CN104616558A - 一种塔式起重机模拟培训系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种塔式起重机模拟培训系统，包括模拟操控模块，其特征是：所述模拟操控模块包括：塔机结构认知模块：对塔式起重机的结构、附加信息等进行认知学习；塔机安装模块：对塔机的安装过程进行认知学习；塔机卸载模块：对塔机的卸载过程进行认知学习；塔机模拟驾驶模块：实现塔式起重机的模拟驾驶；塔机考核模块：对学员进行成绩考核。本发明采用塔机结构认知模块、塔机安装模块、塔机卸载模块、塔机模拟驾驶模块和塔机考核模块实现对塔式起重机的模拟培训，可缩短从新手到熟练工的过渡时间，在教学方面让学员从之前看书的感性认识变为理性认识，提高了学习效率。
Description
技术领域
本发明涉及模拟教学领域，具体地讲，涉及一种塔式起重机模拟培训系统。
背景技术
重型设备危险程度比较高，新员工大多不能亲身操作。长期以来缺乏对人才系统的培训和培养的教学设备，致使现有的从业人员素质难以得到持续提高。造成塔式起重机的人才培训周期长，培训效果不好。
发明内容：
本发明要解决的技术问题是提供一种塔式起重机模拟培训系统，模拟塔式起重机的安装培训环境，缩短学员的培训时间。
本发明采用如下技术方案实现发明目的：
一种塔式起重机模拟培训系统，包括模拟操控模块，其特征是：所述模拟操控模块包括：
塔机结构认知模块：对塔式起重机的结构、附加信息等进行认知学习；
塔机安装模块：对塔机的安装过程进行认知学习；
塔机卸载模块：对塔机的卸载过程进行认知学习；
塔机模拟驾驶模块：实现塔式起重机的模拟驾驶；
塔机考核模块：对学员进行成绩考核。
作为对本技术方案的进一步限定，所述塔机结构认知模块包括：
整体观看模式单元：对组装好的塔式起重机进行整体观看；
部件观看模式单元：对塔式起重机的某个部件进行观看。
作为对本技术方案的进一步限定，所述整体观看模式单元包括：
自动观看模式：利用C#语言在虚拟现实开发平台Untiy3D中规定好观看路径，在全屏模式下对塔式起重机的整体机构进行认知学习；
手动观看模式：通过操作鼠标键盘输入设备控制观看路径，在全屏模式下对塔式起重机的整体机构进行认知学习。
作为对本技术方案的进一步限定，所述部件观看模式单元包括
散开模式：在窗口模式下，通过界面上的按钮，选择观看塔机单独的某个部件，对其结构及附件信息进行认知学习；
整体模式：在窗口模式下，通过界面上的按钮，选择观看组装后的某个部件，对其安装部位进行认知学习。
作为对本技术方案的进一步限定，所述塔机安装模块包括：
安装观看模式单元：在全屏模式下，演示塔机安装流程三维动画，其中三维动画是利用专业动画制作软件3DMax制作；
安装操作模式单元：在窗口模式下，通过操作鼠标、键盘，手动进行塔机的安装。
作为对本技术方案的进一步限定，所述安装操作模式单元分为：
逐步安装模式：通过点击界面上的按钮，依次进行起重臂组装、标准节的安装、套架的安装、回转机构的安装、回转塔身的安装、塔帽的安装、平衡臂的安装、起重臂的安装、顶升过程，不完成上一步无法进入下一步安装；
任意安装模式：通过点击界面上的按钮，对某一部件的安装进行选择性的重点操作学习，其前面的安装步骤自动完成。
作为对本技术方案的进一步限定，所述塔机卸载模块包括：
卸载观看模式单元：在全屏模式下，演示塔机卸载流程三维动画，其中三维动画是利用专业动画制作软件3DMax制作；
卸载操作模式单元：在窗口模式下，通过操作鼠标、键盘，手动进行塔机的卸载。
作为对本技术方案的进一步限定，所述卸载操作模式单元分为：
