CN101655786A - 塔式起重机操作模拟培训虚拟现实软件系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种塔式起重机操作模拟培训虚拟现实软件系统。选择第十一界全运会自行车馆建筑工地以及用于建设的QTZ125塔式起重机作为建模对象，采用三维建模软件Multigen－Creator，根据QTZ125塔式起重机的图纸、建筑工地以及周边环境建立塔式起重机三维模型和工地场景及周边环境模型，在VC++编辑环境中通过Vega编程实现塔式起重机模型和场景模型的实时驱动。本发明是塔式起重机操作模拟培训系统的软件部分，再现塔式起重机的工作过程和场景变化，模拟白天、黑夜、雾等三维视景的生成和变化，专供塔式起重机驾驶员培训使用。

Description

塔式起重机操作模拟培训虚拟现实软件系统

技术领域

本发明涉及一种虚拟现实软件系统，特别是一种塔式起重机操作模拟培训虚拟现实软件系统，是塔式起重机操作模拟培训系统的软件部分。属于虚拟现实技术领域。

背景技术

目前，塔式起重机驾驶员的培训是通过师傅带徒弟的方式来完成的，这种传统的教授方式受人为因素的影响，存在着事故率高、培训时间长、培训内容欠规范、受天气条件的限制、效率低等问题。随着现代科学技术的迅速发展和建筑施工水平及管理水平的提高，使利用计算机系统对塔式起重机驾驶员进行高素质的驾驶培训成为可能。为此，研究与开发集机-电-自动化-虚拟现实技术于一体的多功能塔式起重机操作模拟培训系统，用于塔式起重机驾驶员的操作模拟培训成为可能。目前，我国尚没有塔式起重机操作模拟训练系统。如何使塔式起重机操作模拟培训系统真实再现塔式起重机的工作过程、场景变化、天气变化的关键技术是如何根据学员的操作命令，在视景系统上显示塔式起重机的变幅、回转、起升运动，实现起吊、运输、就位、空行程一个完整的工作过程，模拟白天、黑夜、阴、风、雨、雪、雾等三维视景的生成和变化，真实再现塔式起重机周边工作场景。本发明公开一种虚拟现实软件系统，基于Multigen-Creator软件针对QTZ125塔式起重机进行三维建模和第十一界全运会自行车馆建筑工地场景建模，在VC++编辑环境中，通过Vega编程实现塔式起重机模型和场景模型的实时驱动，真实再现塔式起重机的工作过程、场景变化、天气变化。

发明内容

本发明的目的是提供一种塔式起重机操作模拟培训虚拟现实软件系统，将这一软件安装在塔式起重机操作模拟培训系统上，能真实再现塔式起重机的工作过程、场景变化、天气变化。本发明通过如下技术方案实现：

选择第十一界全运会自行车馆建筑工地以及用于建设的QTZ125塔式起重机作为虚拟现实软件系统的建模对象，采用三维建模软件Multigen-Creator，根据QTZ125塔式起重机的图纸，建筑工地以及周边环境的建筑物、道路、山、田野等实地测量数据，分别建立逼真的塔式起重机三维模型和真实工地场景及周边环境模型。在Vega的图形用户界面LynX中导入建好的模型文件.flt，设置相关参数后，保存成.adf格式文件，在VC++编辑环境中，通过Vega编程实现塔式起重机模型和场景模型的实时驱动，达到用户、塔式起重机和场景的实时交互，真实再现塔式起重机的工作过程和场景变化，模拟白天、黑夜、雾等三维视景的生成和变化，Vega应用程序主框架如图1所示。

塔式起重机建模技术方案。塔式起重机建模方案流程图如图2所示，通过QTZ125塔式起重机的机械图纸获得塔式起重机各部件的形状和尺寸，根据这些数据用三维建模软件Creator建立塔式起重机三维模型；用数码相机在生产厂家、建筑工地实地拍摄正面照片，利用Photoshop软件处理成Vega支持的纹理；给塔式起重机三维模型贴纹理，创建出逼真的塔式起重机模型。

基于QTZ125塔式起重机的结构特点和Creator建模软件的特点，确定塔式起重机建模流程图如图3所示，塔式起重机的三维实体建模思路为由点到面、由面到体。利用Creator软件提供的Polygen工具，根据塔式起重机的实际形状、尺寸，实时改变网格间距和坐标系原点的位置，绘出部件的平面图；然后利用墙体、锥体、旋转、放样等工具，实现平面图到立体图的转化；再通过旋转、平移、比例缩放、种植等方法，建立整个塔式起重机的实体模型。

