RU2730796C2 - Моделирующее устройство для крана, строительной машины или средства напольного транспорта - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к моделирующему устройству для крана, строительной машины или средства напольного транспорта. Устройство содержит стенд управления по меньшей мере с одним средством для ввода команд управления, графический имитирующий модуль для расчёта виртуального изображения окружающей машину среды и/или видимых со стенда управления компонентов машины, таких как стрела или грузовой крюк, и индикаторное устройство для индикации рассчитанного виртуального изображения. Предусмотрен модуль имитации движений для определения движений и/или деформации компонентов машины в зависимости от вводимых команд управления, с учётом которых графический имитирующий модуль рассчитывает виртуальное изображение. Стенд управления установлен подвижно и может перемещаться приводным устройством в зависимости от движений и/или деформаций компонентов машины, определяемых модулем имитации движений. Образуемое графическим имитирующим модулем виртуальное изображение может накладываться на прямое изображение камеры и индицироваться на виртуально-реальных очках. Достигается обеспечение близкой к реальности имитации работы крана или машины, повышение эффекта тренировки, улучшение информирования о фактическом поведении крана и упрощение обучения. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Настоящее изобретение относится к моделирующему устройству для крана, строительной машины или средства напольного транспорта, содержащему стенд управления, по меньшей мере, с одним средством для ввода команд управления, графическим имитирующим модулем для расчёта виртуального изображения окружающей машину среды и/или видимых со стенда управления компонентов машины, таких, как стрела или грузовой крюк, и индикаторное устройство для индикации рассчитанного виртуального изображения, при этом предусмотрен модуль имитации движений для определения движений и/или деформаций компонентов машины в зависимости от вводимых команд управления, с учётом которых графический имитирующий модуль рассчитывает виртуальное изображение.

Краны и подобные крупные виды оборудования, например буро-забивное оборудование, драглайны, являются в обслуживании и управлении очень сложными и поэтому вызывают трудности при обучении, вследствие чего учебный и наглядный материал в виде фотографий, планов и фильмов не является достаточным для наглядного обучения приёмам обслуживания и контроля и для обеспечения лёгкого овладения материалом. При этом проблемой является не только множество управляющих функций и их взаимодействие, а также связанная с ними совокупность довольно сложных средств ввода, как, например, джойстики, ножные педали и управляющие переключатели, но также часто необычные специфические реакции конструкции машины на движения сервоприводов. Краны, как, например, башенно-поворотные или поворотные краны с качающейся стрелой, а также портовые или морские краны, имеют длинные, гибкие конструктивные элементы, например, конструкции стрелы или башни, которые скручиваются и являются относительно мягкими, вследствие чего процессы ускорения или замедления сервоприводов сопровождаются деформацией конструкций и маятниковыми движениями, усложняющими надёжное управление и для опытных крановщиков, перешедших на новый тип крана. Иначе, чем у малогабаритного оборудования с предполагаемыми приблизительно жёсткими конструкциями, например, у башенно-поворотных кранов могут происходить деформации конструкции башни и связанной со стрелой системы при подъёме груза, или при повороте вокруг вертикальной оси груз раскачивается, и стрела соответственно совершает вращательные колебания. Подобная картина может наблюдаться и в отношении драглайна или бурильно-забивной установки, поэтому у крановщика или машиниста нет уверенности, когда он применяет на практике надёжно усвоенные теоретические приёмы управления и знакомится с соответствующими реакциями крана.

Поэтому для приближения обучения и тренинга к реальности было предложено применять моделирующие устройства для крана, в которых тренирующийся крановщик, находясь на приблизительно реалистичном стенде управления, соответствующем, например, кабине крановщика крана соответствующего типа, может вводить команды управления через предусмотренные средства ввода, например, джойстики, педали, управляющие переключатели или сенсорные экраны, с тем, чтобы можно было познакомиться по возможности реалистично с реакциями крана на такие команды управления. При этом на индикаторном устройстве, которое, как известно, может содержать несколько экранов, установленных в зоне видимости со стенда управления, создаётся виртуальное изображение окружающей кран среды, а также видимых со стенда управления компонентов крана, например, стрелы и грузовых крюков, причём виртуальное изображение окружающей кран среды и компонентов крана рассчитывается графическим имитирующим модулем с учётом введённых команд управления.

Если, например, кран повернётся вокруг вертикальной оси или будет введена соответствующая команда управления, то графический имитирующий модуль рассчитает изображение окружающей кран среды таким образом, что она будет перемещаться на дисплее справа налево или наоборот, вследствие чего изображённая на индикаторном устройстве виртуальная окружающая кран среда будет перемещаться подобным образом мимо крановщика, как это и происходит в кабине крановщика при «истинном» повороте крана. Если же, с другой стороны, вводится команда управления, по которой , например, грузовой крюк опускается и/или стрела раскачивается, то графический имитирующий модуль изменит виртуальное изображение таким образом, что грузовой крюк будет совершать движение вниз на индикаторном устройстве или стрела будет раскачиваться. В результате такой реалистичной имитации работы крана крановщику будет проще получить ощущение того, что является реакциями при приведении в действие средств ввода на стенде управления.

