CN103794103A - 一种便携式两通道港口起重机模拟器构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明披露一种便携式两通道港口起重机模拟器构建方法，构建逼真、安全、经济和有效的起重机操作仿真平台，用于解决使用真机进行训练价格昂贵，受训安全性低等问题。模拟器由驾驶操控系统、计算机系统、虚拟声音系统、显示系统和通信系统组成。驾驶操控系统包括驾驶操控台和控制系统，控制系统内置于驾驶操控台左右两个电控箱中，用于连接仿真主机和驾驶操控台。计算机系统由一台仿真主机和两台视景主机组成，仿真主机通过控制系统采集到司机操作数据，根据动力学解算模块计算得到被模拟对象作业过程中的物理参数，通过以太网发送到视景主机；另外，计算作业环境反馈信息通过控制系统发送到驾驶操控系统。

Description

一种便携式两通道港口起重机模拟器构建方法

技术领域

本发明涉及的是分布式虚拟现实技术、仿真技术、数据通信同步技术、刚体动力学技术以及机电集成技术。

背景技术

随着全球经济一体化步伐的加快和国际航运事业的飞速发展，港口装卸作业量成倍地增长，大型港口起重机装卸能力对于提升港口码头物流服务水平起着至关重要的作用，港口机械设备也随之日益高速化、大型化及自动化，设备成本日益增高，对操作人员技能及素质要求也愈来愈高，操作人员的技术熟练程度对港口生产安全、设备使用效率和寿命、港口经济效益起着决定性的作用。但是由于以往对操作港口起重机人员的培训过程都是由师傅在真机上手把手教学的，这就带来了培训过程的诸多问题，如危险性、经济效益性、培训的周期性以及实际单独操作的经验积累方面的问题，但是随着大型港口起重机模拟器技术的发展，提供了一种具有真实临场感、安全、经济、有效的仿真训练平台，可以为起重机司机提供一种逼真、安全、经济和有效的操作仿真训练平台，用于解决使用真机进行训练价格昂贵，受训安全性低等问题。

虽然关于虚拟仿真技术的公开报道较多，例如中国专利（公告）号：CN101201983的专利文件中公开的“列车模拟驾驶系统”；CN101251958的专利文件中公开的“面向训练的汽车驾驶模拟机实现方法”的技术方案。但还没有关于港口起重机模拟器构建方法的相关的专利的公开报道。

（三）、发明内容

本发明的目的在于提供一种用于便携式港口起重机模拟器的构建方法，用于模拟港口起重机的装卸作业过程，为司机提供一种逼真、安全、经济和有效的操作仿真训练平台，用于解决使用真机进行训练价格昂贵，受训安全性低等问题；同时，通过收集司机驾驶过程中的相关参数，也可用来分析驾驶人员的工作状态与行为特点，可以作为虚拟仿真、机械工程、人机工程等领域的研究平台。

本发明提出了一种构建便携式港口起重机模拟器的方法，对于其它类似起重机、设备等同样适用。

本发明的目的是这样实现的。

本发明所述方法主要由驾驶操控系统、计算机系统、虚拟声音系统、显示系统和通讯系统组成。其中，驾驶操控系统包括驾驶操控台和控制系统；所述的驾驶操控台按与真实港口起重机驾驶操控台1:1设计的，包括控制大、小车运行的操纵手柄，控制起吊装置的手柄，控制港口起重机俯仰装置的操控按钮以及一系列选择按钮、指示灯和驾驶座椅；所述的控制系统主要由一套可编程控制器硬件、标准通信电缆、与控制器的编程相关软件组成。

所述计算机系统包括一台仿真主机和两台视景机；所述的仿真主机用于采集驾驶操控系统实时操作数据,运行主仿真解算程序,解算周期设计为10ms。根据起重机动力学模型计算特定型号港口起重机的运动参数,如加速度、速度和位移等，通过网络传输到视景主机，从而驱动虚拟场景中的三维模型，同时计算碰撞、限位、连锁等报警信息反馈到驾驶操控系统；所述视景主机用于生成起重机作业虚拟环境，帧刷新频率要求为50FPS，接受仿真主机传送的运动参数，根据仿真主机的参数变化对画面进行实时更新，并通过VGA接口与显示系统相连接。