逐步卸载模式：通过点击界面上的按钮，依次进行下降、起重臂的卸载、平衡臂的卸载、塔帽的卸载、回转塔身的卸载、回转机构的卸载、套架的卸载、标准节的卸载、起重臂的减组，不完成上一步无法进入下一步；
任意卸载模式：通过点击界面上的按钮，对某一部件的卸载进行选择性的重点操作学习，其前面的卸载步骤自动完成。
作为对本技术方案的进一步限定，所述塔机模拟驾驶模块包括：
电脑驾驶操作模式：在窗口模式下，通过点击界面上的工具栏按钮实现档位选择及前后、上下、左右方向选择，从而控制Untiy3D场景中的三维塔机模型的运动。除此之外还可以通过点击界面上的按钮实现加减重物、控制启停、五限位等操作；
模拟器驾驶操作模式：在全屏模式下，通过操作模拟器，实现档位选择及前后、上下、左右方向选择，从而控制Untiy3D场景中的三维塔机模型的运动。除此之外还可以通过控制模拟器实现加减重物、控制启停、五限位等操作。
作为对本技术方案的进一步限定，所述塔机考核模块包括：
电脑考核操作模式：在窗口模式下，通过控制鼠标键盘进行测试，包括定点停放、转杆撞木两项考核内容；
模拟器考核操作模式：在全屏模式下，通过模拟器操作进行测试，包括定点停放、转杆撞木两项考核内容。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明采用塔机结构认知模块、塔机安装模块、塔机卸载模块、塔机模拟驾驶模块和塔机考核模块实现对塔式起重机的模拟培训，可缩短从新手到熟练工的过渡时间，在教学方面让学员从之前看书的感性认识变为理性认识，提高了学习效率。
附图说明
图1为本发明的原理方框图。
具体实施方式:
下面结合实施例，进一步说明本发明。
参见图1，本发明包括模拟操控模块，所述模拟操控模块包括：
塔机结构认知模块：对塔式起重机的结构、附加信息等进行认知学习；
塔机安装模块：对塔机的安装过程进行认知学习；
塔机卸载模块：对塔机的卸载过程进行认知学习；
塔机模拟驾驶模块：实现塔式起重机的模拟驾驶；
塔机考核模块：对学员进行成绩考核。
所述塔机结构认知模块包括：
整体观看模式单元：对组装好的塔式起重机进行整体观看；
部件观看模式单元：对塔式起重机的某个部件进行观看。
所述整体观看模式单元包括：
自动观看模式：利用C#语言在虚拟现实开发平台Untiy3D中规定好观看路径，在全屏模式下对塔式起重机的整体机构进行认知学习；
手动观看模式：通过操作鼠标键盘输入设备控制观看路径，在全屏模式下对塔式起重机的整体机构进行认知学习。
所述部件观看模式单元包括
散开模式：在窗口模式下，通过界面上的按钮，选择观看塔机单独的某个部件，对其结构及附件信息进行认知学习；
整体模式：在窗口模式下，通过界面上的按钮，选择观看组装后的某个部件，对其安装部位进行认知学习。
所述塔机安装模块包括：
安装观看模式单元：在全屏模式下，演示塔机安装流程三维动画，其中三维动画是利用专业动画制作软件3DMax制作；
安装操作模式单元：在窗口模式下，通过操作鼠标、键盘，手动进行塔机的安装。
所述安装操作模式单元分为：
逐步安装模式：通过点击界面上的按钮，依次进行起重臂组装、标准节的安装、套架的安装、回转机构的安装、回转塔身的安装、塔帽的安装、平衡臂的安装、起重臂的安装、顶升过程，不完成上一步无法进入下一步安装；
任意安装模式：通过点击界面上的按钮，对某一部件的安装进行选择性的重点操作学习，其前面的安装步骤自动完成。
所述塔机卸载模块包括：
卸载观看模式单元：在全屏模式下，演示塔机卸载流程三维动画，其中三维动画是利用专业动画制作软件3DMax制作；
卸载操作模式单元：在窗口模式下，通过操作鼠标、键盘，手动进行塔机的卸载。
