CN102810209A - 一种基于游戏引擎模拟起重机吊索工作的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于游戏引擎模拟起重机吊索工作的方法，包括步骤：a、吊索模拟相关参数离线编辑；b、动态构建主吊索和辅助吊索物理模型；c、对吊索几何模型进行动态渲染进而实现起重机吊索工作状态的真实模拟。本发明公开的模拟起重机吊索工作的方法既能实现起重机吊索工作状态的真实模拟，而且能满足对起重机司机操作的实时反应，并且具有较强的可扩展性，使用方便。本发明基于游戏引擎Unity3D，该平台采用了最先进的图形技术，集成了目前使用最广泛的物理引擎PhysX，并且成本较低。

Description

一种基于游戏引擎模拟起重机吊索工作的方法
技术领域
本发明涉及计算机图形和计算机物理动画领域，具体是指一种基于游戏引擎模拟起重机吊索工作的方法。
背景技术
起重机吊索是起重机工作时最重要的工具，其运动特性分析和描述一直是起重机仿真乃至起重机设计中的难题。在起重机仿真培训系统研究中，真实的模拟起重机吊索的工作状态对培训系统能否发挥真实、高效地培训起重机操作人员的功能起着至关重要的作用。
对于仿真培训系统中起重机吊索工作的模拟具有严格的要求，不但要求模拟具有真实性，能够完全模拟起重机吊索的真实工作状况，而且要求模拟具有实时性和交互性，模拟能够实时响应司机对虚拟起重机的操作过程。同时，仿真培训系统要满足虚拟现实系统的沉浸性要求，使司机在操作起重机驾驶模拟器时有操作真机的感觉。
起重机吊索工作通常的模拟方法是将吊索简化为单摆或双摆结构，然后对其进行动力学分析，建立动力学方程进行求解，结合求解结果利用图形底层API（Direct3D或OpenGL）或者图形引擎（Vega、OGRE、OSG）等进行显示完成起重机吊索工作的模拟。这种方法的优点是成本低，实现简单，有很多成熟的实现案例可以参考。但是这种方法扩展性不好，在编制完成后腰扩展新的功能要重新修改程序和算法，而且由于模型本身限制无法完成柔性吊索的模拟，同时要实现高质量的图形渲染效果很难，系统真实感和沉浸性不能满足要求。
起重机吊索工作的另一种模拟方法是使用专门的动力学仿真引擎（如Vortex），这种引擎能够模拟起重机吊索工作的各种特性，而且有较详细的文档资料和技术支持。但是这种引擎在原先是属于西方对我国的禁运品，直到最近几年才解禁，但是售价高昂，一般企业无力承担。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种基于游戏引擎模拟起重机吊索工作的方法，该模拟方法既能实现起重机吊索工作状态的真实模拟，而且能满足对起重机司机操作的实时反应，并且具有较强的可扩展性，使用方便。本方法基于游戏引擎Unity3D，该平台采用了最先进的图形技术，集成了目前使用最广泛的物理引擎PhysX。
本发明为解决技术问题主要通过以下技术方案实现：一种基于游戏引擎模拟起重机吊索工作的方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、吊索模拟相关参数离线编辑；
b、主吊索和辅助吊索物理模型动态构建；
c、吊索几何模型动态渲染。
所述步骤a的具体过程为：
a1、材质参数编辑：根据弹性力学理论，针对不同类型、不同规格的吊索编辑相应的材质参数，建立起与实际材质的联系，所述材质参数包括拉伸刚度、扭转刚度和弯曲刚度；
a2、几何参数编辑：针对不同类型、不同规格的吊索的模拟要求和对模型精细度的要求编辑相应的几何参数，所述几何参数包括吊索横截面半径、吊索横截面细分段数、吊索元长度、辅助吊索总长度以及辅助吊索元段数；
a3、图形显示参数编辑：针对不同类型、不同规格的吊索的模拟要求编辑相应的图形显示参数，所述图形显示参数包括吊索纹理材质、吊钩模型、吊钩模型相关参数；
a4、物理模拟参数编辑：针对不同项目对模拟速度、真实度和特效的要求编辑相应的物理模拟参数，所述物理模拟参数包括运动阻尼系数、迭代次数、碰撞检测模式、吊索断裂特效，所述吊索断裂特效包括位置、失效极限。
所述步骤b的具体过程为：
b1、主吊索物理模型动态构建：利用基于刚体的集中元模型构建主吊索物理模型，根据吊索工作过程上升或下降的控制命令，动态地增加或删除吊索元刚体、约束铰链、碰撞体，结合已生成的吊索元构建主吊索的物理模型；
b2、辅助吊索物理模型动态构建：利用基于刚体的集中元模型构建辅助吊索物理模型，根据加载负载控制命令，在吊钩和负载固定点之间动态地生成对应数目的吊索元刚体，加载约束铰链和碰撞体，构成辅助吊索物理模型，或根据释放负载的命令，动态地销毁吊索元刚体、约束铰链和碰撞体，销毁辅助吊索物理模型。
所述步骤c的具体过程为：根据步骤a设置的相关编辑参数，利用b步骤生成的吊索物理模型所提供的吊索元的位姿，所述位姿包括位置和方向，动态地生成吊索元端面边缘顶点坐标，然后利用生成的顶点坐标信息填充Mesh所需要的三角形顶点坐标数组和纹理坐标顶点数组，实现吊索几何模型动态渲染。
本发明与现有技术相比具有以下优点和有益效果：
（1）本发明既能实现起重机吊索工作状态的真实模拟，而且能满足对起重机司机操作的实时反应，并且具有较强的可扩展性，使用方便。
（2）本发明基于的平台采用了最先进的图形技术，集成了目前使用最广泛的物理引擎PhysX，并且成本较低。
附图说明
图1为本发明的主流程示意图；
图2为本发明的吊索模拟相关参数离线编辑的流程示意图；
图3为本发明的主吊索和辅助吊索物理模型动态构建的流程示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不仅限于此。
实施例：
本发明涉及的模拟方法主要用于实现对起重机吊索工作状态的真实模拟，其包含的步骤为：对吊索模拟相关参数离线编辑，动态构建主吊索和辅助吊索的物理模型，根据吊索模拟的相关参数和构建的吊索物理模型对吊索几何模型进行动态渲染，从而完成起重机吊索工作状态的真实模拟。
具体地说，如图1所示，本发明涉及的方法主要由三个步骤构成，依次为：吊索模拟相关参数离线编辑；动态构建主吊索和辅助吊索的物理模型；对吊索几何模型进行动态渲染，进而实现起重机吊索工作状态的真实模拟。其中：
如图2所示，吊索模拟相关参数离线编辑的具体过程：1、根据弹性力学理论，针对不同类型、不同规格的吊索编辑相应的材质参数，如拉伸刚度、扭转刚度、弯曲刚度，建立起与实际材质的联系；2、针对不同类型、不同规格的吊索的模拟要求和对模型精细度的要求编辑相应的几何参数，如吊索横截面半径、吊索横截面细分段数、吊索元长度、辅助吊索总长度，辅助吊索元段数；3、针对不同类型、不同规格的吊索的模拟要求编辑相应的图形显示参数，如吊索纹理材质，吊钩模型，吊钩模型相关参数；4、针对不同项目对模拟速度、真实度和特效的要求编辑相应的物理模拟参数，如运动阻尼系数，迭代次数，碰撞检测模式，吊索断裂特效（如位置，失效极限等）。
如图3所示，动态构建主吊索和辅助吊索的物理模型的具体过程：1、利用基于刚体的集中元模型构建主吊索物理模型，根据吊索工作过程上升或下降的控制命令，动态地增加或删除吊索元刚体、约束铰链、碰撞体，结合已生成的吊索元构建主吊索的物理模型；2、利用基于刚体的集中元模型构建辅助吊索物理模型，根据加载负载控制命令，在吊钩和负载固定点之间动态地生成对应数目的吊索元刚体，加载约束铰链和碰撞体，构成辅助吊索物理模型，或根据释放负载的命令，动态地销毁吊索元刚体、约束铰链和碰撞体，销毁辅助吊索物理模型。
吊索几何模型动态渲染的具体过程：根据吊索模拟相关参数离线编辑过程设置的相关编辑参数，利用动态构建主吊索和辅助吊索的物理模型过程生成的吊索物理模型所提供的吊索元的位姿，位姿包括位置和方向，动态地生成吊索元端面边缘顶点坐标，然后利用生成的顶点坐标信息填充Mesh所需要的三角形顶点坐标数组和纹理坐标顶点数组，实现吊索几何模型动态渲染。
如上所述，便可较好地实现本发明。 

