CN110148325A - 一种集装箱空箱堆高机的操作技能仿真培训系统 - Google Patents

Abstract

一种集装箱空箱堆高机的操作技能仿真培训系统，由六自由度运动平台系统、集装箱空箱堆高机驾驶员座椅、集装箱空箱堆高机操作机构、操作信号采集器、仿真计算机、三维仿真软件、大屏幕电视机、显示器支架组成；集装箱空箱堆高机驾驶员座椅、集装箱空箱堆高机操作机构和显示器支架置于六自由度运动平台之上，大屏幕电视机固定在显示器支架上，集装箱空箱堆高机操作机构信号输出至操作信号采集，操作信号采集器通过485总线接仿真计算机，仿真计算机通过HDMI接口接大屏幕电视机，六自由度运动平台系统的控制信号端口接485总线。相对于当前的培训手段，本发明虚拟仿真场景中各物理现象的真实、虚拟仿真临场感强。

Description

一种集装箱空箱堆高机的操作技能仿真培训系统

技术领域

本发明涉及集装箱吊运技术领域，特别涉及一种集装箱空箱堆高机的操作技能仿真培训系统。

背景技术

随着中国经济的发展，货物的搬运量越来越大，集装箱的使用规模也越来越大，为了节约空间，往往将集装箱空箱进行堆叠放置，集装箱空箱堆高机的装备量也随着增多，因而对集装箱空箱堆高机操作人员的需求也越来越大。

目前来说，集装箱空箱堆高机的相关操作人员的操作技能培训大多以师徒的形式在真实工作岗位上进行一对一手把手的传授方式进行，这种培训方式存在着高成本、高能耗、不环保、高风险、低效率等问题，这样就造成学员的实践操作技能得不到较好的训练，因此，在教学实践过程中，迫切需要有一种能兼顾培训效果和资源投入的培训设备和方式来改善该困境。

发明内容

本发明的目的是针对现有方案中存在的上述问题，提供一种兼顾训练效果和资源投入的集装箱空箱堆高机的操作技能仿真培训系统。

本发明的技术方案是：本发明是一种集装箱空箱堆高机的操作技能仿真培训系统，由六自由度运动平台系统、集装箱空箱堆高机驾驶员座椅、集装箱空箱堆高机操作机构、操作信号采集器、仿真计算机、三维仿真软件、大屏幕电视机、显示器支架组成；集装箱空箱堆高机驾驶员座椅、集装箱空箱堆高机操作机构和显示器支架置于六自由度运动平台之上且与平台刚性连接，大屏幕电视机固定在显示器支架上，集装箱空箱堆高机操作机构信号输出端口接操作信号采集器的信号输入端口，操作信号采集器的信号输出端口接485总线，485总线通过485-USB转换器接仿真计算机的USB接口，仿真计算机通过HDMI接口接大屏幕电视机，六自由度运动平台系统的控制信号输入端口与485总线连接；三维仿真软件在OSG+Vortex平台进行开发并运行于仿真计算机之上；操作信号采集器实时接收集装箱空箱堆高机操作机构的操纵信号，然后通过485总线将其发送至仿真计算机，运行于仿真计算机的三维仿真软件获取到操作数据后，由多体动力学和碰撞检测实时仿真引擎Vortex对虚拟场景中各物体之间的物理接触及运动包括集装箱空箱堆高机与环境的响应、集装箱之间的碰撞干涉、集装箱与环境的碰撞干涉、集装箱空箱堆高机与集装箱之间的响应等物理行为进行计算，然后由三维图形引擎OSG对虚拟场景中各物体位置、图形进行更新并输出给大屏幕电视机显示，在虚拟环境中完成集装箱空箱堆高机的操纵动作以及虚拟场景中各物体的干涉响应，同时，仿真软件将Vortex计算得出的虚拟场景中集装箱空箱堆高机车体姿态数据通过485总线发送给六自由度运动平台系统，六自由度运动平台系统同步产生与虚拟集装箱空箱堆高机车体同样的姿态变化动作，使处于运动平台之上的操作者感受到真实的摇摆，软件同步播放相应音效文件。