所述显示系统包括2通道显示设备和固定装置,用于模拟起重机司机正前方和下方两个方向视点；所述的显示设备由两台分辨率为1920×1080的63"大屏液晶显示器组成，其中一台安装位置为驾驶员的水平视角,与地面成90度布置;另外一台的安装位置为驾驶员的俯视视角处，与地面成5度布置.液晶显示器通过VGA接口实现与视景主机的实时连接，该显示器的外观尺寸为1520×910×105（mm），实际显示尺寸为140×78（mm）；固定装置包括用焊接及螺纹连接的钢结构架和用于调整显示位置的调节机构。

所述网络通讯系统包括交换机、视屏分配器、网络结构设计；所述交换机采用TCP/IP协议下的UDP方式实现各上位机与互联网的连接以及各上位机之间的连接；所述视屏分配器可将视景主机上产生的实时动态画面同时分配给显示系统和视景主机显示器，所述网络结构是由4根双绞线组成，用来连接各上位机与交换机及外网与交换机，实现在局域网内，以太网内的数据传输，网络延时设计要求小于10ms。

所述虚拟声音系统由一组3D音响和虚拟声音生成软件组成，音响通过音频线与仿真主机的声卡连接，用以输出驾驶模拟过程中作业场所的各种声音。

（四）附图说明

图1是系统组成结构图；

图2是实物连接示意图；

图3是驾驶操控台剖视图；

图4是显示设备剖视图；

图5是系统工作流程。

图中：1 驾驶操控台、2 控制系统、3 俯视视角液晶屏、4水平视角液晶屏、5显示系统固定装置、6 视频分配器、7视景主机、8以太网交换机、9仿真主机、10虚拟声音系统、11通信电缆、12备用功能区、13旋钮开关、14指示灯、15按钮开关、16紧停按钮、17操控手柄、18驾驶座椅、19脚踏板、20通信线出入口、21水平视角显示器高度调节机构、22俯视视角显示器角度调节机构、23 视景主机显示器、24 KVM。

（五）具体实施方式

下面结合附图举例对发明做更详细地描述：

结合图1，说明了一种便携式两通道港口起重机模拟器构建方法的逻辑结构，主要包括，驾驶操控系统、计算机系统、虚拟声音系统、显示系统和通讯系统。其中计算机系统是本发明的控制中心，包括一台仿真主机9和两台视景主机7，仿真主机9用于采集驾驶操控系统的实时数据，根据内置起重机动力学模型实时计算起重机作业过程中的不同物理参数，；同时，计算集装箱碰撞、限位、环境报警等信息，通过控制系统2反馈到驾驶操控台1。仿真主机包含的动力学计算模块是用于建立岸桥运动学与动力学模型的，采用动力学模型计算特定型号集装箱岸桥作业过程中的物理参数，应用到模拟器主仿真计算过程中，保证了岸桥运动学与动力学模型的准确性，仿真主机9用来实时显示监控画面，监控操作人员的操作过程，通过设置三维场景中的各项参数，包括集卡的选择及其速度、起重机上各机构的速度和工作位置、所需模拟的天气状况来逼真的模拟现实的工作状况，实时的收集操作信息并通过曲线图中显现集卡、吊具运行及大小车的速度时间关系曲线。两台视景主机7用于生成便携式两通道港口起重机模拟器的虚拟环境，通过以太网交换机8与仿真主机9通信，获取起重机作业的物理参数，从而驱动虚拟环境中不同仿真对象产生动作，更新显示系统画面。便携式两通道港口起重机模拟器采用Creator建立起重机作业环境中的不同仿真对象的三维模型，视景主机7根据配置文件动态加载本次仿真所需三维模型，基于OpenSceneGraph场景图渲染平台输出实时模拟画面。视频分配器6用于将视景主机输出视频信号分离出2路信号，分别输出到显示系统液晶屏和视景主机显示器。其中，视景主机显示器通过KVM24自由切换显示。除了视觉输入，位于驾驶操控台的司机可接受听觉输入。听觉输入由便携式两通道港口起重机模拟器中虚拟声音系统10提供。虚拟声音系统10包括一组5.1声道音响和虚拟声音生成软件组成。虚拟声音生成软件采用OpenAL声音引擎作为底层内核，根据仿真主机9和视景主机7仿真结果计算虚拟环境中的虚拟音频数据，输出到音响。

