CN104361781A - 塔机仿真模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种塔机仿真模拟系统，包括：操纵台用于接收学员对塔机的操作手势并发送给主令控制器；主令控制器用于将收到的操作手势转化对应的磁感应强度并发送给传感器；传感器用于将接收到的磁感应强度转化为对应数字电压信号并发送至单片机；单片机用于对接收到的数字电压信号进行数据处理得到处理数据并发送到主机；主机用于根据接收到的处理数据显示对塔机模拟操作场景及计算和显示操作成绩。使用本发明培训灵活，彻底解决因环境或场地等问题造成的教学不便，培养学员在使用真机操作前，熟练掌握各种操作技能及技巧，可以节省培训时间及周期，更减少了资源消耗及资金成本。

Description

塔机仿真模拟系统

技术领域

本发明涉及一种塔机仿真模拟系统。

背景技术

建筑施工属高危行业，其中施工现场的塔机施工更属重大危险源监控项目，塔机施工往往造成重大人员伤害和财产损失(据统计，2013年间，塔机事故及非安全操作报道共有130宗，平均每月11宗，全国28个省皆有事故发生。据不完全统计这些事故中共造成93人遇难，136人受伤)，大部分事故源于塔机操作人员的失误，特别是操作人员的技能水平直接影响到施工机械能否确保安全运行。因此，塔机操作工被建设部列为“建筑施工特种作业”操作人员实行严格管理。同时，随着科技水平的不断进步，高科技含量的新型塔机不断推出，塔机的结构系统愈加精密，塔机的装拆、升降节步骤繁琐，特别是施工现场环境复杂多变，传统的培训模式已难以适应当前实际的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种塔机仿真模拟系统，能够解决国内塔式起重机培训由于塔吊价格高昂，占地面积大，受场地制约，从而造成训练机器少，上机时间不足的问题。

为解决上述问题，本发明提供一种塔机仿真模拟系统，包括：

操纵台，用于接收学员对塔机的操作手势并发送给主令控制器；

主令控制器，用于将收到的操作手势转化对应的磁感应强度并发送给传感器；

传感器，用于将接收到的磁感应强度转化为对应数字电压信号并发送至单片机；

单片机，用于对接收到的数字电压信号进行数据处理得到处理数据并发送到主机；

主机，用于根据接收到的处理数据显示对塔机模拟操作场景及计算和显示操作成绩。

进一步的，在上述系统中，所述主机还用于对不规范的操作手势给予文字和语音提示功能。

进一步的，在上述系统中，所述主机还用于获取设置参数，包括训练时间、主钩额定载重、副钩额定载重、塔吊高度和货物提升高度的参数。

进一步的，在上述系统中，所述主机还用于提供塔机参数仪表显示窗口，包括货物提升高度显示窗口和大车相对位置显示窗口。

进一步的，在上述系统中，所述主机还用于提供如何操作本系统的文字帮助功能的交互界面。

进一步的，在上述系统中，所述主机包括CPU、主板、硬盘、显卡、内存和显示器。

进一步的，在上述系统中，还包括身份阅读器，用于识别身份证获取身份数据并发送至所述主机。

进一步的，在上述系统中，还包括打印机，用于从所述主机获取操作成绩进行打印。

进一步的，在上述系统中，还包括网络连接模块，用于将所述主机进行网络连接。

进一步的，在上述系统中，所述主机的建模软件包括3DS MAX软件和MultiGen Creator软件，模拟仿真软件包括Virtools软件和Vega软件。

塔机占地面积大，巨大的塔身及擎天吊臂大大受到了培训环境及施工场地的制约，与现有技术相比，使用本发明无论是白昼、阴雨天均可进行培训，培训时间根据学校情况灵活调整，彻底解决因环境或场地等问题造成的教学不便，可以节省培训时间及周期，更减少了资源消耗及资金成本。另外，塔式起重机体型巨大，一旦操作失误便能造成无法估量的事故及损失，使用本发明进行训练时不会对机器、自身、教员、工作人员以及周围资产带来意外和风险，避免因使用真机操作不熟练可能造成安全事故。此外，本发明可配合图像、影音、3D动画及互动视景设备，培养学员在使用真机操作前，熟练掌握各种操作技能及技巧。通过逼真的培训课题及科学严格的考核系统，使培训更具高质量，延长培训时间，从而有效地弥补了真机训练时间短、高风险等缺陷，达到熟能生巧，提高培训效率。