Такое моделирующее устройство для крана известно, например, из источника DE 10 2013 011818 А1. В нём кабина крановщика выполнена в виде стенда управления с соответствующими средствами ввода, причём обзорные окна или остекление воспроизводимой кабины крановщика заменены экранами, на которых демонстрируется виртуальное изображение окружающей кран среды.. Посредством технического имитирующего модуля при этом также должно имитироваться динамическое поведение компонентов управления и привода и учитываться при изображении на экране, причём здесь изображаются прежде всего происходящие при определённых движениях крана установочные движения компонентов крана, например, подъёмного механизма.

Однако у этого известного моделирующего устройства для крана степень реалистичности виртуального изображения является ограниченной. Во-первых, вследствие сложных расчётов процессов, необходимых для определения динамического поведения, происходит запаздывание срабатывания или запаздывание изображения виртуальной, связанной с краном действительности по сравнению с подлинными, происходящими в реальном времени реакциями крана, в частности, в том случае, когда требуется виртуально преобразовать одновременно несколько установочных движений. Во-вторых, интуитивная чувствительность реакций крана на определённые команды управления ограничена возникающими на экранах изображениями виртуальной окружающей кран среды.

Поэтому в основу изобретения положена задача создания усовершенствованного моделирующего устройства указанно выше типа, в котором устранены недостатки прототипа и который является его оптимальным вариантом развития. В частности, должна быть обеспечена близкая к реальности имитация работы крана или машины, которая повышает эффект тренировки, лучше информирует о фактическом поведении крана или машины и упрощает обучение.

Согласно изобретению указанная задача решается посредством моделирующего устройства согласно пункту 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты выполнения изобретения являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения.

Предложено изображать реакции крана или машины на вводимые со стенда управления команды управления, например, в виде движений крана и/или его деформаций не только в виде виртуального изображения на индикаторном устройстве, но также преобразовывать в фактическое движение стенда управления, сопровождающее реакцию крана или машины, с тем, чтобы можно было сообщить и ознакомить пользователя моделирующим устройством с динамическими реакциями ближе к действительности. Стенд управления, который может содержать, например, кресло оператора, более не монтируется статически жёстко в помещении или на полу, а является подвижным благодаря приводному устройству. Согласно изобретению стенд управления установлен подвижно и совершает движения под действием приводного устройства в зависимости от движений, определяемых модулем имитации движений, и/или деформаций компонентов машины. Если модуль имитации движений задаёт отклонения компонентов машины, например, башни крана, вследствие установочных движений или деформаций, которые воздействовали бы на положение подлинной кабины крановщика, то приводное устройство соответственно управляется устройством управления приводом для воспроизведения движения кабины крановщика и приведения в движение соответственно стенда управления. Если, например, на стенде управления вводится команда поворота крана вокруг вертикальной оси, то стенд управления разворачивается приводным устройством соответственно вокруг вертикальной оси. Если, например, введена команда на подъём тяжёлого груза, что в реальности может легко вызвать продольную качку конструкции крана при незначительном скручивании башни, то стенд управления приводным устройством перемещается незначительно вперёд и/или слегка наклоняется вперёд.

Для достижения по возможности близкого к реальности воспроизведения происходящих во время подлинной эксплуатации движений стенда управления, приводное устройство может быть выполнено с возможностью движения по нескольким осям и/или может быть выполнено способным совершать вращающиеся и поступательные движения. В частности, стенд управления может быть установлен с возможностью движения по нескольким осям, приводное устройство может содержать, по меньшей мере, одну вертикальную ось вращения и, по меньшей мере, одну горизонтальную ось качения и/или две горизонтальных оси для поступательного движения. Для воспроизведения также сложных движений стенда управления приводное устройство может иметь три оси вращения или качения или может быть выполнено с тремя осями вращения или тремя осями поступательного движения, в результате чего стенд управления может поворачиваться или наклоняться вокруг трёх пространственных осей и перемещаться поступательно во всех трёх пространственных направлениях. В зависимости от моделируемого типа крана или машины можно рассматривать и более простые варианты выполнения приводного устройства с меньшим числом осей движения.

Согласно другому аспекту модуль имитации движений может быть выполнен таким образом, что конструкция крана или машины не будет считаться жёсткой, так сказать, бесконечно жёсткой, а упруго деформируемой и/или упругой и/или относительно мягкой, которая дополнительно к осям машины для установочных движений, как, например, ось качения стрелы или ось вращения башни, допускает движения и/или изменения положения вследствие деформации конструктивных элементов. Принятие во внимание подвижности конструкции машины вследствие деформаций конструкции под действием груза или динамических нагрузок известно как раз в отношении вытянутых, гибких и обусловленных статическими и динамическими краевыми условиями, выполненных с учётом необходимой безопасности конструкций, имеющих важное значение для кранов, так как в этом случае дополнительно добавляются ощутимые компоненты движения, например, для кабины крановщика, а также положение грузового крюка при деформациях конструктивных элементов. Для того, чтобы сделать возможным действительно реалистичное обучение или обеспечить приближённую к реальности тренировку, модулем имитации движений учитываются такие деформации конструкции машины под действием статических и динамических нагрузок.

