CN106560875A - 煤矿提升机司机三维虚拟仿真培训系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于煤矿提升机司机业务培训的三维虚拟仿真系统，包括软件和硬件。软件部分利用VC++开发虚拟仿真软件控制界面，能实现三维虚拟提升机的各种动作。硬件部分包括操作台、计算机主机和投影显示设备等。通过操作台上手柄、按钮开关、旋钮开关等控制虚拟仿真软件中三维虚拟提升机完成相应动作，并将虚拟场景实时渲染比显示在立体投影设备上。本发明的有益效果是，借助计算机图形学、虚拟现实等技术，帮助培训煤矿提升机司机并使之沉浸到虚拟提升机工作环境中。本发明有助于提高提升机司机操作熟练程度，避免在真实提升机培训中对设备造成的损坏，且节省昂贵的提升机设备购置费用，占地面积小，培训成本低，安全高效。

Description

煤矿提升机司机三维虚拟仿真培训系统

技术领域

本发明涉及一种三维虚拟仿真培训系统，尤其是一种应用于煤矿提升机司机业务培训的三维虚拟仿真系统。

背景技术

提升机是广大煤矿应用较多的物料提升运输设备，提升机司机的业务培训非常重要，关乎煤矿的安全生产，而且提升机司机业务培训无法在生产运行中的提升机设备上进行，如果专门购买提升机设备用于司机培训，不仅占地面积大，而且成本昂贵。目前提升机司机业务培训多采用书面培训和视频多媒体等方式进行，提升机司机业务培训尚无此类三维虚拟仿真系统的产品。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足之处而提出的一种低成本、安全有效的应用于提升机司机业务培训的三维虚拟仿真系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种应用于煤矿提升机司机业务培训的三维虚拟仿真系统，包括软件与硬件，其中三维虚拟仿真系统软件部分，拥有人性化软件控制界面，能读取三维虚拟提升机模型场景文件并借助CPU、3D图形卡等计算机硬件实时渲染；其中三维虚拟仿真系统硬件部分，包括提升机司机操作台、计算机主机和立体显示投影设备三部分，操作台的手动操作产生相应动作信号，通过数据采集处理后传递到安装在计算机主机中的三维虚拟仿真系统软件中，模拟控制三维虚拟提升机完成相应的动作，并将三维实时渲染场景动作输出到立体显示投影设备上，完成煤矿提升机司机岗位业务培训。

三维虚拟提升机模型场景包括提升机主轴装置、液压站、盘形制动器、电动机、深度指示器及其传动装置等结构的三维虚拟装配体模型。

三维虚拟提升机装配体模型首先在SolidWorks中建模，然后在 vrmlpad编辑器中进行优化处理并装配成为三维虚拟提升机场景，利用VC++开发的虚拟仿真软件控制界面能读取并实时渲染三维虚拟提升机场景，操作台操作动作信号通过单片机与软件通信，并将三维虚拟提升机场景动作渲染并输出到立体显示投影设备上。

提升机司机三维虚拟仿真培训系统的硬件部分-操作台，外观模拟生产现场样式，由箱体、手柄、按钮开关、旋钮开关、各种监测仪表、信号灯、深度指示屏、信号数据采集装置以及单片机等组成，手柄、按钮开关、旋钮开关、信号灯、各种监测仪表、深度指示屏等均安装在操作台箱体上，手柄、按钮开关、旋钮开关的输出信号经安装在操作台内部的信号数据采集装置、单片机综合处理后与三维虚拟仿真软件进行通信。

提升机司机三维虚拟仿真培训系统的硬件部分-手柄包括制动手柄、、电动机操作手柄和紧急制动手柄，不同的手柄能分别控制三维虚拟提升机的提升与下降，工作与停止等动作。

提升机司机三维虚拟仿真培训系统的硬件部分-操作台上各种开关，能模拟调整三维虚拟提升机的过卷、调绳和转换工作方式等。

提升机司机三维虚拟仿真培训系统的硬件部分-操作台上各种信号灯、仪表、指示屏等，用于监测三维虚拟提升机运行过程的电压、电流、油压、井筒中的位置及其他状态信号。

提升机司机三维虚拟仿真培训系统的硬件部分-立体显示投影设备，包括双通道投影仪2台、幕布和3D眼镜，幕布安装在操作台对面，2台投影仪安装在幕布后面，操作者在工作台上的各种操作经安装在计算机主机内的软件部分实时渲染处理后，将三维虚拟提升机工作场景及各种运行状态经投影仪显示在幕布上，操作者带3D眼镜接收双通道投影仪输出的三维立体虚拟场景。