附图说明

图1是本发明一实施例的塔机仿真模拟系统的模块图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供一种塔机仿真模拟系统，包括：

操纵台1，用于接收学员对塔机的操作手势并发送给主令控制器；具体的，所述操纵台可采用ABS材质专用操作箱，其耐压、美观大方，也可以采用原装塔式起重机联动台、表面喷塑处理，另个操纵台前可设置设备座椅，所述设备座椅的底座采用橡胶套保护，可防尘，便于清洁，所述设备座椅的坐垫和靠背海绵均采用真空发泡一次成型技术制造，表面材料可为黑色PVC；

主令控制器2，用于将收到的操作手势转化对应的磁感应强度并发送给传感器3；具体的，所述主令控制器可采用原装塔吊主令控制器，交流50HZ(60HZ)，额定电压380V(440V)及以下的各种二次回路中到顺，1-5档调速、制动、联动、分动和规范化、形象操作控制；优选的，所述主令控制器转化的磁感应强度包括：急停控制磁感应强度、4种不同的操作视角界面切换磁感应强度、启动开关磁感应强度和手柄锁死磁感应强度；

传感器3，用于将接收到的磁感应强度转化为对应数字电压信号并发送至单片机4，具体的，所述传感器的参数可为电源电压5V静态电压50％Vcc，7.5mV/mT～20mV/mT灵敏度，输出电压低端<1.0V，输出电压高端>4.2V，所述单片机可采用霍尔集成电路传感器，该传感器采用半导体集成技术制造的磁敏电路，它是由电压调整器、霍尔电压发生器、差分放大器、史密特触发器，温度补偿电路和集电极开路的输出级组成的磁敏传感电路，其输入为磁感应强度，输出是一个数字电压讯号；

单片机4，用于对接收到的数字电压信号进行数据处理得到处理数据并发送到主机5；具体的，所述单片机的电源电压5V静态电压，USB接口，工作电流<30mA，该单片机采用优质板材，系统稳定，单片机通过传感器收集数据信号，单片机进行数据处理反馈到主机中，保证了各操作部件与软件中三维仿真模型的实时反映；

主机5，用于根据接收到的处理数据显示对塔机模拟操作场景及计算和显示操作成绩。具体的，主机可根据国家考核大纲设计各种考核课题、评分标准，对操作学员等进行考核、鉴定，并且制定相应的考核标准，推进塔机操作技能等级的分类。可设定训练或考核评分标准，并对受训者进行不间断的文字、语音等安全提醒。

优选的，所述主机还用于对不规范的操作手势给予文字和语音提示功能，同时以图片和文字形式规范学员操作。

优选的，所述主机还用于获取设置参数，如训练时间、主钩额定载重、副钩额定载重、塔吊高度、货物提升高度等参数。

优选的，所述主机还用于提供塔机参数仪表显示窗口，可观察塔机的各项参数变化，如：货物提升高度显示窗口，大车相对位置显示窗口等。

优选的，所述主机还用于提供如何操作本系统的文字帮助功能的交互界面，便于帮助初学者学习如何使用本系统。

优选的，所述主机包括：

CPU、主板，可采用Intel奔腾双核E3500、2.3Ghz或以上的配置；

硬盘，可采用大容量500G高速存储硬盘；

显卡，可采用GT440 1G GDDR5或以上的配置；

内存，可为2G的数据存储量；

显示器，可为32寸品牌高清显示、1080p、宽屏16:9。

优选的，还包括身份阅读器，用于识别身份证获取身份数据并发送至所述主机。

优选的，还包括打印机，用于从所述主机获取操作成绩进行打印。

优选的，还包括网络连接模块，用于将所述主机进行网络连接。以实现信息化管理功能：该培训系统可以将受训者的身份证信息、错误信息及考核成绩通过局域网联机传输到远程计算机的操作技能评估及管理系统中，对信息进行汇总、分析、查询。

优选的，所述主机的建模软件包括3DS MAX软件和MultiGen Creator软件。

1、3DS MAX软件

3D Studio Max，常简称为3ds Max或MAX，是Autodesk公司开发的基于PC系统的三维动画渲染和制作软件,广泛应用于广告、影视、工业设计、建筑设

