CN204808639U - 一种陆地钻机虚拟装配系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有自主知识产权的陆地钻机虚拟装配系统，其中包括作为顺序选择模块的1号计算机、作为位置选择模块的2号计算机以及作为装配过程展示模块的3号环幕动画机以及与动画机连接配合输出动画的投影环幕；用户可通过本系统在虚拟现实环境中实现具有沉浸感的模拟陆地钻机真实装配情况，进行陆地钻机装配过程的动态仿真。相比在实际装配过程中对操作人员的装配培训，本实用新型具有成本低且培训方便的优点。

Description

一种陆地钻机虚拟装配系统

技术领域

本实用新型涉及一种虚拟装配系统，具体来说，涉及一种陆地钻机虚拟装配系统。

背景技术

钻机属于工程机械，工程机械的安全生产不仅直接影响机械的使用寿命，而且关系到人民生命财产的安全。因此必须贯彻“安全第一，以人为本”和“安全第一，预防为主”的方针。由于技术水平的限制，井场设备安装、拆卸过程中的问题非常突出。如何提高设备使用者技能水平，避免因操作不当造成的设备损坏，减少事故发生，是公司目前必须解决的紧迫问题。

在钻井完成后，需要将井场设备如底座、井架、泥浆泵、防喷器组等进行拆卸，搬运到其他钻井现场，并进行安装，以便开始新的钻井作业。在设备安装和拆卸过程中，必须遵循一定的操作规程和技术要领，才能保证设备的正确安装、正确拆卸和安全使用。

然而，目前设备使用者的操作规程和技术要领主要是通过厂家提供的说明书和培训获取，而操作技能则是靠经验的积累和师傅的传授，这些方式往往存在以下问题：实践机会有限，难以提高技术水平：由于钻井作业的特殊性，钻井设备的拆卸和安装等工作往往要几个月，甚至一年才进行一次，操作人员很难通过实际操作积累各种经验。另外，在设备安装、拆卸过程中，事故发生的几率相对较小，个体对事故的处理经验极为有限，对事故的判断、处理能力很难在实际的生产活动中积累和提高。一旦突发事故，往往由于缺乏经验和处理能力，造成重大生命和财产损失。

相对于实物试验，虚拟装配试验具有成本低等优点。因此，建立起具有虚拟仿真功能并具有自主知识产权的功能仿真平台是非常有意义的，可以为实际装配过程提供非常良好的辅助功能。并且可以一定程度上为陆地钻机装配操作人员提供具有视觉沉浸感的施工培训平台。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种陆地钻机虚拟装配系统。

一种陆地钻机虚拟装配系统，其中包括作为顺序选择模块的1号计算机、作为位置选择模块的2号计算机以及作为装配过程展示模块的3号环幕动画机以及与动画机连接配合输出动画的投影环幕：

其中在顺序选择模块中具有虚拟仿真主模块，包括：立体模型库、立体驱动引擎、数据库和人机交互模块；所述立体模型库是存储有环境立体模型与陆地钻机立体模型的立体模型库，所述立体驱动引擎是用来驱动立体模型并将数据信息输送给位置选择模块的立体驱动引擎，所述数据库是用来存储陆地钻机设备零件参数和部件信息的数据库，所述人机交互模块是用来接受输入与展示输出的人机交互模块；所述的人机交互模块，还用于接受所述零件参数和部件信息，并将接收到的所述零件参数和部件信息存入所述的数据库；还用于接受操作人员发出的指令，并调用所述数据库中的所述零件参数和部件信息，并将该零件参数和部件信息和该指令一并发送给所述的立体驱动引擎；

其中在位置选择模块中具有位置判断模块，在位置选择模块中，每个零部件都设定多个参考位置来供操作员进行选择，参考位置为半透明的应装配物体，其中只有一个位置为正确位置，当收到1号机的数据后由位置判断模块进行判断，并显示出该物体的几个参考位置，选择正确后向3号环幕动画机发送数据信息，选择错误则发出错误提示信息；