场景建模技术方案。根据实际情况对整个建筑工地和周边环境的物体分布进行总体规划，场景建模方案流程图如图4所示。根据实际场景中地面和路面的尺寸、物理特征及分布情况，用Creator提供的Strip Face工具建立地面和路面模型，然后采用外部引用功能，将多个建筑物进行移动、旋转放到合适的位置上，实现整个场景的整合。在运行场景时，通过外部引用的物体模型并不立即装入，而是当该物体进入视野内时才会渲染。所以，通过外部引用可以有效地降低模型数据库的规模，节省内存空间和储存空间，便于模型的创建和修改，提高系统资源的利用率。

地面和路面建模流程图如图5所示。利用Creator中的Polygen工具，创建了地面多边形，大小为2000米×2000米。在此地面上根据实际环境，用Creator提供的Strip Face工具，根据实践尺寸创建路面，并贴上了路面的纹理。创建好路面之后，在层级视图中，将所有路面选中，用鼠标拖动到地面节点下，使所有的路面成为地面的子面，然后选中所有的路面及地面，利用平面修改工具箱ModFace中的Cut Subfaces工具，将所有的面打碎，然后选中所有的面，再用平面修改工具箱ModFace中的Combine Faces工具，将所有的面合并，创建出完美的地面和路面。

建筑物建模流程图如图6所示。塔式起重机的工地及周边环境存在着各种形状的建筑物，建筑物模型的逼真度直接影响着场景的逼真性。用Creator面工具箱Face中的Polygon工具，建立建筑物的地基形状，选中此地基面，用几何体工具箱Geometry中的各种工具，根据建筑物的高度值，生成了三维的实体模型，例如：自行车馆钢结构呈偏心椭圆形，外形酷似自行车手戴的车帽；对于平房，在完成墙体建模之后，选中墙体的顶面，在几何体工具箱Geometry中选择屋顶Roof工具，在屋顶Roof的对话框里，选择屋顶的类型，设置屋顶的高度、屋檐的宽度等参数，完成屋顶的创建。针对建筑物模型的所有面，根据实际材质、颜色贴上纹理，在不增加多边形面数的情况下，极大地增强了场景的逼真性。

树和路灯建模流程图如图7、图8所示。利用Creator中的立面工具Billboard创建单面树、双面交叉树，树的纹理为rgba格式，即带通道的纹理，道路两旁的树采用了模型实例化技术，这样大量减少内存空间，节省系统资源，提高运行效率。路灯的创建方法与树的创建方法相同。

山的建模流程图如图9所示。根据山的方圆尺寸、高度数据，用Face工具箱中的多边形工具Polygon创建山的底面的大体形状，然后，在视图面板中的Offset中输入一个正数，使网格升高一个高度值，再用Polygon工具画出山体的横截面的形状，以此类推，分别画出不同高度山体的横截面形状。将视图面板中的Offset的值设为零，再选中所有的面，使用Geometry工具箱中的Loft工具，将刚才所创建的面生成为一个山的形状。在点模式下，使用ModVertex工具箱中的Modify Vertex工具，对顶点进行适当的移动，直到与山的真实形状相同为止。根据山的真实颜色、树木种类、岩石的材质进行贴纹理。

天气变化技术方案。用Vega的图形用户界面LynX，在虚拟环境中模拟出云层、地表雾、昼夜交替变化等天气和自然现象，极大地提高了虚拟场景的视觉效果和可信度，可以增强虚拟环境的真实性和感染力，给人身临其境的感觉。云层、昼夜交替变化等环境效果添加流程图如图10所示。

云层的添加。在图形用户界面LynX中，在图标栏中点击Environment Effects图标，会弹出Environment Effects的面板，在菜单“Environment_Effects”下单击“New…”，在弹出的实例命名对话框中输入“cloud”。单击环境效果面板中的“Type”下拉菜单，选择“HingedClouds”项，把“Cloud texture”选区的“Vel X”和“Vel Y”的值都设置为350，其他参数保持默认值。在图标栏中单击“Environments”图标，在面板区单击“Environment Effects”。列表框的向左箭头按钮，在弹出的环境效果实例列表中双击“cloud”项，完成将云层环境效果加入场景环境中的操作。

