虛擬現(xiàn)實技術作為21世紀被廣泛應用的新一代信息技術,憑借直觀的3D視覺效果、良好的人機交互體驗,在2016年后,其市場及行業(yè)應用得到了井噴式發(fā)展。教育是國家的民生大計,國家正致力于推進信息技術與高等教育、職業(yè)教育的深度融合,而虛擬現(xiàn)實技術在教育領域的不斷深入應用,實現(xiàn)了教學資源從文字到圖像、二維到三維、靜態(tài)到動態(tài)、單向到交互的轉變,推動了教育的創(chuàng)新發(fā)展,實現(xiàn)了新型數(shù)字化課程的教學模式。本課題的研究是開發(fā)基于虛擬現(xiàn)實技術的塔機操作模擬培訓系統(tǒng),該系統(tǒng)以軟件系統(tǒng)與硬件系統(tǒng)結合作為開發(fā)路線,采用Unity 3D為開發(fā)平臺,開發(fā)了塔式起重機的三維可視化VR教學資源,并通過計算機采集、處理塔機聯(lián)動臺和HTC Vive設備的輸出信號,完成硬件的配套開發(fā),實現(xiàn)了塔機虛實結合的模擬培訓效果。本文分別論述了塔機操作模擬培訓系統(tǒng)軟件模塊和硬件設備兩部分的設計開發(fā)方案,講解了該系統(tǒng)的開發(fā)過程。本課題主要研究內容包括以下幾個方面:(1)系統(tǒng)總體方案設計及資料收集。塔機操作模擬系統(tǒng)分別對硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)進行開發(fā),因而要分別準備硬件設備、軟件開發(fā)需要的素材。硬件設備主要包括計算機、塔機聯(lián)動臺、HTC Vive設備、數(shù)據(jù)采集板、開關電源、RS232數(shù)據(jù)線等;軟件系統(tǒng)是創(chuàng)建直觀的三維可視化虛擬環(huán)境,在開發(fā)前需要完成塔式起重機及環(huán)境的三維模型、模型材質貼圖、模型動畫、系統(tǒng)用戶界面(UI)等素材的準備,其中,塔機模型是利用建模軟件3Ds Max依據(jù)Auto CAD圖紙進行制作,并完成整機安裝,通過fbx文件格式導入虛擬現(xiàn)實平臺中。(2)塔機操作模擬培訓系統(tǒng)軟件系統(tǒng)的開發(fā)。該模塊根據(jù)國家住建部頒發(fā)的編號為JGJ196-2010建筑塔式起重機行業(yè)標準的要求及安全培訓的需求,對塔機操作培訓的知識點進行VR資源開發(fā),主要內容包括:塔機的操作規(guī)程、三維模型展示塔機各結構、動畫展示塔機的安裝與拆卸過程、通過定點停放和轉桿撞木模擬塔機操作。(3)塔機操作模擬培訓系統(tǒng)硬件系統(tǒng)的開發(fā)。該模塊主要介紹HTC Vive設備和塔機聯(lián)動臺的基本知識,搭建HTC Vive設備開發(fā)環(huán)境,選擇合適型號的信號采集器、設計信號采集器與塔機聯(lián)動臺的連接電路,完成硬件設備的電路連接。(4)塔機操作模擬培訓系統(tǒng)的安裝調試。在分別完成硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的設計方案后,對整體塔機模擬培訓系統(tǒng)進行安裝調試,并講解該系統(tǒng)主要功能的開發(fā)過程。塔機操作模擬培訓系統(tǒng)真正實現(xiàn)了虛實結合的教學培訓模式,通過構建情景體驗式的塔機VR資源,將復雜、抽象的塔機操作規(guī)程通過表現(xiàn)力和感染力更強的媒介呈現(xiàn)給使用者,使用者可反復使用該系統(tǒng)進行塔機的培訓學習;另一方面,塔機模擬培訓系統(tǒng)將使用者融入到虛擬環(huán)境中,與虛擬對象進行深度的交互,將使用者的被動學習狀態(tài)轉變?yōu)橹鲃訉W習,大幅度提高塔機培訓學習的效率。同時,該系統(tǒng)有效地克服了塔機培訓周期長、危險系數(shù)高、成本高等難題。
【學位單位】：山東建筑大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TP391.9;TH213.3
【部分圖文】：

人可以隨意添加、更改其內容。虛擬現(xiàn)實技術的三個特征關系如圖 2.1 所示。圖 2.1 虛擬現(xiàn)實技術特征關系圖2.1.2 虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展歷程虛擬現(xiàn)實技術發(fā)展從無至有，將其發(fā)展歷程可分為四個階段[25,26,27]：

圖 2.2 塔機培訓系統(tǒng)技術路線圖軟件系統(tǒng)的開發(fā)是以塔機操作規(guī)章文件為結構置物理屬性、增添交互界面、處理硬件發(fā)出用 3Ds Max、SolidWorks 軟件對塔機結構、工，主要包含起重臂部件、平衡臂部件、基礎節(jié)駕駛室、塔帽等結構模型，按照真實尺寸進行級關系完成塔機模型的組裝及合理擺放。二是、天空盒、樹木、沙堆、道路等，按照要求合培訓系統(tǒng)建模類型如圖 2.3 所示。

圖 2.2 塔機培訓系統(tǒng)技術路線圖1）軟件系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)的開發(fā)是以塔機操作規(guī)章文件為結構框架，通過導場景模型、設置物理屬性、增添交互界面、處理硬件發(fā)出的信號，發(fā)布件系統(tǒng)。）模型創(chuàng)建。使用 3Ds Max、SolidWorks 軟件對塔機結構、工作環(huán)境兩個部一是塔機結構，主要包含起重臂部件、平衡臂部件、基礎節(jié)、標準節(jié)、套、回轉塔身、駕駛室、塔帽等結構模型，按照真實尺寸進行塔機各結構模依據(jù)正確的層級關系完成塔機模型的組裝及合理擺放。二是場景建模，主、地面起重機、天空盒、樹木、沙堆、道路等，按照要求合理、有序的完塔機操作模擬培訓系統(tǒng)建模類型如圖 2.3 所示。
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