В частности, определяющее устройство для определения таких структурных деформаций может содержать вычислительный блок, с помощью которого рассчитываются данные структурные деформации на основе содержащейся в памяти расчётной модели в зависимости от введённых на стенде управления команд управления. Такая модель может быть построена аналогично модели конечных элементов или быть моделью конечных элементов, при этом однако предпочтительно применяется модель, заметно упрощённая по сравнению с моделью конечных элементов, которая может быть определена, например, эмпирически путём регистрации структурных деформаций при определённых командах управления и/или режимах нагрузки, приходящейся на подлинный кран или машину. Такая вычислительная модель может применяться, например, с таблицами, в которых с определёнными командами управления соотнесены определённые виды деформации, причём промежуточные значения команд управления могут быть пересчитаны в соответствующие деформации посредством интерполирующего устройства.

Применение такой упрощённой по сравнению с моделью конечных элементов вычислительной модели позволяет быстрее определять структурные деформации и следовательно выполнять более близкое к реальности моделирование движений машины в реальном или почти реальном масштабе времени при малом объёме вычислений.

Структурные частичные деформации, учтённые модулем имитации движений, могут учитываться, с одной стороны, при управлении приводным устройством для приведения в движение стенда управления, в результате чего стенд управления имитирует вызываемые структурными частичными деформациями движения стенда управления. В качестве альтернативы или дополнения определённые структурные частичные деформации могут учитываться и при расчёте виртуального изображения окружающей машину среды или видимых в ней компонентов машины, например, в том отношении, что в виртуальном изображении показан прогиб стрелы или что горизонт над окружающей кран средой несколько смещён вверх для имитации лёгкого наклона вперёд кабины крановщика в результате, например, деформации башни.

Для дополнительного повышения ощущения реальности пользователем моделирующего устройства следующим аспектом предусмотрено, чтобы на индикаторном устройстве были показаны создаваемые графическим имитирующим модулем виртуальные изображения из моделируемого мира с прямыми изображениями со стенда управления, которые могут показывать, например, движения пользователя моделирующим устройством. В частности, на индикаторном устройстве могут быть изображены одновременно и с наложением, с одной стороны, производимые графическим имитирующим модулем виртуальные изображения окружающей машину среды и видимые в ней компоненты машины, и, с другой стороны, полученные на стенде управления прямые изображения камеры прямой передачи. Такое наложение изображений из мира моделирования на изображения прямой передачи придаёт пользователю моделирующим устройством особенно острое чувство реальности.

Предпочтительно для этих целей применяется в качестве индикаторного устройства удерживаемое на голове, в частности, выполненное в виде очков, индикаторное устройство, например, в виде виртуально-реальных очков, и предпочтительно также удерживаемой на голове, выполненной, например, в виде закреплённой на каске камеры или встроенной в упомянутые виртуально-реальные очки камеры, которая создаёт названные прямые изображения, которые вместе с искусственно созданными виртуальными изображениями демонстрируются на индикаторном устройстве, в частности, на виртуально-реальных очках.

Названная камера для получения прямых изображений может быть предпочтительно стереоскопической камерой, которая создаёт стереоскопические изображения предпочтительно, по меньшей мере, с направлением камеры, совпадающим с направлением взгляда обоих глаз пользователя, которые могут вставляться в определённом месте индикаторного устройства, в частности, виртуально-реальных очков. Этим достигается особо близкое ощущение реальности пользователем.

Однако в принципе возможно накладывать изображения из мира моделирования на указанные прямые изображения на обычном экране, при этом, например, пользователь может иметь у себя на голове камеру прямой передачи, которая создаёт, по меньшей мере, приблизительно соответствующие направлению взгляда пользователя изображения, в результате чего на индикаторном устройстве, например, в виде нескольких экранов может быть показана прямо заснятая рука пользователя или прямо заснятая часть стенда управления. Однако более соответствующая реальности и следовательно с большим впечатлением воспринимаемая имитация может достигаться путём наложения на визуальные поверхности виртуально-реальных очков.

Суперпозиционное устройство для наложения прямых изображений камеры на виртуальное изображение графического имитирующего модуля может быть предпочтительно выполнено в соответствии с так называемой техникой «зелёного экрана» (Green-Screen-Technik), причём суперпозиционное устройство распознаёт в прямом изображении цветные поверхности заданного цвета и затем эти участки изображения заменяются виртуальным изображением из имитирующего модуля. Для этого предпочтительно стенд управления может содержать стенку кабины машиниста, в которой оконные участки, например, в соответствии с обзорными окнами подлинной кабины крановщика, выкрашены в основной цвет, который по возможности отчётливо отличается от остальных цветов других находящихся в поле обзора камеры компонентов, как, например, цвет оконных рам, средств ввода, одежды оператора и цвет кожи, в результате чего полученное на стенде управления прямое изображение показывает эти окрашенные поверхности в определённом цветовом воспроизведении, в то время как все остальные поверхности изображения представлены в других цветах. Поверхности или частичные поверхности прямых изображений, окрашенные в указанный основной цвет, например, зелёный, заменяются затем на виртуальное изображение окружающей машину среды и/или видимых в ней компонентов машины, вследствие чего наложенное изображение или отображение показывает, с одной стороны, стенд управления моделирующего устройства, компоненты которого и части тела пользователя, находящегося в поле обзора камеры прямой передачи, показаны подлинными в качестве прямого изображения, и, с другой стороны, показывает на оконных участках стенки кабины крановщика, заснятых камерой с прямой передачей, виртуальное изображение окружающей машину среды и видимые в ней компоненты машины.