综上所述，本发明的优点在于：

提升机司机三维虚拟仿真培训系统致力于解决在无提升机设备的情况下提升机司机的业务培训难题。该系统具有逼真的三维虚拟提升机运行场景以及良好的交互性，通过操作模拟生产现场操作台上的各个手柄、按钮开关、旋钮开关等，完成提升机司机的业务培训。本发明的有益效果是，利用计算机图形学、虚拟现实等技术开发完成的三维虚拟仿真软件，借助计算机硬件渲染产生提升机工作的虚拟视觉、运行仿真并融合音响效果，可以帮助培训煤矿提升机司机并使之沉浸到虚拟提升机工作的环境中。本发明有助于提高提升机司机操作熟练程度，避免在真实提升机上培训对设备造成的损坏，且节省昂贵的提升机设备购置费用，占地面积小，培训成本低，安全高效。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1是本发明的系统原理示意图；

图2是提升机操作台示意图；

图3是三维虚拟仿真系统硬件环境示意图；

图中：2-1旋钮开关；2-2按钮开关；2-3制动手柄；2-4转换开关；2-5信号灯；2-6电表；2-7深度指示屏；2-8油压表；2-9操作台箱体；2-10紧急制动手柄；2-11电动机操作手柄；3-1计算机主机；3-2双通道投影仪；3-3幕布；3-4提升机操作台；3-53D眼镜。

具体实施方式

根据本发明的一种用于煤矿提升机司机业务培训的三维虚拟仿真系统，其步骤包括：

首先，在SolidWorks软件中针对煤矿生产中常用的双滚筒缠绕式提升机进行三维建模，然后将提升机三维模型经vrmlpad编辑器优化处理后装配成三维虚拟提升机场景。其次，利用VC++开发虚拟仿真软件控制界面，读取并实时渲染三维虚拟提升机场景文件。再次，依照煤矿企业生产现场提升机操作台样式制造操作台箱体，并将手柄、按钮开关、转换开关、旋钮开关、信号灯、各种监测仪表、深度指示屏等安装在操作台箱体上，操作台内部安装有信号数据采集装置和单片机，操作台箱体上的各种开关、按钮的输出信号经数据采集装置和单片机处理后与计算机主机硬盘中安装的三维虚拟仿真软件通信，计算机主机和立体投影设备连接。操作台手动操作动作后，三维虚拟仿真软件中虚拟提升机接收信号并完成相应场景动作，经计算机实时渲染后输出显示到立体投影设备上，营造虚拟仿真培训环境。

图2为提升机操作台示意图，操作台上安装有手柄、按钮开关、调速按钮、旋钮开关、信号灯、各种监测仪表、深度指示屏等装置。不同型号的提升机操作台基本相同。

操作台平面上布置有三个手柄，左边手柄为制动手柄（2-3），中间手柄为电动机操作手柄（2-11），右边为紧急制动手柄（2-10）。

左边的制动手柄（2-3）的作用是控制虚拟提升机进行抱闸和松闸，向前推为松闸，向后拉为抱闸。制动手柄（2-3）通过操作台箱体（2-9）内布置的信号采集装置和单片机与计算机主机硬盘中的三维虚拟仿真软件通信，控制虚拟提升机完成抱闸和松闸。

中间的电动机操作手柄（2-11）的作用是控制虚拟提升机的启动、停止和正反转。操作手柄（2-11）通过操作台箱体（2-9）内布置的信号采集装置和单片机与计算机中硬盘的三维虚拟仿真软件通信，操纵虚拟提升机完成启动、停止和正反转，进而实现提升机的提升和下放工作。操作手柄（2-11）在中间位置时，虚拟提升机停止运行，由中间位置向前推动时，虚拟提升机完成一次提升。操作手柄（2-11）由中间位置向后拉时，虚拟提升机完成一次下放。

右边的紧急制动手柄（2-10）用于控制虚拟提升机在提升过程中发生异常情况时的紧急安全制动。向前推为紧急制动。紧急制动手柄（2-10）通过操作台箱体（2-9）内布置的信号采集装置和单片机与计算机硬盘中的三维虚拟仿真软件通信，控制虚拟提升机完成紧急制动。