实现昼夜交替变化。在图标栏中点击Environment Effects图标，会弹出Environment Effects的面板，在菜单Environment_Effects下单击“New…”，在弹出的实例命名对话框中输入“oneday”。面板区的“Type”选择“Ephemeris”，“Current time”设为12，“Timezone Offset”设为0，“Position”设为Observer，“Time Controls的Multiplier值设为1000，其他参数保持默认值。单击图标栏中的“Environments”图标，在面板区单击“Environemnt Effects”列表框的向左箭头按钮。在弹出的环境效果实例列表中双击“oneday”项，完成将昼夜交替变化的环境效果加入场景环境中的操作。

本发明能主动、实时地模拟塔式起重机的工作过程、天气变化、工地场景以及周边环境，实现用户、塔式起重机和场景的实时交互，而且有效地节省系统资源开支，提高了系统的运行速度，降低了系统成本。

附图说明

图1是Vega应用程序主框架；

图2是塔式起重机建模方案流程图；

图3是塔式起重机建模流程图；

图4是场景建模方案流程图；

图5是地面和路面建模流程图；

图6是建筑物建模流程图；

图7是树的建模流程图；

图8是路灯建模流程图；

图9是山的建模流程图；

图10是环境效果添加流程图。

具体实施方式

在Vega的图形用户界面LynX中，将塔式起重机三维模型文件.flt和场景模型文件.flt加载，并设置其相关的参数，保存为.adf文件，在VC++编辑环境中，通过Vega软件编程调用.adf文件，实现塔式起重机三维模型和场景模型的驱动，达到用户、塔式起重机和场景三者之间的实时交互，真实再现塔式起重机的工作过程和场景变化。

塔式起重机模型驱动。在VC++编辑环境中，编写Vega应用程序来控制塔式起重机模型的变幅、回转、起升运动。Vega应用程序主要分两个阶段，首先是Vega系统的静态描述阶段，然后进入Vega系统的动态循环。前一阶段主要完成必要的系统配置，包括内存分配、参数设置、Vega类的定义等。在动态循环中编写自己的控制程序。一个Vega应用程序主框架如图1所示，其实现代码如下：

#include<vg.h>

Main()

{

  vgInitSys()；

  vgDefineSys(“**.adf”)；

  vgConfigSys()；

  while(1)

      {(自己编程实现控制)

      vgSyncFrame()；

      vgFrame()；

      }

}

塔式起重机主要有变幅、回转、起升三大运动。针对不同运动，采用不同的控制方法。为了更好地控制这些运动，把起重臂、小车、平衡臂及驾驶室作为一个模型对象(obj_roate)，把起升钢丝绳(obj_rope)和吊钩(obj_hook)分别作为两个不同的模型对象。设定obj_roate的角色对象为plyr_roate，obj_rope的角色对象为plyr_rope，obj_hook的角色对象为plyr_hook。然后绑定模型对象和角色对象，通过改变角色对象的位姿来改变模型对象的位置，实现模型的运动。下面是三种主要运动的实施方式：

回转运动是上述三个模型对象以塔身回转中心线为轴线的旋转运动。通过改变角色对象plyr_roate的位姿——vgPosition(x，y，z，h，p，r)中h值来实现模型对象obj_roate的回转运动。通过vgGetPos()函数获取小车的新位姿，通过vgPos()函数把新位姿赋给plyr_rope，实现起升钢丝绳的回转运动。根据起升钢丝绳的新位姿和长度，确定吊钩的新位姿，然后赋给plyr_hook，完成塔式起重机的回转运动。

变幅运动是小车、吊钩、货物在起重臂上的移动。把小车作为一个VgPart，利用相对位姿的变化来改变小车的位置，同时把小车的新位姿赋给吊钩和起升钢丝绳的角色对象，实时更新模型对象起升钢丝绳和吊钩的位置，实现起升钢丝绳和吊钩的运动，完成塔式起重机的变幅运动。

起升运动是吊钩、起升钢丝绳以及吊装货物的垂直升降运动。根据其运动特点，通过改变起升钢丝绳的长度实现起升钢丝绳的升降运动。利用起升钢丝绳的长度确定吊钩的角色对象plyr_hook的新位姿，把新位姿赋给模型对象obj_hook，实现吊钩的运动。然后，获取plyr_hook的新位姿，把新位姿赋值给货物改变货物的位置，实现塔式起重机的起升运动。