三维仿真软件在OSG+Vortex软件平台上进行开发，虚拟场景中各物体之间的物理接触及运动包括集装箱空箱堆高机与环境的响应、集装箱之间的碰撞干涉、集装箱与环境的碰撞干涉、集装箱空箱堆高机与集装箱之间的响应等物理行为的计算由多体动力学和碰撞检测实时仿真引擎Vortex完成，虚拟场景的图形刷新、图像效果、声音播放由三维图形引擎OSG完成，三维仿真软件包括设备通讯模块、三维模型驱动模块、集装箱空箱堆高机车体仿真模块、门架及吊具机构仿真模块、场景物体碰撞干涉处理模块、集装箱空箱堆高机三维模型、地形场景模块、声音播放模块、光线调节模块、烟雾控制模块。

虚拟场景中集装箱空箱堆高机车体及行走机构的仿真调用Vortex系统的车辆模块VxVehicle实现，虚拟场景中车体姿态数据、与环境的碰撞等物理行为由VxVehicle及相应Vortex内置函数进行准确计算，并将虚拟车体的姿态数据输出至六自由度平台系统。

三维仿真软件的集装箱空箱堆高机的门架系统及吊具系统的主要运动部件之间的机械约束调用Vortex的约束类VxConstraint来实现，以完成门架的前倾、后倾、举升、下降和吊具的闭锁、解锁、左侧移、右侧移、伸出、缩回等动作。

六自由度运动平台系统包括六自由度运动平台和运动平台控制器，六自由度运动平台采用Stewart结构平台，驱动机构采用电动缸，运动平台控制器用于六自由度运动平台的运动控制，它根据Vortex的车辆模块VxVehicle下发的车体姿态数据完成平台的运动控制，运动平台控制器通过485总线与仿真计算机相连。当设备通讯软件模块接收到操作信号采集器发送过来的行走控制指令后，Vortex的车辆模块VxVehicle根据指令驱动集装箱空箱堆高机在虚拟场景中行走，同时根据地形数据以及车体行走响应，得到虚拟场景中集装箱空箱堆高机车体六个自由度的姿态数据，然后将该数据通过设备通讯模块经由485总线发送给运动平台控制器，运动平台控制器收到姿态数据后，控制各电动缸动作，产生六个自由度的运动，模拟出集装箱空箱堆高机行进过程中因不平整地形引起的颠簸和集装箱空箱堆高机工作过程中产生的车体姿态变化，从而在最大程度上给操作者提供模拟训练的真实感和临场感。

集装箱空箱堆高机操操作机构包括方向机、刹车踏板、油门踏板、档位操纵杆、操纵手柄、臂架动作开关，上述操作机构均选用电信号输出型号，操作信号采集器采集操作机构产生的控制指令。

集装箱空箱堆高机及集装箱三维模型采用三维建模软件3D Max以1:1的比例建立，并导出其IVE格式文件，供三维模型驱动模块调用。

虚拟环境中集装箱的物理模型VxBox进行构造，可通过组合模型的形式构建重心与集装箱几何中心不一致的物理模型，用于重心与几何中心不重合的集装箱吊运作业技能训练。

与现有技术相比，本发明的优点在于：相对于当前的培训手段，本装置采用计算机图形图像技术和虚拟现实技术，以半实物半虚拟的方式来进行人员的操作技能训练，具有占地面积小，能源消耗较少，材料消耗小，噪音小，操作直观，培训效果好等特点，区别于现有的集装箱空箱堆高机操作仿真培训装置，本发明采用经大量军事及航天领域应用验证过的成熟的多体动力学和碰撞检测实时仿真引擎Vortex进行开发，Vortex将仿真环境中的模型分为几何模型、碰撞模型和动力学模型，虚拟场景中的仿真对象具有几何信息、质量、速度、惯性和摩擦等物理属性，Vortex调用仿真引擎内置函数包根据仿真对象自身内在物理属性进行计算而产生相应响应，使虚拟场景中的仿真对象的运动符合牛顿运动定律，基于Vortex 的仿真系统精确的考虑各种复杂虚拟现实场景中物体的动力学效应（包括物体与物体之间的相互作用以及物体与复杂场景环境的耦合动力学），Vortex自带的函数包能准确的计算移栽过程中发生的各种物理行为，最大程度的保证虚拟仿真场景中各物理现象的真实感；采用六自由度运动平台模拟集装箱空箱堆高机车体摇摆，极大程度的提高了虚拟仿真训练时的临场感。