所述卸载操作模式单元分为：
逐步卸载模式：通过点击界面上的按钮，依次进行下降、起重臂的卸载、平衡臂的卸载、塔帽的卸载、回转塔身的卸载、回转机构的卸载、套架的卸载、标准节的卸载、起重臂的减组，不完成上一步无法进入下一步；
任意卸载模式：通过点击界面上的按钮，对某一部件的卸载进行选择性的重点操作学习，其前面的卸载步骤自动完成。
全屏模式与窗口模式相比，全屏模式没有标题栏、工具栏、菜单栏等，没有任何功能按钮，所有的操作需要借助外界设备（模拟器、鼠标、键盘等）来完成；窗口模式有标题栏、工具栏、菜单栏及一系列的功能按钮，除了可以通过键盘实现场景漫游功能外，大部分功能可以通过鼠标点击界面上的按钮来实现。
所述塔机模拟驾驶模块包括：
电脑驾驶操作模式：在窗口模式下，通过点击界面上的工具栏按钮实现档位选择及前后、上下、左右方向选择，从而控制Untiy3D场景中的三维塔机模型的运动。除此之外还可以通过点击界面上的按钮实现加减重物、控制启停、五限位等操作；
模拟器驾驶操作模式：在全屏模式下，通过操作模拟器，实现档位选择及前后、上下、左右方向选择，从而控制Untiy3D场景中的三维塔机模型的运动。除此之外还可以通过控制模拟器实现加减重物、控制启停、五限位等操作。
所述塔机考核模块包括：
电脑考核操作模式：在窗口模式下，通过控制鼠标键盘进行测试，包括定点停放、转杆撞木两项考核内容；
模拟器考核操作模式：在全屏模式下，通过模拟器操作进行测试，包括定点停放、转杆撞木两项考核内容。
本发明还包括登陆模块：依据学员输入的账号密码进行信息核对、登陆。
本发明还包括学员信息模块：进行学员信息管理，包括信息汇总（将所有信息显示）、信息录入（录入新成员，包括学号、姓名、密码、电话、备注等）、信息修改（修改学员信息）、信息删除、显示报表（将信息在视图中显示，实现打印和打印预览，打印设置）、信息导出（将所有信息导入EXCEL表格中，以备份）等功能。
本发明还包括环境设置模块，建立逼真的三维模型，模拟工地场景及周边环境；模拟不同的天气状况；控制背景音乐的播放等。
本发明还包括系统帮助模块包括使用说明、塔机手势、考试规定、评分标准、软件升级等。
本发明的模拟器向安装有操作软件的电脑主机输入操控量，其中模拟器和电脑主机之间的通讯是通过串口来实现的。模拟器采用现有技术制作，在此不再赘述。
基于Unity3D平台的串口通信原理：
（1）确定串口通讯相关参数，如串口号、波特率、数据位、奇偶校验位、停止位，打开串口。
（2）开启单独的数据接收线程，在单独的线程中接收串口数据。其中，数据接收方法为：首先判断串口是否打开状态，是则接收数据，否则抛出异常；将串口接收到的数据添加到数据列表1中，并加锁保护，防止存储数据和读取数据同时进行。
（3）在主线程中读取数据并进行处理。读取数据列表1并加锁保护，防止存储数据和读取数据同时进行；成功获取数据后，将原来的数据列表1清空，等待接收另一组数据；将读取到的数据进行处理并赋值给变量1。
（4）根据变量1，通过相应的通讯协议进行塔机控制，塔机模型进行实时反馈。
（5）操作结束后，在Unity平台下先结束数据接收线程，再关闭串口，防止平台卡死现象的发生。
通讯协议说明：本系统传输数据和接收信号都为二进制数，可保证数据传输的快捷准确。具体的通讯协议如下：
全部停止：00；响电笛：01；停止响电笛：02；超力矩铃70；停止超力矩71
运动控制信号（见下表）
| 运动方式 | 0档 | 1档 | 2档 | 3档 | 4档 |
| 上 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 |