Названное виртуальное изображение окружающей машину среды может быть предпочтительно изменено графическим имитирующим модулем и в зависимости от разных записей данных, введённых через интерфейс в имитирующий модуль, могут быть выбраны разные сценарии. В частности, данные проектирования, например, данные автоматизированного проектирования (CAD: Computer-Aided Design), возводимого сооружения и/или фактические данные строительной площадки, которые в зависимости от хода строительства отражают фактическое состояние возводимого здания или сооружения, вводятся через соответствующий информационный интерфейс в имитирующий модуль и затем используются этим модулем для получения или адаптации виртуального изображения окружающей машину среды в соответствии с введённой записью данных, в частности, в зависимости от введённых данных проектирования и/или фактических данных строительной площадки.

Увязка графического имитирующего модуля с информацией о строительной площадке или сооружении позволяет целенаправленно использовать моделирующее устройство для тренинга, касающегося выполняемых работ по определённому сооружению или определённой строительной площадке. Если, например, требуется выполнить сложное подъёмное движение краном, при котором необходимо мастерски провести груз мимо разных препятствий и, например, уложить на невидимом участке стройплощадки, то в этом также можно неоднократно тренироваться с помощью моделирующего устройства.

Названная информация, касающаяся строительных площадок или сооружений, может присутствовать в указанных выше данных для автоматизированного проектирования или иных геометрических данных сооружения или строительной площадки, при этом в случае необходимости могут применяться и цифровые визуальные данные, отображающие фактическое сооружение или ход его выполнения. Такие визуальные данные могут вводиться в качестве данных об окружающей машину среде через указанные интерфейс автоматизированного проектирования в графический имитирующий модуль, который затем виртуальное изображение приведёт в соответствие с данными автоматизированного проектирования и/или визуальными данными.

Моделирование запланированной или уже существующей или частично используемой строительной площадки и соответствующее изготовление виртуального изображения окружающей машину среды посредством графического имитирующего модуля является, в частности, ценным вспомогательным средством для обеспечения логистики на строительной площадке и для моделирования и тренинга критическим событиям ещё до начала строительства .

В качестве варианта развития изобретения может быть также предусмотрено применение моделирующего устройства в качестве устройства дистанционного управления для «подлинного» крана, строительной машины или средства напольного транспорта, при этом предпочтительно предусмотреть между краном, строительной машиной и/или средством напольного транспорта, с одной стороны, и моделирующим устройством, с другой стороны, линию связи, через которую возможна передача введённых на стенде управления моделирующего устройства команд управления в устройство управления крана, строительной машины и/или средства напольного транспорта. «Подлинный» кран или соответственно дистанционно управляемое «подлинное» устройство выполняет введённые на стенде управления моделирующего устройства команды управления, одновременно на создаваемом моделирующим устройством виртуальном изображении окружающей кран среды и видимых в ней компонентов машины можно видеть, как кран выполняет команды управления. При этом может быть предусмотрено, чтобы зарегистрированные на подлинном кране параметры движений и сигналы датчиков подавались обратно на моделирующее устройство и там применялись для получения виртуального изображения окружающей кран среды с тем, чтобы гарантировалось, что действительно изображение, соответствующее подлинной окружающей кран среде и его положению, показано на индикаторном устройстве моделирующего устройства.

Независимо от указанной опции применения в качестве позиции дистанционного управления в моделирующем устройстве моделирующее вычислительное устройство не может рассчитать все необходимые для моделирования параметры движения, а только, по меньшей мере, частично путём эмуляции данных с применением действительно подвижных компонентов аппаратного обеспечения, входящих в состав моделирующего устройства. Такой модуль информационной эмуляции моделирующего устройства может содержать, в частности, компоненты сервопривода и/или компоненты силовой полупроводниковой техники, посредством которых действительно могут совершаться установочные движения, имитирующие подлинные движения крана или машины и обеспечивающие характеризующими эти движения данными, например, в виде сигналов датчика, воспроизводящих установочные движения упомянутых компонентов привода. Благодаря такой информационной эмуляции можно получать заметно быстрее и при меньшем объёме вычислений параметры движения и/или положения, которые затем дополнительно могут применяться для имитации движений, что обеспечивает реалистичность моделирования в реальном или почти реальном времени.

Для особо быстрого реалистичного определения движений компонентов машины в зависимости от введённых на стенде управления команд управления названный модуль имитации движений, согласно другому аспекту, может быть выполнен в виде гибридного устройства или гибридного модуля, содержащего, с одной стороны, вычислительное устройство для моделирования параметров движения и/или положения и, с другой стороны, по меньшей мере, схожие с подлинными сервоприводами крана или машины компоненты аппаратного обеспечения, такие. как узлы привода, датчики угла поворота или преобразователи частот, посредством которых имитируются установочные движения и определяются параметры движения и/или положения. В частности, применяются «подлинные» компоненты аппаратного обеспечения, встроенные также в имитируемый кран или имитируемую машину в виде деталей сервопривода и/или устройства управления.

В частности, модуль имитации движений может содержать электрошкаф или, по меньшей мере, часть электрошкафа, и его компоненты, применяемый в моделируемой машине и образующий в ней часть управляющего устройства машины. В частности, может применяться силовая полупроводниковая техника и/или, по меньшей мере, часть этой техники, например, преобразователь частоты, для имитации установочных движений, вызываемых вводом команд управления на стенде управления.

Кроме того в качестве варианта развития изобретения могут применяться узлы сервопривода, например, в виде серводвигателей, обеспечивающих эмуляцию движений сервопривода имитируемой машины или её компонентов. Предпочтительно в данном случае применяется для соответствующей оси сервопривода узел привода, например, в виде узла сервопривода, управляемого, в частности, посредством названного выше преобразователя частоты, в соответствии с командой управления, и который может быть предпочтительно соединён с другим узлом привода, например, в виде узла сервопривода, посредством которого может обеспечиваться противодействующий момент и/или противовес для имитации действительно возникающих нагрузок, сопротивлений или моментов инерции. Так, например, с помощью названного второго узла привода можно имитировать груз, противодействующий подъёмному механизму, или может имитироваться момент ветровой нагрузки, противодействующий приводу поворотного механизма.

Установочное движение указанного первым узла привода, выполняемое при необходимости с учётом происшедшего противодействующего момента или противовеса, может регистрироваться соответствующим устройством регистрации, причём соответствующий регистрирующий сигнал воспроизводит действительно достигнутое установочное движение и может применяться в качестве сигнала датчика при последующем моделировании, в частности, для определения названным выше способом движений и/или положений и/или деформаций конструктивных элементов и/или для имитации виртуального изображения окружающей машину среды и/или видимых в ней компонентов машины.

Предпочтительно применяется несколько таких узлов привода или несколько пар таких узлов привода, состоящих из привода, привода противовеса и соответствующего устройства регистрации для того, чтобы можно было определить разные оси для установочного движения и выполняемые для этого установочные движения моделируемого режима работы машины.

Значения датчиков узлов привода осей установочного движения, которые приводятся в действие и движение в зависимости от введённых на стенде управления команд управления, согласно другому аспекту, моделируются и рассчитываются не с помощью математической модели, а посредством компонентов аппаратного обеспечения, которые по возможности приближаются к подлинным компонентам сервопривода моделируемой машины, подвергаются эмуляции или дополнительной регулировке и выдаются непосредственно в виде фактических значений датчиков.

Благодаря такой информационной системе эмуляции модуль имитации движений может определять намного быстрее и с меньшим объёмом вычислений движения и/или положения компонентов машины, в результате чего значительно быстрее и ближе к реальности могут создаваться виртуальное изображение окружающей машину среды и/или компонентов машины и связанные с этим установочные движения машинного стенда. Кроме того на стенде управления могут быть показаны произведённые сигналы датчиков и/или применены для последующих контрольных мероприятий, таких, как контроль за нагрузкой или ограничения рабочей зоны, которые могут индицироваться и/или имитироваться на стенде управления.

Если моделирующее устройство применяется для моделирования башенно- поворотного крана и его работы, то указанные выше пары узлов привода для выполнения соответствующих установочных движений и получения соответствующего противодействующего момента или противовеса могут соответствовать, в частности, поворотному механизму башни или, при наличии верхнего вращателя, вращательному механизму стрелы и ходовому механизму тележки.

Ниже изобретение подробнее поясняется с помощью предпочтительного варианта выполнения и соответствующих чертежей. При этом на чертежах изображено:

фиг. 1 – схематическое изображение компонентов моделирующего устройства для крана согласно предпочтительному варианту выполнения изобретения;

фиг. 2 – схематическое изображение компонентов аппаратного обеспечения для информационной эмуляции модуля имитации движений;

фиг. 3 – схематическое, выполненное в виде блок-схемы изображение всей конструкции моделирующего устройства, показанного на предыдущих фигурах, при функциональном взаимодействии его компонентов.

Как показано на фиг. 1, моделирующее устройство 1 может быть выполнено в виде моделирующего устройства для крана, содержащего стенд 2 управления в виде кабины крановщика, которая по существу является «подлинной» кабиной крановщика, применяемой на кране, например, башенно-поворотном, портовом или морском или подвижном телескопическом кранах.

Указный стенд управления 2 может содержать известным образом сиденье 21 оператора, например, в виде кресла 20, вокруг которого расположены разные средства 18 ввода команд управления. Этими средствами 18 ввода могут служить, например, джойстик, сенсорный экран, рычаг управления, клавиши и включатели ввода, поворотные регуляторы, скользящие регуляторы и пр.

Место оператора окружено стенкой 22 кабины крановщика, которая может соответствовать оформлению кабины и может иметь оконные участки, которые в подлинных кабинах крановщиков застеклены, но в данном случае окрашены в определённый цвет, например, оклеены зелёной плёнкой, чтобы посредством зелёной экранной техники передать виртуальную окружающую машину среду, как это дополнительно поясняется ниже.

Стенд 2 управления смонтирован на подвижной платформе 7, посредством которой стенд 2 управления выполнен подвижным по нескольким осям. При этом подвижная платформа 7 выполнена предпочтительно с возможностью движения по нескольким осям, в частности, с возможностью наклоняться или поворачиваться по всем трём пространственным осям x, y, z и поступательно смещаться вдоль этих осей.

При этом оси x, y, z движения подвижной платформы 7 связаны с исполнительными элементами приводного устройства 8, например, в виде электродвигателей и/или гидроцилиндров и/или гидродвигателей для придания движения стенду 2 управления вокруг или вдоль указанных осей.

При этом приводное устройство 8 управляется устройством 24 управления движением, которое может быть выполнено, например, с применением компьютера промышленного типа.

Упомянутое устройство 24 управления движением может, в частности, входить в состав модуля 10 имитации движений, посредством которого могут быть определены движения крана и/или положения и/или направления компонентов крана , например, стрелы или башни, а также скручивание конструктивных элементов, например, стрелы или башни, в зависимости от вводимых на стенде 2 управления команд управления. Указанный модуль 10 имитации движений определяет так сказать воздействие введённых команд управления на подлежащий моделированию кран, т. е. какие движения, положения, направления и скручивания компонентов крана произойдут вследствие введённых команд управления на моделируемом кране и выдаёт соответствующие, характеризующие приведённые величины сигналы движения.

Названный модуль 10 имитации движений не определяет или определяет не полностью упомянутые величины движений путём расчёта посредством вычислительной модели, а он обращается к действительным компонентам аппаратного обеспечения в виде приводных или управляющих компонентов, выполняющих действительные движения и воспроизведённых в соответствии с компонентами аппаратного обеспечения подлинного крана.

Как показано на фигурах 2 и 3 более подробно, модуль 10 имитации движений содержит, по меньшей мере, существенные компоненты управляющего устройства 25 крана, как это выполнено, например, в электрошкафе крана. В частности, это управляющее устройство 25 крана содержит преобразователи 15 частоты для разных приводов крана, например, для поворотного механизма, ходовой части тележки и подъёмного механизма. Данное управляющее устройство 25 может при необходимости содержать другие элементы управления и/или силовой полупроводниковой техники, в частности, компоненты устройства контроля за грузом, компоненты устройства ограничения рабочего диапазона и пр.

Управляющее устройство 25 имеет линию связи со стендом 2 управления и его средствами 18 ввода, в результате чего управляющее устройство 25 в состоянии и дальше обрабатывать введённые команды управления, причём, в частности, преобразователи 15 частоты управляют в зависимости от введённых команд управления приводными узлами 12, например, в виде сервоприводов. Команды управления, введённые на стенде 2 управления, преобразуются следовательно в реальные движения или моменты или усилия приводных узлов 12.

При этом такие приводные узлы 12 могут сцепляться с узлами 14 контрпривода, через которые к приводным узлам 12 могут присоединяться сопротивления движения для имитации подлинных сопротивлений, таких, как нагрузка при подъёме, ветровая энергия, инерция или динамические нагрузки. Эти узлы 14 контрпривода могут управляться с помощью упомянутого выше компьютера промышленного типа, которым также обеспечивается работа устройства 24 управления движениями. Управление узлами 14 контрпривода может при этом происходить с помощью разных предписанных величин или программ, например, путём задаваемых поднимаемых грузов, задаваемых ветровых программ или с помощью заданных функций или таблиц, например, динамических реакций при торможении ходовой части тележки или поворотного движения. Для этого в блоке памяти управляющего устройства могут храниться для управления узлами 14 контпривода соответствующие модели, таблицы или функции.

Как показано на фигурах 2 и 3, узлам 12 привода соответствуют устройства 13 регистрации, например, в виде датчиков угла поворота или иных датчиков положения и/или движения, посредством которых вырабатываются сигналы о движении или положении, которые характеризуют установочные движения приводных узлов 12 . Следовательно, модуль 10 имитации движений вырабатывает подлинные сигналы датчика в качестве параметров движения, которые, с одной стороны, могут индицироваться на стенде 2 управления и, с другой стороны, применяться для последующих функций моделирования. В частности, в зависимости от названных сигналов движения, обеспечиваемых датчиком угла поворота, могут определяться скручивания конструкции, например, изгибы башни, изгибы стрелы и подобные деформации с помощью вычислительной модели, приводное устройство 8 подвижной платформы 7 может управляться для перемещения стенда 2 управления, может создаваться виртуальное изображение окружающей кран среды в зависимости от названных, реально созданных сигналов датчика.

Как показано на фиг. 3, модуль 10 имитации движений может содержать вычислительный блок 11, который в свою очередь может быть образован упомянутым выше компьютером промышленного типа, посредством которого в зависимости от вводимых на стенде 2 управления команд управления и/или эмулированных данных, которые образуются устройством 19 информационной эмуляции или сигналами датчиков, произведёнными соответствующим приводным узлам 12 регистрационным устройством 13, определяются скручивания конструкции, в частности, изгибы и кручение башни крана и стрелы, при этом вычислительный блок 11 использует с этой целью вычислительную модель, учитывающую жёсткость конструкции, как пояснялось выше.

На основе указанных эмулированных данных о движении и выведенных отсюда данных о деформации посредством устройство 24 управления движениями управляют приводным устройством 8 подвижной платформы 7 для приведения в движение стенда 2 управления и воспроизведения подлинных движений кабины крановщика, которые произошли бы в подлинном кране при вводе соответствующих команд управления.

Кроме того названные данные о движении и при необходимости также названные данные о деформации применяются для учёта реакций крана в виртуальном изображении, создаваемом графическим имитирующим модулем 9 и показываемом индикаторным устройством 3. При этом данное виртуальное изображение показывает, в частности, окружающую кран среду и видимые в ней компоненты крана, например, стрелу крана и грузовой крюк, и по существу может соответствовать картине, наблюдаемой крановщиком из своей кабины. Это виртуальное изображение в виде цифрового изображения, подобного фотографии или кинокадру, может соответствовать , например, пиксельному многоцветному изображению. В качестве альтернативы может быть также предусмотрено упрощённое графическое изображение, хотя предпочтительным является по возможности реалистичное, подобное фотографии или кинокадру изображение.

При этом предпочтительно на указанное виртуальное изображение окружающей кран среды и видимых в ней компонентов крана накладывается прямое изображение, показывающее реальные компоненты стенда 2 управления, в частности, начиная с головы пользователя моделирующим устройством в направлении его взгляда, видимые конструктивные элементы, такие, как средства 18 ввода, а также руки и предплечье пользователя и другие находящиеся в поле зрения компоненты.

Для этого предпочтительно предусмотрена камера 16, которая может быть выполнена в виде располагаемой на голове пользователя камеры и иметь соответствующие крепёжные и/или фиксирующие средства для крепления на голове, например, иметь вид шлема с камерой. Если индикаторное устройство 3 выполнено в виде виртуально-реальных очков 4, которые пользователь применяет, то камера 16 может быть встроена в эти очки.

При этом камера предпочтительно выполнена в виде стереоскопической камеры для получения стереоскопических изображений в соответствии с осями взгляда обоих глаз пользователя.

Суперпозиционное устройство 17 для наложения созданного графическим имитирующим модулем 9 виртуального изображения окружающей кран среды на прямое изображение камеры 16 может содержать, в частности, цветовой модуль 26 обработки изображений, работающий в соответствии с так называемой техникой “Green-Screen”. В частности, этот цветовой модуль 26 обработки изображений способен распознавать в прямом изображении камеры 16 участки изображения, обладающие определённым, отличающимся от остальной частичной поверхности изображения цветом, затем эти участки изображения заменяются виртуальным изображением, поступающим из имитирующего модуля 9.

Для этого предпочтительно стенд 2 управления содержит стенку 22 кабины крановщика, на которой основным цветом окрашены оконные участки 23, например, в соответствии с обзорными окнами подлинной кабины крановщика, при этом основной цвет отличается по возможности отчётливо от остальных цветов других расположенных в поле обзора камеры компонентов, например, оконных рам, средств 18 ввода, спецовки оператора и цвета кожи, в результате чего заснятое на стенде 2 управления прямое изображение показывает упомянутые окрашенные поверхности при определённом цветовом воспроизведении, в то время как все остальные поверхности изображения показаны в других цветах. Поверхности прямых изображений или их частичные поверхности, окрашенные основным цветом, например, зелёным, заменяются затем виртуальным изображением окружающей машину среды и/или видимых в ней компонентов машины, создаваемым графическим имитирующим модулем 9, в результате чего наложенное изображение, с одной стороны, показывает стенд 2 управления моделирующего устройства, его компоненты и находящиеся в поле обзора камеры прямой передачи части тела пользователя подлинно в виде прямого изображения и, с другой стороны, на заснятых прямой камерой 16 оконных участках 23 стены 22 кабины крановщика показано виртуальное изображение окружающей машину среды и видимых в ней компонентов машины.

Названное виртуальное изображение окружающей машину среды может быть предпочтительно изменено графическим имитирующим модулем 9 и приспособлено в зависимости от разных записей данных, вводимых через интерфейс в имитирующий модуль, к разным сценариям. В частности, проектные данные, например, данные автоматизированного проектирования возводимого сооружения и/или фактические данные строительной площадки и/или визуальные данные, которые в зависимости от хода строительства воспроизводят фактическое состояние строящегося здания или сооружения, могут вводиться через соответствующий информационный интерфейс, например, интерфейс для автоматизированного проектирования (CAD) и/или интерфейс визуальных данных в имитирующий модуль 9 и использоваться этим модулем 9 для того, чтобы виртуальное изображение окружающей машину среды создавалось или адаптировалось в соответствии с введённой записью данных, в частности, в зависимости от введённых данных проектирования и/или фактических данных строительной площадки.

Claims (27)

1. Моделирующее устройство для крана, строительной машины или напольного транспортера, имеющее

стенд (2) управления, по меньшей мере, со средством (18) для ввода команд управления,

графический модуль (9) имитации для расчёта виртуального изображения окружающей машину среды и видимых из стенда (2) управления компонентов машины, а также

индикаторное устройство (3) для индикации рассчитанного виртуального изображения, причем

предусмотренный модуль (10) имитации движений для определения движений и/или деформаций компонентов машины, например стрелы крана или грузового крюка, в зависимости от введённых команд управления,

графический модуль (9) имитации, выполненный для осуществления расчёта виртуального изображения в зависимости от определённых движений и/или деформаций,

стенд (2) управления, установленный подвижно, и

предусмотренное приводное устройство (8) для приведения в движение стенда (2) управления в зависимости от движений и/или деформаций, определяемых модулем (10) имитации движений,

отличающееся тем, что

предусмотрена камера (16) для регистрации прямых изображений в стенде (2) управления, а, по меньшей мере, для индикаторного устройства (3) предусмотрено устройство (17) наложения для наложения в индикаторном устройстве (3) генерируемого графическим модулем (9) имитации виртуального изображения на поступающее с камеры (16) прямое изображение,

стенд (2) управления имеет стенки кабины крановщика с выполненными в ней обзорными окнами, причем указанные обзорные окна окрашены в определённый цвет, причем графический модуль (9) имитации и/или устройство (17) наложения имеет цветочувствительный блок для высвечивания виртуального изображения в поверхности образованного камерой (16) прямого изображения, окрашенные в указанный выше определённый цвет, и

стенд (2) управления установлен на подвижной платформе (7), в которую встроено приводное устройство (8).

2. Моделирующее устройство по п. 1, в котором стенд (2) управления установлен подвижно по нескольким осям, а приводное устройство (8) имеет несколько осей (x, y, z) для совершения движений, предпочтительно по нескольким осям вращательного движения и/или по нескольким осям поступательного движения, которыми манипулируют в зависимости от введённых в стенде (2) управления команд управления.

3. Моделирующее устройство по п. 2, в котором камера (16) имеет держатель для крепления на голове пользователя симулятором и/или выполнена в виде камеры для ношения на голове и/или каске, в частности, в виде стереоскопической камеры для получения стереоскопических изображений, находящихся, по меньшей мере, приблизительно в направлении взгляда пользователя симулятором.

4. Моделирующее устройство по любому из пп. 1-3, в котором, по меньшей мере, одно индикаторное устройство (3) имеет фиксатор для крепления на голове пользователя симулятором и/или выполнено в виде индикаторных очков, в частности очков виртуальной реальности со встроенной камерой (16).

5. Моделирующее устройство по любому из пп. 1-4, в котором предусмотрена линия коммуникации для передачи введенных в стенде (2) управления команд управления на кран и для приема зафиксированных краном параметров движения и сигналов датчиков, причем графический модуль (9) имитации выполнен для адаптирования виртуального изображения окружающей машину среды в зависимости от принятых краном по линии коммуникации параметров движения и сигналов датчиков.

6. Моделирующее устройство по любому из пп. 1-5, в котором графический модуль (9) имитации имеет информационный интерфейс для введения данных о сооружении и строительной площадке и устройство для обработки изображений, предназначенное для создания и адаптации виртуального изображения окружающей машину среды в зависимости от введённых данных о строительной площадке и сооружении.

7. Моделирующее устройство по п. 6, в котором указанный информационный интерфейс является интерфейсом для автоматизированного проектирования, а устройство для обработки изображений выполнено для создания и/или адаптации виртуального изображения окружающей машину среды в зависимости от данных автоматизированного проектирования, вводимых через интерфейс для автоматизированного проектирования и/или интерфейсом для визуальных данных, а устройство для обработки изображений выполнено для создания и/или адаптации виртуального изображения окружающей машину среды в зависимости от преимущественно цифровых визуальных данных, вводимых через интерфейс для визуальных данных.

8. Моделирующее устройство по любому из пп. 1-7, в котором модуль (10) имитации движений имеет определитель деформаций конструктивных элементов моделируемой машины в зависимости от введённых в стенде (2) управления команд управления, причём указанный определитель имеет вычислительный блок (11) для расчёта деформации конструктивных элементов на основе хранящейся в памяти модели конструктивных элементов.

9. Моделирующее устройство по п. 8, в котором графический модуль (9) имитации выполнен для создания виртуального изображения в зависимости от рассчитанных деформаций конструктивных элементов и/или предусмотрено управляющее устройство для управления приводным устройством (8) в зависимости от рассчитанных деформаций конструктивных элементов.

10. Моделирующее устройство по любому из пп. 1-9, в котором модуль (10) имитации движений имеет устройство (19) для эмуляции данных о движении моделируемой машины, причём указанное устройство (19) для эмуляции данных имеет, по меньшей мере, компонент сервопривода для совершения установочных движений в зависимости от введённой в стенде (2) управления команды управления, а также устройство для регистрации указанных установочных движений и генерирования соответствующего сигнала о движении.

11. Моделирующее устройство по п. 10, в котором устройство (19) для эмуляции данных имеет, по меньшей мере, приводной узел (12) для совершения установочных движений сервоприводом в зависимости от введённых в стенде (2) управления команд управления и устройство (13) для регистрации движений приводного узла (12) и генерирования сигнала о движении и/или позиционного сигнала, причем модуль (10) имитации движений имеет, по меньшей мере,

• дополнительный приводной узел (14) для создания противодействующего момента и/или противовеса, и дополнительный приводной узел (14) выполнен с возможностью состыковки с указанным приводным узлом (12),

• компонент регулирования мощности, в частности, в виде частотного преобразователя (15) для управления, по меньшей мере, одним приводным узлом (12) и

• коммутаторный шкаф и/или блок управления, которые соответствуют коммутаторному шкафу и/или блоку управления моделируемой машины или воспроизводят их.

12. Применение моделирующего устройства по любому из пп. 1-11 в качестве устройства дистанционного управления краном, строительной машиной или напольного транспортера.

13. Система, состоящая из моделирующего устройства (1), выполненного по любому из пп. 1 – 11, а также крана, строительной машины или напольного транспортера, причем между краном, строительной машиной и/или напольным транспортером, с одной стороны, и моделирующим устройством (1), с другой стороны, предусмотрена линия коммуникации, по которой введённые в стенде (2) управления моделирующего устройства (1) команды управления передаются в управляющее устройство крана, строительной машины и/или напольного транспортера.

Images