计、多媒体制作、游戏、辅助教学以及工程可视化等领域。由于其方便易学、性价比高，所以成为目前个人PC上最为流行的三维建模软件。建三维模型，设置场景，建筑材质设计，场景动画设置，运动路径设置，计算动画长度，创建摄像机并调节动画。3ds max模拟的自然界，可以做到真实、自然。比如用细胞材质和光线追踪制作的水面，整体效果没有生硬、呆板的感觉。

2、MultiGen Creator软件

Multigen Creator系列软件，由美国

Multigen-Paradigm(www.multigen.com)公司开发，它拥有针对实时应用优化的OpenFlight数据格式，强大的多边形建模、矢量建模、大面积地形精确生成功能，以及多种专业选项及插件，能高效、最优化地生成实时三维(RT3D)数据库，并与后续的实时仿真软件紧密结合，在视景仿真、模拟训练、城市仿真、交互式游戏及工程应用、科学可视化等实时仿真领域有着世界领先的地位。

Multigen Creator是一个软件包，专门创建用于视景仿真的实时三维模型。Creator使得输入、结构化、修改、创建原型和优化模型数据库更容易。不仅可用于大型的视景仿真，也可用于娱乐游戏环境的创建。

优选的，所述主机的模拟仿真软件包括：Virtools软件和Vega软件。

1、Virtools软件

Virtools是一套整合软件，由法国全球交互三维开发解决方案公司Virtools

所开发,可以将现有常用的档案格式整合在一起，如3D的模型、2D图形或是音效等。Virtools是一套具备丰富的互动行为模块的实时3D环境虚拟实境编辑软件，可以制作出许多不同用途的3D产品，如网际网络、计算机游戏、多媒体、建筑设计、交互式电视、教育训练、仿真与产品展示等。

2.Vega软件

Vega是MultiGen-Paradigm公司最主要的工业软件环境，用于实时视觉模拟、虚拟现实和普通视觉应用。Vega将先进的模拟功能和易用工具相结合，对于复杂的应用，能够提供便捷的创建、编辑和驱动工具。Vega能显著地提高工作效率，同时大幅度减少源代码开发时间。

详细的，本发明的塔机仿真模拟系统的总体设计流程如下：

根据塔机培训、考核的实际需求,对本系统进行功能设计、体系结构设计.首先确定总体设计流程图.根据流程图确定设计过程：通过建模软件建立几何模型(塔机实体模型、训练场地模型、天空模型和房屋模型等)，根据塔机的运动特性建立动力学模型；根据塔机工作状态.建立结构分折模型.通过模拟软件建立物理模型和行为摸型.驱动实体模型，实现系统仿真功能；在学员控制台设置监控系统，将学员的操作情况反馈给教员.教员通过教员控制台监控学员的操作并进行指导。

具体实施步骤如下：按照三维实体建模、运动仿真建模、物理仿真建模、仿真效果优化的顺序,完成了塔机模拟培训系统的研究和设计开发。其中,利用虚拟现实平台进行运动仿真建模和物理仿真建模是的重点。运动仿真建模的关键在于模拟塔机操作过程中各运动部件的实际运动规律以提高系统的真实性；物理仿真建模主要建立吊物偏摆模型,并采用虚拟样机分析软件ADAMS对该模型进行分析、验证,从而更好地实现了对塔机运动过程中吊物偏摆的模拟。

在电路控制模拟方面，虚拟仿真的同时加入电路模拟，从而更直观的了解塔机的控制系统。

本发明一实施例中，主机的软件设计与调试如下表：

本发明能虚拟设置建筑工地，逼真再现塔式起重机操作人员在操作过程中看到的施工现场环境，并通过主机显示达到与操作者实时互动，让操作人员产生身临其境的感觉。系统建成后将对施工一线塔吊操作人员，特别是外来操作人员带来更为先进和规范的培训模式，使他们的操作技能和安全意识在较短时间内得到提高，从而确保安全生产的目的。同时，在建设过程中，结合今后培训实际，开发完善了以下12项功能：

1、配备身份阅读器，实现自主录入受训人员的身份信息并记录储存，如姓名、性别、身份证号、照片，并通过局域网联机传输至教师端控制系统中进行存储、调阅。

2、实现记录受训者培训或考核的成绩功能，配备打印机，即时进行联网成绩打印。

3、对不规范的操作手势给予文字和语音提示功能，同时以图片和文字形式规范学员操作。

4、通过主令控制器转化4种不同的操作视角界面切换磁感应强度，可设置多个视角，方便受训者在主机上通过不同的视角观察机器的动作，有利于受训者操作技能的提高。如：大车左右视角、吊钩前后视角、第三者视角、第一视角等。