为了更好地达到仿真效果，该发明设置了两个视点位置：一个视点固定在驾驶室内部，相对于驾驶室静止，随着塔式起重机的转动而转动；另一个视点是在驾驶室的外部，可以远观塔式起重机的各种作业状况。具体实现程序结构如下：

在驾驶室内部：vgProp(obs，VGOBS_TETHERSTATE，VGOBS_STATIC)；/*设置obs属性为静态*/

vgChanFOV(chan，h，v)；/*设置通道水平(h)和垂直(v)视野值*/

在驾驶室外部：vgProp(obs，VGOBS_TETHERSTATE，VGOBS_DYNAMIC)；/*设置obs为动态*/

vgChanFOV(chan，h，v)；/*设置通道水平(h)和垂直(v)视野值*/

其中，obs为观测者，chan为渲染通道。

Claims (6)

1、一种塔式起重机操作模拟培训虚拟现实软件系统，其特征在于：选择第十一界全运会自行车馆建筑工地以及用于建设的QTZ125塔式起重机作为虚拟现实软件系统的建模对象，采用三维建模软件Multigen-Creator，根据QTZ125塔式起重机的图纸以及周边环境建立逼真的塔式起重机三维模型和真实工地场景及周边环境模型，在VC++编辑环境中，通过Vega编程实现塔式起重机模型和场景模型的实时驱动，达到用户、塔式起重机和场景的实时交互，真实再现塔式起重机的工作过程和场景变化，模拟白天、黑夜、雾等三维视景的生成和变化。

2、根据权利要求1所述的塔式起重机操作模拟培训虚拟现实软件系统，其特征在于：通过QTZ125塔式起重机的机械图纸获得塔式起重机各部件的形状和尺寸，根据这些数据用三维建模软件Creator建立塔式起重机三维模型，用数码相机在生产厂家、建筑工地实地拍摄正面照片，利用Photoshop软件处理成Vega支持的纹理，给塔式起重机三维模型贴纹理，创建出逼真的塔式起重机模型。

3、根据权利要求1所述的塔式起重机操作模拟培训虚拟现实软件系统，其特征在于：基于QTZ125塔式起重机的结构特点和Creator建模软件的特点，确定塔式起重机具体的建模流程图，塔式起重机的三维实体建模思路为由点到面、由面到体，利用Creator软件提供的Polygen工具，根据塔式起重机的实际形状、尺寸，实时改变网格间距和坐标系原点的位置，绘出部件的平面图，然后利用墙体、锥体、旋转、放样等工具，实现平面图到立体图的转化，再通过旋转、平移、比例缩放、种植等方法，建立整个塔式起重机的实体模型。

4、根据权利要求1所述的塔式起重机操作模拟培训虚拟现实软件系统，其特征在于：根据实际情况对整个建筑工地和周边环境的物体分布进行总体规划，确定场景建模方案流程图，根据实际场景中地面和路面尺寸、物理特征及分布情况，用Creator提供的Strip Face工具建出地面和路面模型，然后采用外部引用功能，将多个建筑物进行移动、旋转放到合适的位置上，实现整个场景的整合，在运行场景时，通过外部引用的物体模型并不立即装入，而是当该物体进入视野内时才会渲染，所以，通过外部引用可以有效地降低模型数据库的规模，节省内存空间和储存空间，方便模型的创建和修改，提高系统资源的利用率。

5、根据权利要求1所述的塔式起重机操作模拟培训虚拟现实软件系统，其特征在于：用Vega的图形用户界面LynX，在虚拟环境中模拟出云层、地表雾、昼夜交替变化等天气和自然现象的效果，增强了虚拟环境的真实性和感染力。

6、根据权利要求1、或2、或3、或4、或5所述的塔式起重机操作模拟培训虚拟现实软件系统，其特征在于：在Vega的图形用户界面LynX中，将塔式起重机三维模型文件.flt和场景模型文件.flt加载，并设置其相关的参数，保存为.adf文件，在VC++编辑环境中，通过Vega软件编程调用.adf文件，实现了塔式起重机三维模型和场景模型的驱动，达到用户、塔式起重机和场景三者之间的实时交互，真实再现塔式起重机的工作过程和场景变化。

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