其中在装配过程展示模块中具有数据处理模块和动画播放模块，其中数据处理模块用于提取动画数据并输送到动画播放模块和将动画播放完毕的信号数据回传给顺序选择模块，动画播放模块用于将动画信息传送到投影环幕。

本实用新型的有益效果是：

用户可通过本系统在虚拟现实环境中实现具有沉浸感的模拟陆地钻机真实装配情况，进行陆地钻机装配过程的动态仿真。本系统可以为陆地钻机装配过程的动态进展以虚拟现实的方式提供良好展示，可以为装配人员提供拟实性远好于工艺规划文件的工程作业辅助，这对于陆地钻机装配过程来说是非常有意义的。另外，本系统并可用于对陆地钻机操作手进行虚拟操作培训。该系统可以模拟真实的装配过程，进行陆地钻机装配过程仿真并可用于对陆地钻机装配操作人员进行虚拟操作培训。相比在实际装配过程中对操作人员的装配培训，本实用新型具有成本低且培训方便的优点。

附图说明

图1为本实用新型的系统总体流程图

图2为本实用新型的顺序选择部分程序框图

图3为本实用新型的位置选择部分程序框图

图4为本实用新型的装配展示部分程序框图

具体实施方式

下面结合附图进一步描述本实用新型的技术方案：一种陆地钻机虚拟装配系统，其中包括作为顺序选择模块的1号计算机、作为位置选择模块的2号计算机以及作为装配过程展示模块的3号环幕动画机以及与动画机连接配合输出动画的投影环幕，如附图1所示：

其中在顺序选择模块中具有虚拟仿真主模块，包括：立体模型库、立体驱动引擎、数据库和人机交互模块；所述立体模型库是存储有环境立体模型与陆地钻机立体模型的立体模型库，所述立体驱动引擎是用来驱动立体模型并将数据信息输送给位置选择模块的立体驱动引擎，所述数据库是用来存储陆地钻机设备零件参数和部件信息的数据库，所述人机交互模块是用来接受输入与展示输出的人机交互模块；所述的人机交互模块，还用于接受所述零件参数和部件信息，并将接收到的所述零件参数和部件信息存入所述的数据库；还用于接受操作人员发出的指令，并调用所述数据库中的所述零件参数和部件信息，并将该零件参数和部件信息和该指令一并发送给所述的立体驱动引擎；

具体地，顺序选择模块中的立体模型库中的模型包括钻机底座部分、井架部分以及灌区三大部分类型；在所述数据库中，对陆地钻机所有的零部件进行能够编号处理，例如：第一个组装的物体编号为1，依次类推；操作员通过人机交互模块选中立体模型库的部件时，立体驱动引擎驱动并显示该立体模型，并对用户输入进行正确与否的判断，如果用户选择的物体不为编号1时需要对其进行提示，输出顺序选择错误的文字信息，如果选择正确，则有立体驱动引擎将部件的数据信息以及物体编号传送给位置选择模块，如附图2所示；

其中在位置选择模块中具有位置判断模块，在位置选择模块中，每个零部件都设定多个参考位置来供操作员进行选择，参考位置为半透明的应装配物体，其中只有一个位置为正确位置，当收到1号机的数据后由位置判断模块进行判断，并显示出该物体的几个参考位置，选择正确后向3号环幕动画机发送数据信息，选择错误则发出错误提示信息。

具体地，位置选择模块根据1号机的物体的数据编号来生成3个选择位置，并在模块中形成1个阵列，阵列的第一列为该物体编号，第二列为3个透明物体的组。第3列为该物体本身，第4列为特殊情况下显示的物体，第5列为特殊情况下消失的物体，第6列为组中的正确答案，第7列为步骤数。收到数据后位置选择模块找出该编号的对应行然后提取出第2列数据进行显示或隐藏操作。在位置判断模块中，预存有标准井架各部件的安装位置参数，在选中参考物体后，从上述阵列中提取正确答案的名称，即第6列中的数据，判断其与预存的安装位置参数是否相等，如果相等，则从阵列中提取第3列数据以显示物体本身，并将其编号发送到3号环幕动画机进行外显，如果不相等，则弹出对话框，提示用户选择错误，如附图3所示。