Claims (4)

1.一种基于游戏引擎模拟起重机吊索工作的方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、吊索模拟相关参数离线编辑；
b、主吊索和辅助吊索物理模型动态构建；
c、吊索几何模型动态渲染。
2.根据权利要求1所述的一种基于游戏引擎模拟起重机吊索工作的方法，其特征在于，所述步骤a的具体过程为：
a1、材质参数编辑：根据弹性力学理论，针对不同类型、不同规格的吊索编辑相应的材质参数，建立起与实际材质的联系，所述材质参数包括拉伸刚度、扭转刚度和弯曲刚度；
a2、几何参数编辑：针对不同类型、不同规格的吊索的模拟要求和对模型精细度的要求编辑相应的几何参数，所述几何参数包括吊索横截面半径、吊索横截面细分段数、吊索元长度、辅助吊索总长度以及辅助吊索元段数；
a3、图形显示参数编辑：针对不同类型、不同规格的吊索的模拟要求编辑相应的图形显示参数，所述图形显示参数包括吊索纹理材质、吊钩模型、吊钩模型相关参数；
a4、物理模拟参数编辑：针对不同项目对模拟速度、真实度和特效的要求编辑相应的物理模拟参数，所述物理模拟参数包括运动阻尼系数、迭代次数、碰撞检测模式、吊索断裂特效，所述吊索断裂特效包括位置、失效极限。
3.根据权利要求1所述的一种基于游戏引擎模拟起重机吊索工作的方法，其特征在于，所述步骤b的具体过程为：
b1、主吊索物理模型动态构建：利用基于刚体的集中元模型构建主吊索物理模型，根据吊索工作过程上升或下降的控制命令，动态地增加或删除吊索元刚体、约束铰链、碰撞体，结合已生成的吊索元构建主吊索的物理模型；
b2、辅助吊索物理模型动态构建：利用基于刚体的集中元模型构建辅助吊索物理模型，根据加载负载控制命令，在吊钩和负载固定点之间动态地生成对应数目的吊索元刚体，加载约束铰链和碰撞体，构成辅助吊索物理模型，或根据释放负载的命令，动态地销毁吊索元刚体、约束铰链和碰撞体，销毁辅助吊索物理模型。
4.根据权利要求1所述的一种基于游戏引擎模拟起重机吊索工作的方法，其特征在于，所述步骤c的具体过程为：根据步骤a设置的相关编辑参数，利用b步骤生成的吊索物理模型所提供的吊索元的位姿，所述位姿包括位置和方向，动态地生成吊索元端面边缘顶点坐标，然后利用生成的顶点坐标信息填充Mesh所需要的三角形顶点坐标数组和纹理坐标顶点数组，实现吊索几何模型动态渲染。
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