结合图2，说明了本发明的硬件结构，主要部件包括：1驾驶操控台、2 控制系统、3俯视视角液晶屏、4水平视角液晶屏、5显示系统固定装置、6 视频分配器、7视景主机、8以太网交换机、9仿真主机、10音响系统、11通信电缆。控制系统2由一套PLC系统构成，内置于驾驶操控台左右两个电控箱中，司机通过操作驾驶操控台上的主令控制器以及其它按钮、旋钮等与控制系统2交互。控制系统2与仿真主机9通过标准的RS-232C通信电缆连接。仿真主机9与视景主机7经过以太网交换机通过标准网线连接，组成内部局域网，完成信息交换功能。视景主机7输出视频信号经过视频分配器6得到两路视频信号，通过标准VGA接口分别输出到俯视视角液晶屏3、水平视角液晶屏4和显示器。

结合图3，说明了本发明所述的便携式两通道港口起重机模拟器驾驶操控系统构成。具体，包括驾驶操控台1和控制系统2，驾驶操控台是按1:1比例设计的港口起重机操控台，该操作台有左右两个电控箱，包括2个主令控制器手柄、12个旋钮、6按钮（包括1个急停按钮）、1个开关、5个指示灯、1个故障报警器、9个带灯按钮、脚踏板以及备用功能区和司机座椅，可完成对港口起重机起吊机构、俯仰机构、大小车行走机构的功能操作。控制系统由一套Siemens ET200M可编程控制器、一根标准的RS-232C通信电缆构成，主要实现驾驶操控台与仿真主机之间的数据通信，并保证通信的实时性和稳定性，在工作过程中驾驶人员可完全在该驾驶座椅上实现现实中的各种功能，为模拟器在驾驶操作过程中提供逼真的临场感。

结合图4，显示系统主要由两台分辨率为1920×1080的63"液晶屏3和4以及固定装置5组成；俯视视角液晶屏3与地面成5度布置，提供驾驶司机的水平视角画面输出，水平视角液晶屏4与地面成90度布置，提供驾驶司机的俯视角度画面输出，液晶显示器通过VGA接口实现与视景主机的实时连接，逼真的呈现实时的工作状况。水平视角可显示岸桥的俯仰机构的位置、状态以及吊具上升高度，俯视视角可显示船舶停靠位置、集装箱位置、集卡作业位置、吊具作业位置及大、小车的运行状态。本发明所述港口起重机模拟器采用液晶屏的外廓尺寸为1520×910×105（mm），实际显示尺寸为140×78（mm），其它类似模拟器可按照实际设备参数灵活修改液晶屏尺寸以及安装方法。所述的显示系统固定装置包括用焊接及螺纹连接在一起的钢结构和用于调整显示位置的调节机构。其中，水平视角液晶屏的高度由其背后调节结构来调整上下高度，俯视视角液晶屏的角度由其调节机构来调整倾斜角度，根据操作人员的视角来将显示器调节到最佳位置，使临场感最佳。

结合图5，根据系统的工作流程，本发明所述便携式两通道港口起重机模拟器在工作时，首先检查所有设备是否开机、正常。如果有设备未启动则启动相应设备，然后选择模拟场景，若与上次相同则进行下一步，否则调用选择的场景并通知计算机系统加载相应场景；接下来，初始化主仿真、视景、声音等不同模块；进入仿真循环，实时监测驾驶操控台有无信号输出，读取驾驶操控台操作数据，计算仿真结果并对虚拟场景中各个机构的位置、速度、姿态等进行更新，输出运动轨迹曲线，记录司机操作数据到后台数据库；若没有则通过上次的输入参数来计算出本次自然衰减或变化参数，从而控制系统的变化，然后进行下次循环直至结束。

本发明为设计便携式起重机模拟器提供了一个很好的构建方法，以所介绍的便携式两通道港口起重机模拟器为例，该模拟器可以为岸桥司机的培训提供一种逼真、安全、经济和有效的操作仿真训练平台，同时也可作为科研学习的平台，用于收集分析驾驶员的工作参数，通过收集司机驾驶过程中的相关参数可以作为在考虑港口起重机中人机功能分配问题的数据参考，也可用来分析驾驶人员的工作状态与行为特点，为相关研究提供了一个很好的平台，该构建方法具有很好的推广前景。

Claims (6)