其中在装配过程展示模块中具有数据处理模块和动画播放模块，其中数据处理模块用于提取动画数据并输送到动画播放模块和将动画播放完毕的信号数据回传给顺序选择模块，动画播放模块用于将动画信息传送到投影环幕。

具体地，由2号计算机发送的数据信号在数据处理模块处形成为一个阵列，阵列第一列为物体编号。第二列为物体相应装配动画。第三列为动画最后帧数的图片。收到数据后用找出该编号的对应行然后提取出第2列数据动画。在提取出第2列的数据动画后将数据输送给动画播放模块进行动画演示；当动画播放完毕后，由数据处理模块发送数据给1号机，这里不需要发送编号，只发送分数和一个标记，当1号机接收后更新分数以及激活确定按钮，因为1号机程序在发送给2号机数据后确定按钮就被屏蔽了，此时方能激活，如附图4所示。

动画播放模块中还预存有三个小动画：起升动画部分，液压缓冲油缸部分及作业状态功能概述部分；其中，液压缓冲油缸的程序将在环幕上设立2个小窗口来作为当前状态的展示，分别表示左液缸和右液缸，通过判断作业号的信息来判断小窗口中是显示井架部分还是底座部分的液压缓冲油缸。此部分也是由主控部分传输相应伸缩距离，程序这边利用一个顶点3D帧数来和液压缸进行距离判断，以方便测量液压缸已经伸出的距离，来判断当前是否还可进行位移操作。通过把井架或底座设置成移动障碍物，把液压缓冲油缸设置成固定障碍物，利用碰撞检测的相关程序来进行碰撞判断，如达到事故相关要求则播放相应的事故动画。而起升动画部分则通过和主控和前端硬件通信来模拟井架底座的起升和下降。此部分运用的是可控动画，通过3D导出井架底座的起升下放动画。在虚拟工具中对动画进行帧数播放控制，将主控部分传输过来的数据进行处理，转化为对应的动画帧数后对模型进行对应变化操作。而作业状态功能概述部分，利用接收需显示的作业概述信息，通过标记分割符来进行换行处理判断，最后用2D图片的展示方式在屏幕中显示相应的文字信息。

就本实用新型而言，用户可通过本系统在虚拟现实环境中实现具有沉浸感的模拟陆地钻机的真实装配情况，进行陆地钻机装配过程的动态仿真。本系统可以为陆地钻机装配过程的动态进展以虚拟现实的方式提供良好展示，可以为装配人员提供拟实性远好于工艺规划文件的工程作业辅助，这对于陆地钻机装配过程来说是非常有意义的。另外，本系统并可用于对陆地钻机安装操作手进行虚拟操作培训。相比在实际装配过程中对操作人员的装配培训，本实用新型具有成本低且培训方便的优点。

本申请还涉及陆地钻机三维动画的生成方法，其中所述陆地钻机三维动画包括底座，井架及灌区的安装，井架及底座的起升，其中包含198个部件每一步的详细安装过程，以及井架及底座的起升过程，注意事项及事故动画。通过观看动画可以快速清楚的了解整个陆地钻机安装起升的全过程。

上述三维动画的生成方法包括如下步骤：

1.素材采集；前期在钻机安装工地现场进行视屏及照片素材的采集，钻机实际安装的每个步骤都通过摄像机进行全程拍摄，对现场设备的零部件进行三个方向拍照，收集所有设备的外形数据。

