【摘要】：為了解決絞吸式挖泥船傳統(tǒng)培訓(xùn)方法的一些不足,針對絞吸式挖泥船的施工操作流程和施工環(huán)境展示,設(shè)計了基于Unity3D的絞吸式挖泥船虛擬仿真系統(tǒng)。針對鉸刀切削地形變化的仿真,采取了自動網(wǎng)格變形、貼圖變化的方法;配合石塊碎裂和管道內(nèi)泥砂比重的粒子數(shù)量模擬,再通過尋路算法實現(xiàn)了2D平面的泥砂路徑模擬;通過虛擬交互設(shè)備實現(xiàn)立體顯示和人機(jī)交互,實現(xiàn)更好地虛擬仿真效果。
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圖片說明： No.92016年9月JournalofSystemSimulationSep.,2016http:∥www.china-simulation.com2070對于安全生產(chǎn)尤為重要。傳統(tǒng)的培訓(xùn)方式分為兩種，一種方式是基于文字圖片、視頻的教學(xué)培訓(xùn)，但是挖泥船二維圖紙復(fù)雜抽象且不直觀，需要一定基礎(chǔ)的專業(yè)人員才能理解，對于一般挖泥船船員上船前教學(xué)培訓(xùn)的效果不好；另外一種方式是實地教學(xué)，其存在一定的安全隱患，且教學(xué)成本過高，同時水下絞刀挖泥場景和泥砂內(nèi)部流向都無法直觀地展示，學(xué)員很難清晰地了解挖泥船的內(nèi)部作業(yè)原理。(a)絞吸式挖泥船的組成(b)清淤實地效果圖圖1絞吸式挖泥船的組成和疏浚作業(yè)過程針對傳統(tǒng)培訓(xùn)方式的不足，基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的培訓(xùn)方式越來越受到科研人員的關(guān)注。虛擬現(xiàn)實是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機(jī)系統(tǒng)，其開發(fā)成本低、操作方便、環(huán)境模擬逼真。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，孫俊等人運(yùn)用MultigenCreator和Vega等軟件實現(xiàn)具有VR特征的船舶機(jī)艙虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)了船舶機(jī)艙的場景搭建以及場景漫游[3]，，其虛擬現(xiàn)實仿真平臺研究主體在于整個場景的搭建以及虛擬漫游仿真，場景虛擬現(xiàn)實的交互性和系統(tǒng)功能的綜合性相對較低。閆文珠等人提出了基于VR技術(shù)的機(jī)器人核事故訓(xùn)練平臺研究，利用新興的計算機(jī)虛擬現(xiàn)實技術(shù)開發(fā)了一套面向?qū)嶋H工程應(yīng)用的交互式核應(yīng)急事故實訓(xùn)平臺[4]，側(cè)重于機(jī)械技術(shù)的相應(yīng)開發(fā)，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用不是很多。倪福生在絞吸挖泥船疏浚仿真研究一文中提出了多通道環(huán)形柱幕絞吸挖泥船施工模擬系統(tǒng)[5]，通過虛擬現(xiàn)實模擬視景較好地實現(xiàn)了虛擬培訓(xùn)的模擬效果，其文獻(xiàn)中的挖泥船仿真還存在著一些問題。首先是絞刀切削仿真方面的欠缺，包括水底地形的反饋?zhàn)兓�、泥砂石塊的碎裂模擬以及管道中泥砂流向的路徑模擬；其次是不?
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圖片說明： 第28卷第9期Vol.28No.92016年9月姚鵬飛,等:基于Unity3D的絞吸式挖泥船虛擬仿真系統(tǒng)Sep.,2016http:∥www.china-simulation.com2071圖2挖泥船仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖在Unity3D中，我們通過NGUI插件設(shè)計整個系統(tǒng)界面(如圖3(a)所示)。船體信息展示系統(tǒng)采用了3dsMax建模軟件以及數(shù)據(jù)庫技術(shù)，以天津航道局的“天鯨號”絞吸式挖泥船[6]為模板，實現(xiàn)了挖泥船的建模(如圖3(b)所示)和各部分零件信息的展示(如圖3(c)所示)。挖泥船施工操作系統(tǒng)分為絞刀橋架系統(tǒng)、鋼樁臺車系統(tǒng)、切削系統(tǒng)以及天氣模擬系統(tǒng)。絞刀橋架以及鋼樁臺車中橋架鋼樁的仿真采用了Joint代碼的二次開發(fā)，實現(xiàn)了繩索拉伸收縮的物理模擬，很好地展現(xiàn)了挖泥船鋼樁橋架的工作場景(如圖3(d)所示)。切削系統(tǒng)分為2D和3D視角：2D視角通過A*尋路算法[7]模擬管道內(nèi)泥砂的流動，實現(xiàn)了泥砂流向路徑的模擬(如圖3(e)所示)；3D視角通過地形網(wǎng)格頂點(diǎn)的坐標(biāo)變化、地形貼圖變化以及石塊碎裂，逼真地模擬了絞刀切削的水底工作效果(如圖3(f)所示)。天氣系統(tǒng)采用了ParticleSystem模擬出雨雪的粒子效果(如圖3(g)所示)。虛擬交互系統(tǒng)以Unity3D為平臺輔以O(shè)culus立體眼鏡和Kinect，實現(xiàn)了挖泥船場景的立體顯示以及手勢識別的人機(jī)交互操作(如圖3(h)所示)。最后，我們將整個挖泥船仿真系統(tǒng)通過Unity3D配合相應(yīng)平臺的開發(fā)軟件發(fā)布在PC、移動端以及網(wǎng)頁等多個平臺上(如圖3(i)所示)。(a)系統(tǒng)主界面(b)挖泥船3D模型(c)零件信息展示(d)鋼樁橋架系統(tǒng)(e)2D平面模擬(f)3D切削模擬(g)天氣系統(tǒng)(h)虛擬交互設(shè)備(i)多平臺發(fā)布圖3系統(tǒng)各模塊示意圖
【作者單位】： 河海大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院;常州市圖形圖像與骨科植入物數(shù)字化技術(shù)重點(diǎn)實驗室;河海大學(xué)疏浚教育部工程研究中心;
【基金】：常州市科技支撐項目(CE20155059) 江蘇省科技支撐計劃(BE2014048)
【分類號】：U674.31;TP391.9