操作台平面还布置有六个转换开关（2-4），十二个旋钮开关（2-1），十四个按钮开关（2-2）。供模拟调整提升机的过卷、调绳和转换工作方式等业务培训。

操作台斜面上装有六个电表（2-6）、两个油压表（2-8）、四十个信号灯（2-5），供模拟监测虚拟提升机运行过程的电压、电流、油压及其他状态信号。斜面中间装有一个深度指示屏（2-7），用于模拟指示虚拟提升机容器在井筒中的位置。

提升机操作台（3-4）上各种操作动作通过单片机与计算机主机（3-1）中三维虚拟仿真软件通信，实时渲染三维虚拟提升机并完成相应动作，然后通过双通道投影仪（3-2）输出到幕布（3-3）上，操作者带3D眼镜接收双通道投影仪输出的三维立体虚拟场景并沉浸在三维虚拟提升机业务培训仿真环境中。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本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，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种应用于煤矿提升机司机业务培训的三维虚拟仿真系统，其特征在于：包括软件与硬件，其中三维虚拟仿真系统软件部分，拥有人性化软件控制界面，能读取三维虚拟提升机模型场景文件并借助CPU、3D图形卡等计算机硬件实时渲染；其中三维虚拟仿真系统硬件部分，包括提升机司机操作台、计算机主机和立体显示投影设备三部分，操作台的手动操作产生相应动作信号，通过数据采集处理后传递到安装在计算机主机中的三维虚拟仿真系统软件中，模拟控制三维虚拟提升机完成相应的动作，并将三维实时渲染场景动作输出到立体显示投影设备上，完成煤矿提升机司机岗位业务培训。

2.根据权利要求1所述的应用于提升机司机业务培训的三维虚拟仿真系统的软件部分，其特征在于：三维虚拟提升机模型场景包括提升机主轴装置、液压站、盘形制动器、电动机、深度指示器及其传动装置等结构的三维虚拟装配体模型。

3.根据权利要求1和2所述的应用于提升机司机业务培训的三维虚拟仿真系统的软件部分，其特征在于：三维虚拟提升机装配体模型首先在SolidWorks中建模，然后在 vrmlpad编辑器中进行优化处理并装配成为三维虚拟提升机场景，利用VC++开发的虚拟仿真软件控制界面能读取并实时渲染三维虚拟提升机场景，操作台操作动作信号通过单片机与软件通信，并将三维虚拟提升机场景动作渲染并输出到立体显示投影设备上。

4.根据权利要求1所述的应用于提升机司机业务培训的三维虚拟仿真系统的硬件部分-操作台，其特征在于：外观模拟生产现场样式，由箱体、手柄、按钮开关、旋钮开关、各种监测仪表、信号灯、深度指示屏、信号数据采集装置以及单片机等组成，手柄、按钮开关、旋钮开关、信号灯、各种监测仪表、深度指示屏等均安装在操作台箱体上，手柄、按钮开关、旋钮开关的输出信号经安装在操作台内部的信号数据采集装置、单片机综合处理后与三维虚拟仿真软件进行通信。

5.根据权利要求4所述的操作台上手柄，其特征在于：包括制动手柄、电动机操作手柄和紧急制动手柄，不同的手柄能分别控制三维虚拟提升机的提升与下降，工作与停止等动作。

6.根据权利要求4所述的操作台上各种开关，其特征在于：不同的开关能模拟调整三维虚拟提升机的过卷、调绳和转换工作方式等。

7.根据权利要求4所述的操作台上各种信号灯、仪表、指示屏等，其特征在于：用于监测虚拟提升机运行过程的电压、电流、油压、井筒中的位置及其他状态信号。

8.根据权利要求4所述的硬件部分-立体显示投影设备，其特征在于：包括双通道投影仪2台、幕布和3D眼镜，幕布安装在操作台对面，2台投影仪安装在幕布后面，操作者在工作台上的各种操作经安装在计算机主机内的软件部分实时渲染处理后，将三维虚拟提升机工作场景及各种运行状态经投影仪显示在幕布上，操作者带3D眼镜接收双通道投影仪输出的三维立体虚拟场景并沉浸在三维虚拟提升机业务培训仿真环境中。