附图说明

图1为本发明的部件布置结构图。

图2为本发明的系统电气连接关系图。

图3为本发明的系统控制原理图。

图4为本发明的操作信号采集器结构图。

图5为本发明的三维仿真软件结构图。

图6为本发明的软件工作流程图。

图中标号说明：1、六自由度运动平台；2、集装箱空箱堆高机驾驶员座椅；3、集装箱空箱堆高机操作机构；4、操作信号采集器；5、仿真计算机；6、大屏幕电视机；7、显示器支架；8、运动平台控制器。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

一种集装箱空箱堆高机的操作技能仿真培训系统，本发明是一种集装箱空箱堆高机的操作技能仿真培训系统，由六自由度运动平台系统、集装箱空箱堆高机驾驶员座椅、集装箱空箱堆高机操作机构、操作信号采集器、仿真计算机、三维仿真软件、大屏幕电视机、显示器支架组成；集装箱空箱堆高机驾驶员座椅、集装箱空箱堆高机操作机构和显示器支架置于六自由度运动平台之上且与平台刚性连接，大屏幕电视机固定在显示器支架上，集装箱空箱堆高机操作机构信号输出端口接操作信号采集器的信号输入端口，操作信号采集器的信号输出端口接485总线，485总线通过485-USB转换器接仿真计算机的USB接口，仿真计算机通过HDMI接口接大屏幕电视机，六自由度运动平台系统的控制信号输入端口与485总线连接；三维仿真软件在OSG+Vortex平台进行开发并运行于仿真计算机之上；操作信号采集器实时接收集装箱空箱堆高机操作机构的操纵信号，然后通过485总线将其发送至仿真计算机，运行于仿真计算机的三维仿真软件获取到操作数据后，由多体动力学和碰撞检测实时仿真引擎Vortex对虚拟场景中各物体之间的物理接触及运动包括集装箱空箱堆高机与环境的响应、集装箱之间的碰撞干涉、集装箱与环境的碰撞干涉、集装箱空箱堆高机与集装箱之间的响应等物理行为进行计算，然后由三维图形引擎OSG对虚拟场景中各物体位置、图形进行更新并输出给大屏幕电视机显示，在虚拟环境中完成集装箱空箱堆高机的操纵动作以及虚拟场景中各物体的干涉响应，同时，仿真软件将Vortex计算得出的虚拟场景中集装箱空箱堆高机车体姿态数据通过485总线发送给六自由度运动平台系统，六自由度运动平台系统同步产生与虚拟集装箱空箱堆高机车体同样的姿态变化动作，使处于运动平台之上的操作者感受到真实的摇摆，软件同步播放相应音效文件。

三维仿真软件在OSG+Vortex软件平台上进行开发，虚拟场景中各物体之间的物理接触及运动包括集装箱空箱堆高机与环境的响应、集装箱之间的碰撞干涉、集装箱与环境的碰撞干涉、集装箱空箱堆高机与集装箱之间的响应等物理行为的计算由多体动力学和碰撞检测实时仿真引擎Vortex完成，虚拟场景的图形刷新、图像效果、声音播放由三维图形引擎OSG完成，三维仿真软件包括设备通讯模块、三维模型驱动模块、集装箱空箱堆高机车体仿真模块、吊具机构仿真模块、场景物体碰撞干涉处理模块、集装箱空箱堆高机三维模型、地形场景模块、声音播放模块、光线调节模块、烟雾控制模块。

虚拟场景中集装箱空箱堆高机车体及行走机构的仿真调用Vortex系统的车辆模块VxVehicle实现，虚拟场景中车体姿态数据、与环境的碰撞等物理行为由VxVehicle及相应Vortex内置函数进行准确计算，并将虚拟车体的姿态数据输出至六自由度平台系统。