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5 張修志;王文輝;余衛(wèi)光;趙增文;;黃河抽沙施工船只改造與應(yīng)用80m~3/h絞吸式挖泥船動力及絞沙系統(tǒng)技術(shù)改造[A];機(jī)械疏浚專業(yè)委員會第十九次疏浚與吹填技術(shù)經(jīng)驗交流會論文與技術(shù)經(jīng)驗總結(jié)文集[C];2006年

6 楊建品;楊占武;;援烏茲別克斯坦JX750(電動)絞吸式挖泥船研制[A];機(jī)械疏浚專業(yè)委員會第十九次疏浚與吹填技術(shù)經(jīng)驗交流會論文與技術(shù)經(jīng)驗總結(jié)文集[C];2006年

7 李文華;;1750m~3/h絞吸式挖泥船(吸揚(yáng)12號)技術(shù)改造的論證、設(shè)計及實施[A];機(jī)械疏浚專業(yè)委員會第十九次疏浚與吹填技術(shù)經(jīng)驗交流會論文與技術(shù)經(jīng)驗總結(jié)文集[C];2006年

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5 記者 張銀炎;國產(chǎn)大型絞吸式挖泥船形成系列[N];中國船舶報;2008年

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7 羅震坤;振華重工兩月交付4艘3500立方絞吸式挖泥船[N];中國船舶報;2009年

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3 梅歡;大型絞吸式挖泥船絞刀軸校中與振動計算分析研究[D];武漢理工大學(xué);2009年

4 陳磊;絞吸式挖泥船的分艙安全性研究[D];上海交通大學(xué);2010年

5 黃豪飛;絞吸式挖泥船吸揚(yáng)系統(tǒng)動態(tài)匹配優(yōu)化及評價方法研究[D];武漢理工大學(xué);2011年

6 丁宏鍇;絞吸式挖泥船疏浚動態(tài)特性數(shù)學(xué)模型建立與仿真系統(tǒng)設(shè)計[D];河海大學(xué);2002年

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9 柯軍;絞吸式挖泥船三錨定位系統(tǒng)的設(shè)計[D];武漢理工大學(xué);2007年

10 潘英杰;絞吸式挖泥船絞刀架載荷計算和強(qiáng)度分析[D];上海交通大學(xué);2008年

本文編號：2515483