2.建模；通过采集到的素材进行建模工作。前期3D建模工具为3D，模型的尺寸完全按照实际钻机物件的尺寸等比例制作。为了确保动画质量，模型从3D导入进行细化。模型包括钻台、井场和环境，钻台部分包括：井架、绞车、顶驱、大钩、猫头、立管管汇、液压大钳、旋扣钳、油管钳、节流控制箱、立杆盒、井架房间、安全卡瓦、钻杆、油管、方钻杆、短接、钻铤、考克、吊卡、单向阀、卡瓦、司控房；井场部分包括：发电机组系统、泥浆泵、泥浆池、节流管汇、分离器、远程控制台；环境部分包括：井场自然环境模拟以及人物模型。其中钻台部分和井场部分通过几何建模的方式进行建模，具体为通过层次建模法进行建模，其利用属性结构来表示物体的各部分组成，较高层次构建的运动势必改变较低层次构建的空间位置。例如：钻井平台上的动力钳，它由动力钳的主体、转盘、气压阀部件构成。在执行上扣操作时，动力钳的主体向前运动，转盘与之同时向前运动并旋转。自然环境模拟以及人物模型则通过人物建模的方式进行建模，人物建模首先需要建立人物模型，包括人物的皮肤贴图，人物身体模型的建立。在人物身体模型建立后，使用PhotoShop为人物制作皮肤贴图，人物建模完成后，为人物建立骨骼，并给每块骨骼分配权重，以决定皮肤受骨骼运动的影响程度。根据图形程序的需要，为平台上的人物角色制作骨骼动画，例如：上卸猫头、上卸卡瓦动作，并保存为能够读取并单独控制的格式。

3.模型动作；3D模型制作完成后，根据实际钻机安装操作规程，确认了安装步骤及流程，开始进行3D模型的动作调整工作，从第一步画基线图开始，之后每一个物件的安装包括吊车的动作调整，物件安装到位的动画以及上销子的动作调整。

4.模型贴图及材质；模型的贴图及材质完全按照真实钻机的光泽与色彩制作，保证动画中每个物件都与实际情况相同，然后将这些材质赋予已经建好的模型。

5.背景设置；动画中钻机安装地点选择在荒漠进行，所以选用了低矮的岩石及沙漠作为背景。

6.灯光设置；为了模拟真实环境下的光照，让整个钻机安装场景的光影效果更加真实，在整个场景中制作了上百展的灯光整列，用来模拟天空的光照及太阳的照射。

7.镜头设置；镜头对准的位置既为动画展现到屏幕上的部分，为了保证看清每个部件的安装过程，镜头设置为对准正在安装的部件，上销子细小的物体时，镜头拉近给予特写。

8.整合；在完成素材采集，建模，模型动作，模型贴图及材质，背景设置，灯光设置，镜头设置之后，将整个场景整合到一起，既包括从画基线开始，每一个部件的安装，到最后底座的起升完毕的全过程。

9.渲染；将整合好的场景根据设置好的镜头开始渲染成图片，一秒钟的动画优选设置为25张图片，图片分辨率优选设置为2560X768。

10.配音，背景音乐及音效；配音包括每一步安装步骤及井架起升时的解说，背景音乐在安装过程中选用轻快的节奏而在起升时改为激昂。并在部件吊装到位，大锤敲销子位置配以相应的音效。

11.后期合成；后期合成软件优选选用nuke，将渲染好的图片导入之后合成完整的视屏动画，通过nuke在视频下方添加解说的中英文字幕，并将配音，背景音乐及音效同时合成到视频中，以完成整个陆地钻机的三维动画的生成工作。

本申请还涉及一种陆地钻机工艺动画的控制方法。其中在完成规定工艺作业的过程中，司钻控制台做出的每一个动作都将转换成数字信号传递给主控机，再由主控机发送协议数据给图形程序，图形程序得到参数后，做出具体反映。在图形机上体现出钻台上各种控制系统的运动参数、具体动作、视图选择优选为包括上视角、井下视角、防喷器视角、多视图显示；上述控制方法包括如下步骤：1.模型动画步骤：通过从数据协议中读取出来的移动或者旋转数据，给予对应物体的脚本，物体根据得到的速度或命令进行移动旋转指令。当没有得到当前移动速度或命令时，动画停止，等待主控机发送的消息；2.人物动画步骤：虚拟人的行为分为确定性行为和非确定性行为。对于复杂行为，需要根据场上不同的状态由认知层决定采取不同的动作序列。主控机发出指令，通过数据协议传输，虚拟工具进行解读，解读命令后播放事先做好的一系列相对应的人物动画，动画播放完毕前不再接收任何动作指令，不可打断动画。3.碰撞处理的步骤：在使用3D建模时，除了模型本身外还需要建立专门用于碰撞的隐形障碍物，因为模型本身都是一些不规则的多边形，如果直接拿模型本身当作碰撞物的话会因为模型的不规则发生一些BUG，所以我们用MAX来建立一些专门的碰撞体BOX，这些BOX会围绕在不可穿越的物体周围，把这些BOX选中后进行一个编组建立一个组，以完成碰撞处理。