三维仿真软件的集装箱空箱堆高机的臂架系统及吊具系统的主要运动部件之间的机械约束调用Vortex的约束类VxConstraint来实现，以完成臂架的伸缩、俯仰及吊具的旋转、集装箱的抓取、集装箱的侧移等动作。

六自由度运动平台系统包括六自由度运动平台和运动平台控制器，六自由度运动平台采用Stewart结构平台，驱动机构采用电动缸，运动平台控制器用于六自由度运动平台的运动控制，它根据Vortex的车辆模块VxVehicle下发的车体姿态数据完成平台的运动控制，运动平台控制器通过485总线与仿真计算机相连。当设备通讯软件模块接收到操作信号采集器发送过来的行走控制指令后，Vortex的车辆模块VxVehicle根据指令驱动集装箱空箱堆高机在虚拟场景中行走，同时根据地形数据以及车体行走响应，得到虚拟场景中集装箱空箱堆高机车体六个自由度的姿态数据，然后将该数据通过设备通讯模块经由485总线发送给运动平台控制器，运动平台控制器收到姿态数据后，控制各电动缸动作，产生六个自由度的运动，模拟出集装箱空箱堆高机行进过程中因不平整地形引起的颠簸和集装箱空箱堆高机工作过程中产生的车体姿态变化，从而在最大程度上给操作者提供模拟训练的真实感和临场感。

集装箱空箱堆高机操操作机构包括方向机、刹车踏板、油门踏板、档位操纵杆、操纵手柄、臂架动作开关，上述操作机构均选用电信号输出型号，操作信号采集器采集操作机构产生的控制指令。

集装箱空箱堆高机及集装箱三维模型采用三维建模软件3D Max以1:1的比例建立，并导出其IVE格式文件，供三维模型驱动模块调用。

虚拟环境中集装箱的物理模型VxBox进行构造，可通过组合模型的形式构建重心与集装箱几何中心不一致的物理模型，用于重心与几何中心不重合的集装箱吊运作业技能训练。

集装箱空箱堆高机的操作技能仿真培训系统主要工作环节包括初始化、整车行驶、臂架操作、吊具操作、集装箱的堆箱和取箱作业。

初始化：操作者启动仿真培训系统，经过集装箱空箱堆高机机型以及移栽林地配置选择后，系统进入仿真培训操作界面，软件通过地形场景生成地形数据和集装箱堆，六自由度运动平台姿态控制模块向运动平台控制器发送中位初始姿态数据，运动平台控制器控制六自由度运动平台回到中位初始状态。

整车行驶：操作者根据驾驶及操作技术要求操纵集装箱空箱堆高机的方向机、油门踏板、档位操纵杆、刹车踏板等行走操纵装置，操作信号采集器实时地获取方向机、油门踏板、档位操纵杆、刹车踏板输送来的操作信号，将其转换成数字指令后通过485总线将数据发送至仿真计算机端，仿真软件接收到操作信号采集器发送来的控制指令，通过Vortex的多体动力学和碰撞检测实时仿真引擎对虚拟场景中各物体之间的物理接触及运动如车体与环境的碰撞等物理行为进行计算，调用Vortex平台的车辆模块VxVehicle对集装箱空箱堆高机车体进行仿真计算，然后根据计算得到的数据由OSG三维图形引擎的各功能模块对集装箱空箱堆高机在场景中的位置和集装箱空箱堆高机行进过程中机体与环境物体接触碰撞效果进行一帧的刷新，并通过大屏幕电视机进行实时显示，从而实现虚拟场景中集装箱空箱堆高机的行走，同时，将车辆模块VxVehicle计算出来的集装箱空箱堆高机在虚拟场景中的姿态数据发送至运动平台控制器控制六自由度运动平台动作，实时模拟出集装箱空箱堆高机在行进过程中的六个自由度的姿态变化即车体摇摆，并由声音播放模块播放前期录制好的集装箱空箱堆高机行进时的轰鸣声，软件进入下一帧的刷新循环，直至在虚拟场景中将集装箱空箱堆高机移动至目的地。