1. 一种便携式两通道港口起重机模拟器的构建方法，所述便携式两通道港口起重机模拟器由驾驶操控系统、计算机系统、虚拟声音系统、显示系统和通信系统组成；其特征是：所述驾驶操控系统包括驾驶操控台和控制系统，所述驾驶操控台根据港口起重机联动台尺寸1:1比例设计和加工，所述控制系统根据所述港口起重机电气控制连锁逻辑设计和实现，所述驾驶操控系统能够满足所述便携式两通道港口起重机模拟器模拟真实港口起重机人机操作界面方面的要求；所述计算机系统由一台仿真主机和两台视景主机组成，所述仿真主机通过所述控制系统采集司机操作数据，平衡计算效率和模拟器逼真度,采样频率设计为10ms；通过起重机动力学模型建模反映起重机在作业仿真过程中的动态特性，提高所述便携式两通道港口起重机模拟器的逼真程度，主仿真解算周期设计为10ms；经过主仿真解算得到作业过程中的物理参数，通过以太网发送到所述视景主机，网络延迟设计小于10ms；计算作业环境反馈信息通过所述控制系统发送到所述驾驶操控系统；所述视景主机为所述显示系统提供视频输出，所述视景主机根据所述仿真主机计算结果实时更新视频画面，生成反映司机操控的实时结果，帧刷新频率设计为50FPS；所述显示系统由两台液晶屏和固定装置组成，所述液晶屏接收所述视景主机的视频信号，用于向港口起重机司机呈现视点正前方和下方两个角度的虚拟场景；所述固定装置用于确定所述两台液晶屏之间、所述液晶屏与司机之间的相对位置，所述液晶屏的高度、角度可通过所述固定装置上调节机构灵活调整；所述显示系统可通过所述固定装置底部滚轮机构自由移动，从而动态调节所述显示系统与所述驾驶操控台之间的相对位置；虚拟声音系统生成起重机作业过程中各种虚拟声音，通过5.1声道音箱提供司机的听觉模拟。

2. 根据权利要求1所述的便携式两通道港口起重机模拟器的构建方法，其特征是：所述驾驶操控台用于模拟司机与真实港口起重机之间的人机操作界面，按照真机操控台尺寸的1:1比例设计；所述操作台有左右两个电控箱，包括2个主令控制器手柄、12个旋钮、6按钮、1个开关、5个指示灯、1个故障报警器、9个带灯按钮、脚踏板以及备用功能区和司机座椅，所述6个按钮包括1个急停按钮，所述操作台可模拟完成对港口起重机起吊机构、俯仰机构、大小车行走机构的功能操作。

3. 根据权利要求1所述的便携式两通道港口起重机模拟器的构建方法，其特征是：根据起重机动力学理论建立运动偏微分方程模型，实时解算得到作业过程物理参数，通过通信网络发送到所述操作台视景主机；并将虚拟环境反馈信息通过标准DP接口发送到驾驶操控台；所述操作台视景主机运行视景程序，帧刷新频率要求50FPS，实时生成虚拟场景，并通过所述显示系统呈现给司机。

4. 根据权利要求1所述的便携式两通道港口起重机模拟器的构建方法，其特征是：所述显示系统用于模拟起重机司机视点正前方和下方的虚拟场景，所述液晶屏的分辨率为1920×1080的，其中一台用于显示驾驶司机的水平视角虚拟场景，与地面成90度布置，另外一台用于显示驾驶司机的俯视视角虚拟场景，与地面成5度布置；所述两台液晶屏都通过VGA接口分别与所述视景主机连接，所述液晶屏外廓尺寸为1520×910×105mm，实际显示尺寸为140×78mm。

5. 根据权利要求1或4所述的便携式两通道港口起重机模拟器的构建方法，其特征是：用于显示驾驶司机的水平视角虚拟场景的所述液晶屏的高度可通过其背后的调节机构灵活调整；用于显示驾驶司机的俯视视角虚拟场景的所述液晶屏的角度可通过其下方的调节机构灵活调整，通过调整上述两个参数可满足不同类型起重机模拟器对显示系统的要求。

6. 根据权利要求1所述的便携式两通道港口起重机模拟器的构建方法，其特征是：所述虚拟声音系统由一组音响和虚拟声音生成软件组成，所述虚拟声音生成软件采用OpenAL声音引擎作为内核，根据所述仿真主机和所述视景主机发送过来的数据，实时计算起重机作业虚拟环境中的各种声音，并输出到音响从而向司机提供听觉模拟。

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