| 下 | 20 | 21 | 22 | 23 | 24 |
| 左 | 30 | 31 | 32 | 33 | 34 |
| 右 | 40 | 41 | 42 | 43 | 44 |
| 前 | 50 | 51 | 52 | 53 | 54 |
| 后 | 60 | 61 | 62 | 63 | 64 |
塔机考核模块的考试项目主要包括定点停放和转杆撞木。
定点停放考核方法为：设置A、B、C三个圆环，圆环A处放置水箱，接模拟器的指挥信号后，将水箱由A处吊起，先后放入B圆内、C圆内，再将水箱C吊起，先后放回B圆、A圆内，最后由A处吊起，直接放入C圆内。水箱由各处吊起距地面400mm，每次下降途中允许各停顿两次。（满分40分，扣分标准见下表）
| 序号 | 扣分项目 | 扣分数 |
| 1 | 开车前未检查、鸣号 | 3 |
| 2 | 水箱出内圆（D1） | 2 |
| 3 | 水箱出中圆（D2） | 4 |
| 4 | 水箱出外圆（D3） | 6 |
| 5 | 洒水一次 | 1-3 |
| 6 | 每超出规定时间十秒 | 1 |
| 7 | 违反操作规程或考试规定 | 40 |
转杆撞木考核方法为：接模拟器指挥信号后，将水箱由圆圈A处吊起距地面1000mm，按规定路线在杆内运行行至B处上方，即反向旋转，并用水箱依次将立柱顶端的木块击落，最后将水箱放回A处。在击落木块的运行途中不准打倒车。（满分40分，扣分标准见下表）
| 序号 | 扣分项目 | 扣分数 |
| 1 | 开车前未检查、鸣号 | 3 |
| 2 | 碰杆一次 | 2 |
| 3 | 碰倒杆一次 | 3 |
| 4 | 碰立柱一次 | 3 |
| 5 | 木块未被击落 | 3 |
| 6 | 每超出规定时间十秒 | 1 |
| 7 | 违反操作规程或考试规定 | 40 |
考试时间：完成上述的两套动作时间为4分钟。
考核实现的主要技术原理-碰撞检测
定点停放考核碰撞检测实现原理：
给水箱添加Box碰撞器；
给三个圆环分别添加Mesh碰撞器；
调用OnTriggerEnter（Collider[]）碰撞检测函数，首先进行粗略检测，判断变量Collider是否为空，若是则没有发生碰撞，不减分；若否，则发生碰撞。
检测变量名称，判断发生碰撞的物体的名称，检测数组内元素个数及名称，若为1，则说明只和一个圆环发生碰撞，则减相应的分数；若为2，则说明和两个圆环发生碰撞，减去分数较高的那个；若为3个，则同第二种。
转杆撞木碰撞检测实现原理：
给水箱添加Box碰撞器；
给杆、立柱、木块添加Box碰撞器，并给杆添加刚体物理引擎；
调用OnTriggerEnter（Collider）碰撞检测函数，首先进行粗略检测，判断变量Collider是否为空，若是则没有发生碰撞，不减分；若否，则发生碰撞。
检测变量名称，判断发生碰撞的物体的名称，进行相应的减分；判断是否触发杆的刚体物理引擎引起杆倒地的现象，若是则减分。
Claims (10)
1.一种塔式起重机模拟培训系统，包括模拟操控模块，其特征是：所述模拟操控模块包括：
塔机结构认知模块：对塔式起重机的结构、附加信息等进行认知学习；
塔机安装模块：对塔式起重机的安装过程进行认知学习；
塔机卸载模块：对塔式起重机的卸载过程进行认知学习；
塔机模拟驾驶模块：实现塔式起重机的模拟驾驶；
塔机考核模块：对学员进行成绩考核。
2.根据权利要求1所述的塔式起重机模拟培训系统，其特征是：所述塔机结构认知模块包括：
整体观看模式单元：对组装好的塔式起重机进行整体观看；
部件观看模式单元：对塔式起重机的某个部件进行观看。