臂架操作：首先根据操作技术要求配合手柄按键和手柄的推拉操作，操作信号采集器检测到操作手柄及其上按钮传送来的操作信号，通过485总线发送至仿真计算机，仿真平台接收到操作数据， Vortex的约束类VxConstraint函数根据操作数据驱动虚拟场景中臂架关节运动完成臂架的仰起、俯下、伸出、缩回、自动收臂、应急下降、垂直动作，各种动作的速度与操纵杆被推动的幅度成正比，同时Vortex多体动力学和碰撞检测实时仿真引擎对虚拟场景中各物体之间的物理接触及运动的物理行为进行计算，再通过OSG三维模型驱动模块对集装箱空箱堆高机的臂架及与之连接其他机构在运动过程中与周围环境的碰撞效果进行更新，在虚拟场景中完成集装箱空箱堆高机臂架的操作。

吊具操作：首先根据操作技术要求操作手柄上的按键，操作信号采集器检测到操作手柄及其上按钮传送来的操作信号，通过485总线发送至仿真计算机，仿真平台接收到操作数据，Vortex的约束类VxConstraint函数根据操作数据驱动虚拟场景中吊具系统的旋转机构、伸缩梁和转锁机构运动完成吊具的左右侧移、顺逆时钟旋转、吊具臂伸缩、吊具释放与锁紧，同时Vortex多体动力学和碰撞检测实时仿真引擎对虚拟场景中各物体之间的物理接触及运动的物理行为进行计算，再通过OSG三维模型驱动模块对集装箱空箱堆高机的吊具系统及与之连接其他机构和集装箱在运动过程中与周围环境的碰撞效果进行更新，在虚拟场景中完成集装箱空箱堆高机吊具系统的操作。

集装箱堆取箱作业：首先根据操作技术要求操作手柄上的按键，操作信号采集器检测到操作手柄上的按键传送来的操作信号，通过485总线发送至仿真计算机，仿真平台接收到操作数据，在虚拟场景中驱动吊具系统至集装箱顶部，使吊具四个锁销插入集装箱角件孔，当锁销完全插入到位时，OSG图形驱动吊具上的三色指示灯显示黄灯亮，当软件接收到操作者的旋锁关闭开关信号后，OSG图形驱动吊具上的三色指示灯显示白灯亮、旋锁指示色标（绿色）向后，操作者可以进行吊运作业，臂架操作、吊具操作和整车行驶过程与前述步骤相同。堆放集装箱时，箱体被托起带动顶销被顶起，此时OSG图形驱动吊具上的三色指示灯显示黄灯亮，当软件接收到操作者的旋锁打开开关信号后，OSG图形驱动吊具上的三色指示灯显示红灯亮、旋锁指示色标（红色）向后，完成堆箱操作。

在集装箱堆取箱作业过程中，Vortex的约束类VxConstraint函数根据操作数据驱动虚拟场景中吊具系统的旋转机构、伸缩梁和转锁机构运动完成吊具的左右侧移、顺逆时钟旋转、吊具臂伸缩、吊具释放与锁紧，同时Vortex多体动力学和碰撞检测实时仿真引擎对虚拟场景中各物体之间的物理接触及运动的物理行为进行计算，再通过OSG三维模型驱动模块对集装箱空箱堆高机的吊具系统及与之连接其他机构和集装箱在运动过程中与周围环境的碰撞效果进行更新，在虚拟场景中完成集装箱空箱堆高机吊具系统的操作。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种集装箱空箱堆高机的操作技能仿真培训系统，其特征在于：由六自由度运动平台系统、集装箱空箱堆高机驾驶员座椅、集装箱空箱堆高机操作机构、操作信号采集器、仿真计算机、三维仿真软件、大屏幕电视机、显示器支架组成；集装箱空箱堆高机驾驶员座椅、集装箱空箱堆高机操作机构和显示器支架置于六自由度运动平台之上且与平台刚性连接，大屏幕电视机固定在显示器支架上，集装箱空箱堆高机操作机构信号输出端口接操作信号采集器的信号输入端口，操作信号采集器的信号输出端口接485总线，485总线通过485-USB转换器接仿真计算机的USB接口，仿真计算机通过HDMI接口接大屏幕电视机，六自由度运动平台系统的控制信号输入端口与485总线连接；三维仿真软件在OSG+Vortex平台进行开发并运行于仿真计算机之上；操作信号采集器实时接收集装箱空箱堆高机操作机构的操纵信号，然后通过485总线将其发送至仿真计算机，运行于仿真计算机的三维仿真软件获取到操作数据后，由多体动力学和碰撞检测实时仿真引擎Vortex对虚拟场景中各物体之间的物理接触及运动包括集装箱空箱堆高机与环境的响应、集装箱之间的碰撞干涉、集装箱与环境的碰撞干涉、集装箱空箱堆高机与集装箱之间的响应等物理行为进行计算，然后由三维图形引擎OSG对虚拟场景中各物体位置、图形进行更新并输出给大屏幕电视机显示，在虚拟环境中完成集装箱空箱堆高机的操纵动作以及虚拟场景中各物体的干涉响应，同时，仿真软件将Vortex计算得出的虚拟场景中集装箱空箱堆高机车体姿态数据通过485总线发送给六自由度运动平台系统，六自由度运动平台系统同步产生与虚拟集装箱空箱堆高机车体同样的姿态变化动作，使处于运动平台之上的操作者感受到真实的摇摆，软件同步播放相应音效文件。