本申请还涉及一种陆地钻机工艺动画的特效渲染方法。其中该特效渲染方法包括以下步骤：(1)添加粒子效果的步骤：粒子效果可用来模拟液体喷涌，火焰效果。根据不同的需要分成点粒子，面粒子，线粒子这些不同的效果，如模仿液体喷涌的点粒子效果，就在需要在液体喷涌的地方加入一个3D帧数，3D帧数的Z坐标轴对应需要喷射的方向，为其添加点粒子脚本(PointParticleSystem)，在PhotoShop里绘制出某个粒子的单个粒子贴图，在BB里制定该贴图，通过修改BB中的一些关键参数，来实现液体喷射的效果。

(2)添加贴图流动的步骤；贴图流动可以模仿天空的云雾流动，水流模拟效果，通过对该物体的MESH层创建脚本(TextureScroller)，制定相应的流动贴图，设置速度以及流动方向，一个水流效果就制作完成。

(3)二维序列图片播放的步骤；序列图片播放可以模仿多种连续性效果，如火焰，水流，血液各种特效，通过视频软件渲染一组连续的火焰效果图片导入VIRTOOS中，通过使用MOVIEPLAYER行为模组对序列图片进行连续播放，可以展现出多种微观物体的连续运动。

(4)添加贴图特效的步骤：通过贴图的设置可以完成混合贴图，一些特殊材质模拟，凹凸贴图的效果，对物体的材质进行编辑，在Effect中进行所需要的一些效果选择；通过上述步骤，实现对钻机工艺动画的特效渲染。

Claims (1)

1.一种陆地钻机虚拟装配系统，其中包括作为顺序选择模块的1号计算机、作为位置选择模块的2号计算机以及作为装配过程展示模块的3号环幕动画机以及与动画机连接配合输出动画的投影环幕：

其中在顺序选择模块中具有虚拟仿真主模块，包括：立体模型库、立体驱动引擎、数据库和人机交互模块；所述立体模型库是存储有环境立体模型与陆地钻机立体模型的立体模型库，所述立体驱动引擎是用来驱动立体模型并将数据信息输送给位置选择模块的立体驱动引擎，所述数据库是用来存储陆地钻机设备零件参数和部件信息的数据库，所述人机交互模块是用来接受输入与展示输出的人机交互模块；所述的人机交互模块，还用于接受所述零件参数和部件信息，并将接收到的所述零件参数和部件信息存入所述的数据库；还用于接受操作人员发出的指令，并调用所述数据库中的所述零件参数和部件信息，并将该零件参数和部件信息和该指令一并发送给所述的立体驱动引擎；

其中在位置选择模块中具有位置判断模块，在位置选择模块中，每个零部件都设定多个参考位置来供操作员进行选择，参考位置为半透明的应装配物体，其中只有一个位置为正确位置，当收到1号机的数据后由位置判断模块进行判断，并显示出该物体的几个参考位置，选择正确后向3号环幕动画机发送数据信息，选择错误则发出错误提示信息；

其中在装配过程展示模块中具有数据处理模块和动画播放模块，其中数据处理模块用于提取动画数据并输送到动画播放模块和将动画播放完毕的信号数据回传给顺序选择模块，动画播放模块用于将动画信息传送到投影环幕。