吊仿真器的功能需求
• 2.1.2 岸吊仿真器的功能设计
• 2.2 运动仿真建模的技术难点
• 2.2.1 碰撞检测
• 2.2.2 多因素影响
• 2.2.3 实时性
• 2.2.4 真实性
• 2.3 岸吊仿真器研究的技术路线和方法
• 2.3.1 技术路线
• 2.3.2 研究方法
• 第3章 岸吊仿真器的系统结构
• 3.1 岸吊仿真器的两种系统结构
• 3.1.1 数学模型
• 3.1.2 数学-物理模型
• 3.1.3 两种系统结构的比较
• 3.2 岸吊仿真器的子系统
• 3.2.1 仿真模型
• 3.2.2 管理子系统
• 3.2.3 操作子系统
• 3.2.4 显示发布子系统
• 3.2.5 动感平台
• 3.2.6 数据库
• 3.3 数据通讯
• 3.3.1 操作台与仿真模型的接口
• 3.3.2 仿真模型与管理子系统的接口
• 3.3.3 仿真模型-数据库-管理子系统间的接口
• 3.4 硬件架构
• 第4章 岸吊仿真器运动仿真建模
• 4.1 三维实体建模
• 4.1.1 建模要求
• 4.1.2 实体对象设计
• 4.1.3 场景建模
• 4.2 运动仿真模型总体设计
• 4.3 模型初始化与设置
• 4.3.1 模型初始化
• 4.3.2 模型物理化
• 4.3.3 参数实时设置
• 4.4 岸吊操作的运动仿真建模
• 4.4.1 控制信号解码
• 4.4.2 岸吊的移动控制
• 4.4.3 集装箱作业建模
• 第5章 模型仿真效果设计
• 5.1 基于纯数学模型的动感优化设计
• 5.1.1 优化目标
• 5.1.2 技术关键
• 5.1.3 方案设计
• 5.2 基于数学-物理模型的动感优化设计
• 5.2.1 优化目标
• 5.2.2 技术关键
• 第6章 结论
• 6.1 论文结论
• 6.2 论文后续工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果