2.根据权利要求1所述的一种集装箱空箱堆高机的操作技能仿真培训系统，其中，所述三维仿真软件在OSG+Vortex软件平台上进行开发，虚拟场景中各物体之间的物理接触及运动包括集装箱空箱堆高机与环境的响应、集装箱之间的碰撞干涉、集装箱与环境的碰撞干涉、集装箱空箱堆高机与集装箱之间的响应等物理行为的计算由多体动力学和碰撞检测实时仿真引擎Vortex完成，虚拟场景的图形刷新、图像效果、声音播放由三维图形引擎OSG完成，三维仿真软件包括设备通讯模块、三维模型驱动模块、集装箱空箱堆高机车体仿真模块、门架及吊具机构仿真模块、场景物体碰撞干涉处理模块、集装箱空箱堆高机三维模型、地形场景模块、声音播放模块、光线调节模块、烟雾控制模块。

3.根据权利要求1所述的一种集装箱空箱堆高机的操作技能仿真培训系统，其中，所述六自由度运动平台系统包括六自由度运动平台和运动平台控制器，六自由度运动平台采用Stewart结构平台，驱动机构采用电动缸，运动平台控制器用于六自由度运动平台的运动控制，它根据Vortex的车辆模块VxVehicle下发的车体姿态数据完成平台的运动控制，模拟出集装箱空箱堆高机行进过程中因不平整地形引起的颠簸和集装箱空箱堆高机工作过程中产生的车体姿态变化。

4.根据权利要求1所述的一种集装箱空箱堆高机的操作技能仿真培训系统，其中，所述集装箱空箱堆高机操操作机构包括方向机、刹车踏板、油门踏板、档位操纵杆、操纵手柄、臂架动作开关，上述操作机构均选用电信号输出型号，操作信号采集器采集操作机构产生的控制指令。

5.根据权利要求1、2所述的一种集装箱空箱堆高机的操作技能仿真培训系统，其中，所述虚拟场景中集装箱空箱堆高机车体及行走机构的仿真调用Vortex系统的车辆模块VxVehicle实现，虚拟场景中车体姿态数据、与环境的碰撞等物理行为由VxVehicle及相应Vortex内置函数进行准确计算，并将虚拟车体的姿态数据输出至六自由度平台系统。

6.根据权利要求1、2所述的一种集装箱空箱堆高机的操作技能仿真培训系统，其中，所述三维仿真软件的集装箱空箱堆高机的门架系统及吊具系统的主要运动部件之间的机械约束调用Vortex的约束类VxConstraint来实现，以完成门架的前倾、后倾、举升、下降和吊具的闭锁、解锁、左侧移、右侧移、伸出、缩回等动作。

7.根据权利要求1、2所述的一种集装箱空箱堆高机的操作技能仿真培训系统，其中，所述虚拟环境中集装箱的物理模型VxBox进行构造，可通过组合模型的形式构建重心与集装箱几何中心不一致的物理模型，用于重心与几何中心不重合的集装箱吊运作业技能训练。