5、操作视角可通过操纵台上的视角摇杆，进行360度全视景调节，有助于受训者观察物体的相对位置，提高操作技能。

6、可以对模拟设备进行参数设置，如训练时间、主钩额定载重、副钩额定载重、塔吊高度、货物提升高度等参数。

7、实现塔机参数仪表显示窗口，可观察塔机的各项参数变化，如：货物提升高度，大车相对位置等。

8、设定训练或考核评分标准，并对受训者进行不间断的文字、语音等安全提醒。

9、主机的交互界面：在菜单操作界面中，配备关于如何操作本设备的文字帮助功能，便于帮助初学者学习如何使用本设备。

10、通过主机的硬盘实现数据存储功能：将受训者的身份证信息、培训、考核成绩提供局域网联机存储到教师端控制系统中。

11、通过网络连接模块实现信息化管理功能：该培训系统可以将受训者的身份证信息、错误信息及考核成绩通过局域网联机传输到远程计算机的操作技能评估及管理系统中，对信息进行汇总、分析、查询。

12、主机根据国家考核大纲设计各种考核课题、评分标准，对操作学员等进行考核、鉴定。

塔机占地面积大，巨大的塔身及擎天吊臂大大受到了培训环境及施工场地的制约，使用本发明无论是白昼、阴雨天均可进行培训，培训时间根据学校情况灵活调整，彻底解决因环境或场地等问题造成的教学不便，可以节省培训时间及周期，更减少了资源消耗及资金成本。另外，塔式起重机体型巨大，一旦操作失误便能造成无法估量的事故及损失，使用本发明进行训练时不会对机器、自身、教员、工作人员以及周围资产带来意外和风险，避免因使用真机操作不熟练可能造成安全事故。此外，本发明可配合图像、影音、3D动画及互动视景设备，培养学员在使用真机操作前，熟练掌握各种操作技能及技巧。通过逼真的培训课题及科学严格的考核系统，使培训更具高质量，延长培训时间，从而有效地弥补了真机训练时间短、高风险等缺陷，达到熟能生巧，提高培训效率。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种塔机仿真模拟系统，其特征在于，包括：

操纵台，用于接收学员对塔机的操作手势并发送给主令控制器；

主令控制器，用于将收到的操作手势转化对应的磁感应强度并发送给传感器；

传感器，用于将接收到的磁感应强度转化为对应数字电压信号并发送至单片机；

单片机，用于对接收到的数字电压信号进行数据处理得到处理数据并发送到主机；

主机，用于根据接收到的处理数据显示对塔机模拟操作场景及计算和显示操作成绩。

2.如权利要求1所述的塔机仿真模拟系统，其特征在于，所述主机还用于对不规范的操作手势给予文字和语音提示功能。

3.如权利要求1所述的塔机仿真模拟系统，其特征在于，所述主机还用于获取设置参数，包括训练时间、主钩额定载重、副钩额定载重、塔吊高度和货物提升高度的参数。

4.如权利要求1所述的塔机仿真模拟系统，其特征在于，所述主机还用于提供塔机参数仪表显示窗口，包括货物提升高度显示窗口和大车相对位置显示窗口。

5.如权利要求1所述的塔机仿真模拟系统，其特征在于，所述主机还用于提供如何操作本系统的文字帮助功能的交互界面。

6.如权利要求1所述的塔机仿真模拟系统，其特征在于，所述主机包括CPU、主板、硬盘、显卡、内存和显示器。

7.如权利要求1所述的塔机仿真模拟系统，其特征在于，还包括身份阅读器，用于识别身份证获取身份数据并发送至所述主机。

8.如权利要求1所述的塔机仿真模拟系统，其特征在于，还包括打印机，用于从所述主机获取操作成绩进行打印。

9.如权利要求1所述的塔机仿真模拟系统，其特征在于，还包括网络连接模块，用于将所述主机进行网络连接。

10.如权利要求1所述的塔机仿真模拟系统，其特征在于，所述主机的建模软件包括3DS MAX软件和MultiGen Creator软件，模拟仿真软件包括Virtools软件和Vega软件。