3.根据权利要求2所述的塔式起重机模拟培训系统，其特征是：所述整体观看模式单元包括：
自动观看模式：利用C#语言在虚拟现实开发平台Untiy3D中规定好观看路径，在全屏模式下对塔式起重机的整体结构进行认知学习；
手动观看模式：通过操作鼠标键盘输入设备控制观看路径，在全屏模式下对塔式起重机的整体结构进行认知学习。
4.根据权利要求2所述的塔式起重机模拟培训系统，其特征是：所述部件观看模式单元包括
散开模式：在窗口模式下，通过界面上的按钮，选择观看塔机单独的某个部件，对其结构及附加信息进行认知学习；
整体模式：在窗口模式下，通过界面上的按钮，选择观看组装后的某个部件，对其安装部位进行认知学习。
5. 根据权利要求1所述的塔式起重机模拟培训系统，其特征是：所述塔机安装模块包括：
安装观看模式单元：在全屏模式下，演示塔机安装流程三维动画，其中三维动画是利用专业动画制作软件3DMax制作；
安装操作模式单元：在窗口模式下，通过操作鼠标、键盘，手动进行塔机的安装。
6.根据权利要求5所述的塔式起重机模拟培训系统，其特征是：其特征在于，所述安装操作模式单元分为：
逐步安装模式：通过点击界面上的按钮，依次进行起重臂组装、标准节的安装、套架的安装、回转机构的安装、回转塔身的安装、塔帽的安装、平衡臂的安装、起重臂的安装、顶升过程，不完成上一步无法进入下一步安装；
任意安装模式：通过点击界面上的按钮，对某一部件的安装进行选择性的重点操作学习，其前面的安装步骤自动完成。
7.根据权利要求1所述的塔式起重机模拟培训系统，其特征是：所述塔机卸载模块包括：
卸载观看模式单元：在全屏模式下，演示塔机卸载流程三维动画，其中三维动画是利用专业动画制作软件3DMax制作；
卸载操作模式单元：在窗口模式下，通过操作鼠标、键盘，手动进行塔机的卸载。
8.根据权利要求7所述的塔式起重机模拟培训系统，其特征是：所述卸载操作模式单元分为：
逐步卸载模式：通过点击界面上的按钮，依次进行下降、起重臂的卸载、平衡臂的卸载、塔帽的卸载、回转塔身的卸载、回转机构的卸载、套架的卸载、标准节的卸载、起重臂的减组，不完成上一步无法进入下一步；
任意卸载模式：通过点击界面上的按钮，对某一部件的卸载进行选择性的重点操作学习，其前面的卸载步骤自动完成。
9.根据权利要求1所述的塔式起重机模拟培训系统，其特征是：所述塔机模拟驾驶模块包括：
电脑驾驶操作模式：在窗口模式下，通过点击界面上的工具栏按钮实现档位选择及前后、上下、左右方向选择，从而控制Untiy3D场景中的三维塔机模型的运动，
除此之外还可以通过点击界面上的按钮实现加减重物、控制启停、五限位操作；
模拟器驾驶操作模式：在全屏模式下，通过操作模拟器，实现档位选择及前后、上下、左右方向选择，从而控制Untiy3D场景中的三维塔机模型的运动；除此之外还可以通过控制模拟器实现加减重物、控制启停、五限位操作。
10.根据权利要求1所述的塔式起重机模拟培训系统，其特征是：所述塔机考核模块包括：
电脑考核操作模式：在窗口模式下，通过控制鼠标键盘进行测试，包括定点停放、转杆撞木两项考核内容；
模拟器考核操作模式：在全屏模式下，通过模拟器操作进行测试，包括定点停放、转杆撞木两项考核内容。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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Application publication date: 20150513 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |