本發(fā)明屬于起重機(jī)控制技術(shù)領(lǐng)域以及虛擬仿真模擬駕駛培訓(xùn)領(lǐng)域，具體地說(shuō)，是一種集裝箱門(mén)式起重機(jī)模擬操作全景仿真系統(tǒng)及利用該系統(tǒng)進(jìn)行集裝箱門(mén)式起重機(jī)模擬操作培訓(xùn)的方法。

背景技術(shù)：

集裝箱運(yùn)輸已近成為世界貨運(yùn)的大趨勢(shì)。集裝箱門(mén)式起重機(jī)在現(xiàn)代物流中發(fā)揮著重要的作用。目前，集裝箱門(mén)式起重機(jī)駕駛員的培訓(xùn)是通過(guò)師傅帶徒弟的方式來(lái)學(xué)習(xí)。這種方法對(duì)新學(xué)員存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)、培訓(xùn)時(shí)間長(zhǎng)、對(duì)設(shè)備的耗損嚴(yán)重、還受培訓(xùn)器材等限制。另一方面，起重機(jī)作為一種特種設(shè)備，駕駛員應(yīng)學(xué)會(huì)一些特殊緊急情況下的處理方法，但在傳統(tǒng)的培訓(xùn)方式中除了一些理論知識(shí)外，沒(méi)有實(shí)際的處理緊急情況的鍛煉。隨著變頻傳動(dòng)技術(shù)及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，大量新技術(shù)、新產(chǎn)品及新工藝應(yīng)用于現(xiàn)代起重機(jī)，使起重機(jī)朝著機(jī)電一體化、信息智能化、大型化節(jié)能化、高效化的方向發(fā)展。集裝箱起重機(jī)駕駛培訓(xùn)與管理相對(duì)于傳統(tǒng)起重機(jī)及管理模式已經(jīng)發(fā)生了巨大的改變，對(duì)集裝箱起重機(jī)提出了更高的安全要求。

國(guó)外研究狀況：美國(guó)globalsim公司、英國(guó)tsi公司、荷蘭stc公司和瑞士abb公司等相繼研制起重機(jī)仿真操作系統(tǒng)。國(guó)外的仿真系統(tǒng)相對(duì)于國(guó)內(nèi)的起重機(jī)而言存在的缺點(diǎn)有：集裝箱起重機(jī)的型號(hào)與國(guó)內(nèi)的起重機(jī)不同；沒(méi)有適合國(guó)情的考評(píng)系統(tǒng)；價(jià)格昂貴。國(guó)內(nèi)華中科技大學(xué)、北京建筑大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)也有類似的仿真系統(tǒng)，但研究的對(duì)象較少的涉及集裝箱起重機(jī)，并且大部分仿真模型是數(shù)字仿真模型。

傳統(tǒng)的集裝箱起重機(jī)學(xué)員的培訓(xùn)安全性不高并且培訓(xùn)周期較長(zhǎng)。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷的成熟，以及相關(guān)配套的硬件設(shè)備、軟件業(yè)日益豐富，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在越來(lái)越多的領(lǐng)域得到了運(yùn)用。為此，研究與開(kāi)發(fā)集起重機(jī)機(jī)械、電氣控制、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)于一體的集裝箱門(mén)式起重機(jī)模擬操作全景仿真系統(tǒng)，用于集裝箱門(mén)式起重機(jī)駕駛員的培訓(xùn)成為可能。采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)集裝箱門(mén)式起重機(jī)司機(jī)的仿真培訓(xùn)是起重機(jī)發(fā)展的一個(gè)前沿課題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種集裝箱門(mén)式起重機(jī)模擬操作全景仿真系統(tǒng)及利用該系統(tǒng)進(jìn)行集裝箱門(mén)式起重機(jī)模擬操作的方法。

為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明技術(shù)方案如下：

一種集裝箱門(mén)式起重機(jī)模擬操作全景仿真系統(tǒng)，包括電氣控制硬件系統(tǒng)和全景仿真軟件系統(tǒng)：

電氣控制硬件系統(tǒng)包括起重機(jī)操作聯(lián)動(dòng)臺(tái)、plc控制系統(tǒng)、電氣控制柜、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、3d頭盔系統(tǒng)、以及pc機(jī)；其中：起重機(jī)操作聯(lián)動(dòng)臺(tái)包括多個(gè)檔位的主令控制器以及相關(guān)控制開(kāi)關(guān)，用于采集學(xué)員的操作命令；plc控制系統(tǒng)根據(jù)接收到的聯(lián)動(dòng)臺(tái)的操作信號(hào)，執(zhí)行內(nèi)部邏輯程序，并輸出執(zhí)行命令；電氣控制柜用于執(zhí)行plc控制系統(tǒng)的輸出指令；驅(qū)動(dòng)電機(jī)包含起升機(jī)構(gòu)電機(jī)、大車(chē)運(yùn)行電機(jī)、小車(chē)運(yùn)行電機(jī)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)受電氣控制柜的控制，用于發(fā)出真實(shí)的電機(jī)加減速聲響并產(chǎn)生振動(dòng)，從而模擬集裝箱裝卸作業(yè)工作環(huán)境；pc機(jī)中安裝全景仿真軟件系統(tǒng)，pc機(jī)與plc控制器通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)雙向通信；3d頭盔系統(tǒng)和pc機(jī)連接，用于全景仿真畫(huà)面的輸出顯示；

全景仿真軟件系統(tǒng)包括：虛擬三維建模系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實(shí)仿真軟件系統(tǒng)、三維虛擬場(chǎng)景輸出顯示系統(tǒng)、學(xué)員信息記錄數(shù)據(jù)庫(kù)、理論考試模塊、操作訓(xùn)練模塊、考評(píng)系統(tǒng)；其中：虛擬三維建模系統(tǒng)用于建立集裝箱貨場(chǎng)的三維模型并進(jìn)行渲染；虛擬現(xiàn)實(shí)全景仿真系統(tǒng)用于為起重機(jī)司機(jī)提供集裝箱起吊、旋轉(zhuǎn)以及卸載操作的vr虛擬訓(xùn)練；三維虛擬場(chǎng)景輸出顯示系統(tǒng)用于將虛擬現(xiàn)實(shí)仿真軟件系統(tǒng)的集裝箱起重機(jī)的裝卸作業(yè)過(guò)程畫(huà)面通過(guò)投影儀和3d頭盔進(jìn)行顯示；學(xué)員信息記錄數(shù)據(jù)庫(kù)包含學(xué)員個(gè)人的基本信息以及培訓(xùn)考核記錄資料；理論考試模塊包含起重機(jī)操作的基礎(chǔ)知識(shí)以及安全操作規(guī)范；操作訓(xùn)練模塊用于學(xué)員操作聯(lián)動(dòng)臺(tái)完成全景仿真模擬系統(tǒng)中的集裝箱裝卸作業(yè)操作；考評(píng)系統(tǒng)用于對(duì)學(xué)員的理論知識(shí)以及全景仿真模擬系統(tǒng)中的集裝箱裝卸作業(yè)操作進(jìn)行考核，并根據(jù)考核情況打分。

作為優(yōu)選方式，虛擬三維建模系統(tǒng)采用solidworks建立集裝箱貨場(chǎng)的三維模型，并導(dǎo)入到3dsmax中進(jìn)行渲染。

作為優(yōu)選方式，虛擬現(xiàn)實(shí)全景仿真系統(tǒng)是采用ogre驅(qū)動(dòng)集裝箱貨場(chǎng)模型資源，并采用visualstudio平臺(tái)對(duì)ogre圖形引擎進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。

作為優(yōu)選方式，所述虛擬三維建模系統(tǒng)，在集裝箱門(mén)式起重機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作特點(diǎn)基礎(chǔ)上，對(duì)集裝箱門(mén)式起重機(jī)以及貨場(chǎng)場(chǎng)景進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，采用三維建模工具3dsmax建立集裝箱起重機(jī)和貨場(chǎng)場(chǎng)景的三維動(dòng)態(tài)仿真模型，三維場(chǎng)景模型包括：集裝箱起重機(jī)、起重機(jī)行走軌道、集裝箱、火車(chē)、鐵路軌道，其中起重機(jī)、裝卸作業(yè)的集裝箱以及攝像機(jī)是運(yùn)動(dòng)的，其他的物體是靜態(tài)不動(dòng)的。

作為優(yōu)選方式，虛擬現(xiàn)實(shí)仿真軟件系統(tǒng)，利用ogremax將3dsmax中建立的起重機(jī)與貨場(chǎng)模型，轉(zhuǎn)換成ogre工程模型資源；應(yīng)用ogre圖形渲染引擎進(jìn)行圖形的渲染驅(qū)動(dòng)，基于visualstudio對(duì)ogre圖形渲染引擎編寫(xiě)程序，開(kāi)發(fā)出集裝箱起重機(jī)的全景仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)起重機(jī)操控實(shí)物電氣設(shè)備對(duì)虛擬仿真環(huán)境中的起重機(jī)進(jìn)行裝卸作業(yè)控制，三維模型作為ogre場(chǎng)景中的活動(dòng)對(duì)象，通過(guò)人機(jī)接口實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)三維模型的控制和操作；人機(jī)接口主要通過(guò)三種方式:ois接口、cegui接口以及聯(lián)動(dòng)臺(tái)用以太網(wǎng)與pc機(jī)通訊。

作為優(yōu)選方式，基于visualstudio平臺(tái)對(duì)ogre圖形渲染引擎編寫(xiě)程序時(shí)，對(duì)于鋼絲繩的升降問(wèn)題，通過(guò)給鋼絲繩添加一個(gè)邊界區(qū)域軸向平行包圍盒，并監(jiān)聽(tīng)邊界區(qū)域以內(nèi)的鋼絲繩，從而實(shí)現(xiàn)模擬鋼絲繩的升降操作；采用四元數(shù)旋轉(zhuǎn)方法實(shí)現(xiàn)鋼絲繩和集裝箱起重機(jī)吊具的360度旋轉(zhuǎn)；在集裝箱對(duì)位檢測(cè)中，分別給吊具以及被裝卸集裝箱一個(gè)邊界區(qū)域軸向平行包圍盒，判斷它們?cè)谒矫婵臻g范圍是否滿足規(guī)定的范圍誤差，如果吊具與集裝箱的空間位置誤差在允許范圍內(nèi)，則吊具完成集裝箱的對(duì)位作業(yè)；貨場(chǎng)內(nèi)物體的碰撞檢測(cè)算法采用軸對(duì)齊包圍盒方法，分別定義動(dòng)態(tài)物體和靜態(tài)物體的軸向平行包圍盒，然后判斷其是否相交，如果相交則發(fā)生碰撞，仿真系統(tǒng)發(fā)出碰撞警告，并同時(shí)將碰撞信息記錄到學(xué)員的培訓(xùn)數(shù)據(jù)庫(kù)中。

作為優(yōu)選方式，學(xué)員信息記錄數(shù)據(jù)庫(kù)，能夠添加、修改以及刪除學(xué)員的基礎(chǔ)個(gè)人信息，同時(shí)，能夠記錄學(xué)員的訓(xùn)練時(shí)間長(zhǎng)度、理論考試成績(jī)、操作訓(xùn)練的失誤以及每次訓(xùn)練的得分等情況。

為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明還提供一種利用上述系統(tǒng)進(jìn)行集裝箱門(mén)式起重機(jī)模擬操作的方法，該方法為：學(xué)員通過(guò)操作聯(lián)動(dòng)臺(tái)上的主令控制器發(fā)出控制命令，plc控制系統(tǒng)接收到命令信號(hào)后，執(zhí)行內(nèi)部控制程序，控制起重機(jī)大車(chē)運(yùn)行電機(jī)、小車(chē)運(yùn)行電機(jī)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)以及起升電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)控制命令通過(guò)以太網(wǎng)通訊方式傳輸給pc機(jī)；pc機(jī)驅(qū)動(dòng)全景仿真軟件系統(tǒng)使虛擬的集裝箱起重機(jī)執(zhí)行相對(duì)應(yīng)的大車(chē)運(yùn)動(dòng)、小車(chē)運(yùn)動(dòng)、吊具起升、吊具伸縮、吊具開(kāi)閉鎖的動(dòng)作，在虛擬仿真環(huán)境中實(shí)現(xiàn)對(duì)集裝箱門(mén)式起重機(jī)的裝卸作業(yè)過(guò)程的全景仿真操作訓(xùn)練，同時(shí)，通過(guò)投影儀顯示虛擬起重機(jī)的裝卸作業(yè)畫(huà)面，學(xué)員帶上3d頭盔，實(shí)現(xiàn)360度全景觀察集裝箱貨場(chǎng)的裝卸作業(yè)情況，學(xué)員的操作信息被記錄在學(xué)員信息數(shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)，根據(jù)考評(píng)系統(tǒng)，對(duì)學(xué)員的理論知識(shí)考核以及實(shí)際集裝箱裝卸作業(yè)操作進(jìn)行考核評(píng)分。

本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明以虛擬仿真技術(shù)為基礎(chǔ)生成逼真的視、聽(tīng)覺(jué)一體化的集裝箱貨場(chǎng)的虛擬仿真環(huán)境，學(xué)員操作起重機(jī)聯(lián)動(dòng)臺(tái)等外部硬件，實(shí)現(xiàn)了起重機(jī)司機(jī)操控實(shí)物電氣設(shè)備對(duì)虛擬環(huán)境中的集裝箱進(jìn)行起吊、旋轉(zhuǎn)以及卸載等操作控制。從而提高起重機(jī)學(xué)員的培訓(xùn)效率以及培訓(xùn)安全性，并對(duì)學(xué)員的培訓(xùn)成績(jī)進(jìn)行考核評(píng)分，全景仿真系統(tǒng)的虛擬場(chǎng)景通過(guò)投影儀以及vr頭盔輸出，司機(jī)可以三維立體360度全景觀察虛擬貨場(chǎng)空間內(nèi)的集裝箱裝卸作業(yè)狀況，本發(fā)明為培訓(xùn)起重機(jī)司機(jī)提供了科學(xué)先進(jìn)的手段，提高了起重機(jī)學(xué)員的培訓(xùn)效率以及培訓(xùn)安全性。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明系統(tǒng)的硬件組成。

圖2為本發(fā)明系統(tǒng)的總體人機(jī)交互的軟硬件框架圖。

圖3為本發(fā)明的三維集裝箱貨場(chǎng)模型的建立步驟圖。

圖4為本發(fā)明的三維集裝箱貨場(chǎng)模型的驅(qū)動(dòng)原理圖。

具體實(shí)施方式

以下通過(guò)特定的具體實(shí)例說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說(shuō)明書(shū)所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過(guò)另外不同的具體實(shí)施方式加以實(shí)施或應(yīng)用，本說(shuō)明書(shū)中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒(méi)有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。

如圖1所示，一種集裝箱門(mén)式起重機(jī)模擬操作全景仿真系統(tǒng)，包括電氣控制硬件系統(tǒng)和全景仿真軟件系統(tǒng)：

電氣控制硬件系統(tǒng)包括起重機(jī)操作聯(lián)動(dòng)臺(tái)、plc控制系統(tǒng)、電氣控制柜、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、3d頭盔系統(tǒng)、以及pc機(jī)；其中：起重機(jī)操作聯(lián)動(dòng)臺(tái)包括多個(gè)檔位的主令控制器以及相關(guān)控制開(kāi)關(guān)，用于采集學(xué)員的操作命令；plc控制系統(tǒng)根據(jù)接收到的聯(lián)動(dòng)臺(tái)的操作信號(hào)，執(zhí)行內(nèi)部邏輯程序，并輸出執(zhí)行命令；電氣控制柜用于執(zhí)行plc控制系統(tǒng)的輸出指令；電氣控制柜中的變頻器以及各電器元件，控制各個(gè)運(yùn)行機(jī)構(gòu)的電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、變速等。驅(qū)動(dòng)電機(jī)包含起升機(jī)構(gòu)電機(jī)、大車(chē)運(yùn)行電機(jī)、小車(chē)運(yùn)行電機(jī)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)受電氣控制柜的控制，用于發(fā)出真實(shí)的電機(jī)加減速聲響并產(chǎn)生振動(dòng)，從而模擬集裝箱裝卸作業(yè)工作環(huán)境；pc機(jī)中安裝全景仿真軟件系統(tǒng)，pc機(jī)與plc控制器通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)雙向通信；3d頭盔系統(tǒng)和pc機(jī)連接，用于全景仿真畫(huà)面的輸出顯示；

全景仿真軟件系統(tǒng)包括：虛擬三維建模系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實(shí)仿真軟件系統(tǒng)、三維虛擬場(chǎng)景輸出顯示系統(tǒng)、學(xué)員信息記錄數(shù)據(jù)庫(kù)、理論考試模塊、操作訓(xùn)練模塊、考評(píng)系統(tǒng)；其中：虛擬三維建模系統(tǒng)用于建立集裝箱貨場(chǎng)的三維模型并進(jìn)行渲染；虛擬現(xiàn)實(shí)全景仿真系統(tǒng)用于為起重機(jī)司機(jī)提供集裝箱起吊、旋轉(zhuǎn)以及卸載操作的vr虛擬訓(xùn)練；三維虛擬場(chǎng)景輸出顯示系統(tǒng)用于將虛擬現(xiàn)實(shí)仿真軟件系統(tǒng)的集裝箱起重機(jī)的裝卸作業(yè)過(guò)程畫(huà)面通過(guò)投影儀和3d頭盔進(jìn)行輸出顯示；學(xué)員信息記錄數(shù)據(jù)庫(kù)包含學(xué)員個(gè)人的基本信息以及培訓(xùn)考核記錄資料；理論考試模塊包含起重機(jī)操作的基礎(chǔ)知識(shí)以及安全操作規(guī)范；操作訓(xùn)練模塊用于學(xué)員操作聯(lián)動(dòng)臺(tái)完成全景仿真模擬系統(tǒng)中的集裝箱裝卸作業(yè)操作；考評(píng)系統(tǒng)用于對(duì)學(xué)員的理論知識(shí)以及全景仿真模擬系統(tǒng)中的集裝箱裝卸作業(yè)操作進(jìn)行考核，并根據(jù)考核情況打分。

全景仿真軟件系統(tǒng)在pc機(jī)上運(yùn)行，可以直接用鼠標(biāo)與鍵盤(pán)進(jìn)行操作。同時(shí)，起重機(jī)的plc控制器用以太網(wǎng)通訊的方式，與pc機(jī)進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)信息通信。pc機(jī)驅(qū)動(dòng)全景仿真軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)司機(jī)對(duì)仿真系統(tǒng)中虛擬起重機(jī)的控制。學(xué)員可以帶上三維數(shù)字頭盔，學(xué)員的視線范圍可以隨著頭部的擺動(dòng)而改變，從而提高培訓(xùn)的逼真程度。

虛擬三維建模系統(tǒng)采用solidworks建立集裝箱貨場(chǎng)的三維模型，并導(dǎo)入到3dsmax中進(jìn)行渲染。所述虛擬三維建模系統(tǒng)，在集裝箱門(mén)式起重機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作特點(diǎn)基礎(chǔ)上，對(duì)集裝箱門(mén)式起重機(jī)以及貨場(chǎng)場(chǎng)景進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，采用三維建模工具3dsmax建立集裝箱起重機(jī)和貨場(chǎng)場(chǎng)景的三維動(dòng)態(tài)仿真模型，三維場(chǎng)景模型包括：集裝箱起重機(jī)、起重機(jī)行走軌道、集裝箱、火車(chē)、鐵路軌道，其中起重機(jī)、裝卸作業(yè)的集裝箱以及攝像機(jī)是運(yùn)動(dòng)的，其他的物體是靜態(tài)不動(dòng)的。

圖3是本發(fā)明三維集裝箱貨場(chǎng)模型的建立步驟圖。首先收集集裝箱起重機(jī)圖紙、集裝箱貨場(chǎng)的布局圖紙、集裝箱的尺寸以及貨場(chǎng)周?chē)沫h(huán)境等數(shù)據(jù)信息。然后，根據(jù)集裝箱門(mén)式起重機(jī)模型操作仿真系統(tǒng)的目的和側(cè)重點(diǎn)，對(duì)獲取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理并采用3dsmax進(jìn)行建模。在保證一定的逼真度的前提條件下，盡量減少仿真系統(tǒng)中物體所需要單元面的數(shù)量。根據(jù)鐵路貨場(chǎng)的實(shí)際情況，建立虛擬的三維場(chǎng)景模型。三維場(chǎng)景模型包括：可以運(yùn)動(dòng)的起重機(jī)、裝卸作業(yè)的集裝箱、火車(chē)等物體；以及其他靜態(tài)的物體如起重機(jī)行走軌道、火車(chē)等。采用材質(zhì)編輯器對(duì)材質(zhì)以及貼圖進(jìn)行建立和編輯，并通過(guò)最后的渲染顯示出物體不同的質(zhì)地、色彩和紋理。然后用ogremax將3dsmax建立的三維模型轉(zhuǎn)換為ogre可識(shí)別的模型資源，建立集裝箱貨場(chǎng)三維模型。

虛擬現(xiàn)實(shí)全景仿真系統(tǒng)是采用ogre驅(qū)動(dòng)集裝箱貨場(chǎng)模型資源，并采用visualstudio對(duì)ogre圖形引擎進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。虛擬現(xiàn)實(shí)仿真軟件系統(tǒng)，利用ogremax將3dsmax中建立的起重機(jī)與貨場(chǎng)模型，轉(zhuǎn)換成ogre工程模型資源；應(yīng)用ogre圖形渲染引擎進(jìn)行圖形的渲染驅(qū)動(dòng)，基于visualstudio平臺(tái)對(duì)ogre圖形渲染引擎編寫(xiě)程序，開(kāi)發(fā)出集裝箱起重機(jī)的全景仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)起重機(jī)操控實(shí)物電氣設(shè)備對(duì)虛擬仿真環(huán)境中的起重機(jī)進(jìn)行裝卸作業(yè)控制，三維模型作為ogre場(chǎng)景中的活動(dòng)對(duì)象，通過(guò)人機(jī)接口實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)三維模型的控制和操作；人機(jī)接口主要通過(guò)三種方式:ois接口、cegui接口以及聯(lián)動(dòng)臺(tái)用以太網(wǎng)與pc機(jī)通訊。

圖2是本發(fā)明人機(jī)交互的軟硬件框架圖。采用ogremax將3dsmax的模型導(dǎo)出為ogre可以識(shí)別的資源文件。視景驅(qū)動(dòng)對(duì)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算效率有較大的影響，采用三種方法來(lái)提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)算效率：細(xì)節(jié)層次模型；實(shí)例化技術(shù)；紋理映射技術(shù)。程序首先初始化三維虛擬集裝箱貨場(chǎng)的場(chǎng)景，接著visualstudio平臺(tái)調(diào)入先前建立好的模型資源，包括鐵路貨場(chǎng)、集裝箱起重機(jī)、集裝箱、貨運(yùn)列車(chē)以及周?chē)慕ㄖ取Ｅ嘤?xùn)學(xué)員操作聯(lián)動(dòng)臺(tái)等硬件設(shè)備，通過(guò)三維數(shù)字頭盔以及投影儀等輸出集裝箱裝卸作業(yè)的虛擬畫(huà)面。培訓(xùn)人員控制起重機(jī)四大運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，完成集裝箱虛擬仿真場(chǎng)景內(nèi)的集裝箱裝卸作業(yè)。駕駛學(xué)員通過(guò)操縱聯(lián)動(dòng)臺(tái)設(shè)備，通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)與仿真系統(tǒng)雙向通信，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬仿真系統(tǒng)中的集裝箱進(jìn)行裝卸作業(yè)。

基于visualstudio平臺(tái)對(duì)ogre圖形渲染引擎編寫(xiě)程序時(shí)，對(duì)于鋼絲繩的升降問(wèn)題，通過(guò)給鋼絲繩添加一個(gè)邊界區(qū)域軸向平行包圍盒，并監(jiān)聽(tīng)邊界區(qū)域以內(nèi)的鋼絲繩，從而實(shí)現(xiàn)模擬鋼絲繩的升降操作；采用四元數(shù)旋轉(zhuǎn)方法實(shí)現(xiàn)鋼絲繩和集裝箱起重機(jī)吊具的360度旋轉(zhuǎn)；在集裝箱對(duì)位檢測(cè)中，分別給吊具以及被裝卸集裝箱一個(gè)邊界區(qū)域軸向平行包圍盒，判斷它們?cè)谒矫婵臻g范圍是否滿足規(guī)定范圍誤差，如果吊具與集裝箱的空間位置誤差在允許范圍內(nèi)，則吊具完成集裝箱的對(duì)位作業(yè)；貨場(chǎng)內(nèi)物體的碰撞檢測(cè)算法采用軸對(duì)齊包圍盒方法，分別定義動(dòng)態(tài)物體和靜態(tài)物體的軸向平行包圍盒，然后判斷其是否相交，如果相交則發(fā)生碰撞，仿真系統(tǒng)發(fā)出碰撞警告，并同時(shí)將碰撞信息記錄到學(xué)員的培訓(xùn)數(shù)據(jù)庫(kù)中。

圖4為本發(fā)明的3d集裝箱貨場(chǎng)模型的驅(qū)動(dòng)原理圖。程序首先初始化三維虛擬集裝箱貨場(chǎng)的場(chǎng)景，接著visualstudio平臺(tái)調(diào)入先前建立好的模型資源，包括鐵路貨場(chǎng)、集裝箱起重機(jī)、集裝箱、貨運(yùn)列車(chē)以及周?chē)慕ㄖ?。pc機(jī)根據(jù)接收到的起重機(jī)各個(gè)機(jī)構(gòu)的操作控制指令，使用ogre圖形渲染引擎對(duì)三維模型進(jìn)行圖形的渲染驅(qū)動(dòng)。仿真軟件驅(qū)動(dòng)三維集裝箱貨場(chǎng)虛擬貨場(chǎng)中的起重機(jī)的做出相應(yīng)的動(dòng)作，在全景仿真視景系統(tǒng)中完成集裝箱起重機(jī)虛擬的裝卸作業(yè)場(chǎng)景。

學(xué)員信息記錄數(shù)據(jù)庫(kù)，能夠添加、修改以及刪除學(xué)員的基礎(chǔ)個(gè)人信息，同時(shí)，能夠記錄學(xué)員的訓(xùn)練時(shí)間長(zhǎng)度、理論考試成績(jī)、操作訓(xùn)練的失誤以及每次訓(xùn)練的得分等情況。

理論知識(shí)考試針對(duì)起重機(jī)電氣控制原理、起重機(jī)操作的基本方法、起重機(jī)安全操作技術(shù)等內(nèi)容建立了一套題庫(kù)，學(xué)員在計(jì)算機(jī)上按隨機(jī)產(chǎn)生的一份試題進(jìn)行答題。操作實(shí)訓(xùn)考試根據(jù)不同的場(chǎng)景、不同的天氣、不同運(yùn)動(dòng)速度以及不同任務(wù)等多種變量的改變，在計(jì)算機(jī)設(shè)定的多個(gè)難度逐步增加的訓(xùn)練等級(jí)操作內(nèi)容。

考評(píng)系統(tǒng)包含基礎(chǔ)理論知識(shí)考試和操作實(shí)訓(xùn)考試兩類。理論知識(shí)考試針對(duì)起重機(jī)構(gòu)造及組成、起重機(jī)操作的注意事項(xiàng)、起重機(jī)安全操作技術(shù)等內(nèi)容建立了一套題庫(kù)，學(xué)員在計(jì)算機(jī)上按隨機(jī)產(chǎn)生的試題進(jìn)行答題，以評(píng)價(jià)學(xué)員對(duì)起重機(jī)基本理論知識(shí)的掌握程度。操作實(shí)訓(xùn)考試根據(jù)不同的作業(yè)場(chǎng)景、不同的天氣環(huán)境、不同機(jī)構(gòu)運(yùn)行速度以及不同裝卸任務(wù)等多種變量的改變，仿真系統(tǒng)設(shè)定多個(gè)難度逐步增加的訓(xùn)練等級(jí)，并從中分別隨機(jī)抽取題目進(jìn)行操作考試，按照設(shè)定的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)自動(dòng)給出學(xué)員操作考核的分?jǐn)?shù)。

利用上述系統(tǒng)進(jìn)行集裝箱門(mén)式起重機(jī)模擬操作的方法，該方法為：學(xué)員通過(guò)操作聯(lián)動(dòng)臺(tái)上的主令控制器發(fā)出控制命令，plc控制系統(tǒng)接收到命令信號(hào)后，執(zhí)行內(nèi)部控制程序，控制起重機(jī)大車(chē)運(yùn)行電機(jī)、小車(chē)運(yùn)行電機(jī)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)以及起升電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)控制命令通過(guò)以太網(wǎng)通訊方式傳輸給pc機(jī)；pc機(jī)驅(qū)動(dòng)全景仿真軟件系統(tǒng)使虛擬的集裝箱起重機(jī)執(zhí)行相對(duì)應(yīng)的大車(chē)運(yùn)動(dòng)、小車(chē)運(yùn)動(dòng)、吊具起升、吊具伸縮、吊具開(kāi)閉鎖的動(dòng)作，在虛擬仿真環(huán)境中實(shí)現(xiàn)對(duì)集裝箱門(mén)式起重機(jī)的裝卸作業(yè)過(guò)程的全景仿真操作訓(xùn)練，同時(shí)，通過(guò)投影儀顯示虛擬起重機(jī)的裝卸作業(yè)畫(huà)面，學(xué)員帶上3d頭盔，實(shí)現(xiàn)360度全景觀察集裝箱貨場(chǎng)的裝卸作業(yè)情況，學(xué)員的操作信息被記錄在學(xué)員信息數(shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)，根據(jù)考評(píng)系統(tǒng)，對(duì)學(xué)員的理論知識(shí)考核以及實(shí)際集裝箱裝卸作業(yè)操作進(jìn)行考核評(píng)分。

上述實(shí)施例僅例示性說(shuō)明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。