吊装训练模拟器技术方案设计

Abstract：Aiming at the training requirements of special lifting work to driver trumpeters and command trumpeters，the paper puts forward the technical scheme regarding lifting training simulators suitable for lifting personnel train-ing.Through comparison of performances and characteristics of present modeling and simulating softwares，it's recommen-ded to use Creator as the major modeling software，3 DMax and Photoshop as the auxiliary modeling softwares.Secondarydevelopment is conducted by Vega simulating tool and VC .in order to drive simulating graphs。

Keywords：virtual technology；lifting training；simulator system在实践中，吊装生产事故时有发生。在我校吊装培训及部队装备训练中，都曾因吊装操作与指挥失当而出现 惊险”现象。为改善人机关系，提高装备训练使用的可靠性和岗位操作人员的业务能力，可应用仿真模拟器进行吊装模拟操作培训，它具有实际操作培训无法比拟的诸多优点。本 文给 出- 种 吊装训 练模拟器 系统研 制方案1 吊装训练模拟器系统功能描述吊装训练模拟器系统是-种综合性的吊装培训系统，具有如下功能：1)可以辅助实施专业技能训练。2)展开专业知识及理论的教学，目的是通过短期训练初步掌握某种使用技能，通过长期训练总体提高相关受训人员的工作能力与素质。

3)既可单人单项训练，又可多岗位多任务项 目组训。4)综合评价系统不仅能够对学员的训练结果给出成绩，还能够搜集学员在训练过程中的各类信息，记录下来，并能进行错误回放。

2 训练模拟器系统的总体框架方案2.1 司机号手、指挥号手训练框架吊装训练模拟器系统应设置完善的培训内容和吊装训练任务，融入司机号手国家标准的全部- lO - 要求和吊装任务特殊要求。在起重机虚拟嘲的建模中，应实现多层次的嘲模型，并采用不同的表现形式以适应不同的训练内容 、训练科 目、训练对象。指挥号手训练内容应重点培养指挥号手与司机号手的协调配合。综合采用集中理论训练和个别模拟训练、单科 目训练、多科 目联合训练、无人指导操作和教练员指导操作、常规动作训练和意外事故训练等多种训练方式。

吊装训练模拟器系统对指挥号手和司机号手训练培训的体系框架 ， 如图 1和图2所示。

I 圆 嘲 l厂--] l匮匝[固 匮囝!虱囡 I l训练培训方式I图1 吊装训练模拟器系统指挥号手训练框架2.2 训练模拟器系统组成以桥式起重机为例，吊装训练模拟器系统主要组成拈如下：《起重运输机械》 2013(2)围 圈巨至 雪 巨 I 圜 圈 I圈 圆 匝豆五团 ： ：图 2 吊装训练模拟器系统司机号-y-iJ J[练框架1)司机号手驾驶操作环境 -般为真实的电动双梁桥式起重机司机室，内部安装有操作箱和司机座椅，司机号手可以在司机室 内进行各种操作。

2)吊装工作嘲虚拟仿真平台 构建于虚拟现实专用软件或高级图形 API中，通过多媒体技术和先进的图形图像技术进行真实嘲和运动模型的仿真，实现不同吊装对象、不同难度操作工况、不同操作任务的训练。

3)指挥号手指挥系统 指挥号手通过指挥号手指挥系统与司机号手进行虚拟嘲同步，可以多角度、多方位在虚拟嘲中变换视点进行虚拟漫游，多角度、多方位观察吊装物件位置、状态，从而确定吊装进度，并可通过语音通信或特殊手势语言指导司机号手进行吊装操作。

4)教员控制与评估系统 教员可以通过教员控制与评估系统设定指挥号手和司机号手训练内容、训练难度和考核题 目，必要时给予指导，同时监视受训者的训练过程，并将有关记录传递至数据库子系统中进行储存；在设定训练科 目和内容中，教员也可以改变环境设置、操作难度，实现错误操作的提示；可以根据其操作步骤、协调配合情况、操作吊装质量、故障处理等内容综合对受训者的操作正确性和准确性进行评判，并打印成绩报告；需要时还可以进行操作暂停实时教学指导；也可对完成任务的过程进行重演和讲评。

2.3 训练模拟器系统体系结构以计算机虚拟技术、图形技术为支撑，通过信号采集、数据传输，立体投影显示，让训练者能够感受到身临其境的三维空间，实现训练者通《起重运输机械》 2013(2)过使用各种传感操纵设备对计算机中的虚拟物体进行控制，产生相应的运动和操作结果的目的，系统构成如图3所示 。

l 指捍号手指挥区 司机号手操作区------------L------ -- - - --- --图3 吊装训练模拟器系统结构吊装训练模拟器系统的体系结构如图4所示，在该体系结构下，可以有针对性地选择不同的构成，并对其中各组成部分进行相应的功能设计。

该系统可以实现驾驶、操纵、指挥等技能的模拟训练，开展吊装起重机理论技能知识的教学，完成复杂的群体吊装虚拟预演或者多用户协同训练任务等司机号手 指挥号手 教员9操作装置 显示装置 音响装置 其他感觉装置 -救 司机室 指- - - 挥 控制台 显示器立体耳机 振动台装置 控 控制盒 投影装置音响 前窿感觉装置 制 鼠标 立体头盔台 空间鼠标数 键盘- - - ，据总线 l 信号采集、数据通讯、网络接口等 l。 -视罱仿真J l 吊装 真l I音响仿真- 模型数据、知识数据、操作状态数据、学员数据等图4 吊装训练模拟器系统的体系结构1)人机交互层训练过程中的人员组成包括指挥号手、司机号手和教员，其中，指挥号手、司机号手为吊装模拟训练系统主要要素，吊装模拟训练系统允许司机号手和指挥号手同时接受训练，教员主要对指挥号手、司机号手的训练培训过程起教学、指导和监督的作用。人机交互层包括操纵装置、音- 11- 围 圈响装置、振动装置、显示装置、指挥控制台和教员控制台，其中，操纵装置是主要的输入设备，司机号手、指挥号手或者教员可以直接与操纵装置交互，以对起重机实施操作；显示装置连同音响装置、振动装置为用户提供视觉、听觉、振动等感知反馈 ，指挥号手显示装置为数据头盔，司机号手采用立体投影显示；指挥控制台由指挥号手使用，通过 6自由度空间球嘲漫游、数据头盔立体显示，与司机号手进行语音通信，指挥司机号手操作；教员控制台只能由教员使用，可以设置教学内容、安排教学任务和控制教学进度。

人机交互层的显示装置和音响装置的反馈允许共享，司机号手、指挥号手和教员可以同时获得它们的输出信号。

2)接口层系统的数据接 口层是基于网络设计的，可以将人机交互层传输过来的服务请求转换为-定的控制数据，再由这些控制程序激活仿真层的程序响应，实现该吊装训练模拟器系统内部数据的采集和转换，为数据传输提供安全、流畅的通路保障。数据采集和转换主要涉及硬件部分与软件部分之间的数据传递，硬件部分 (主要是联动台、指挥控制台和教员控制台)的电信号被信号采集系统采集，有些模拟量信号要进行 A/D转换，生成数字信号传递给软件部分 (主要指仿真)进行计算处理，处理后的数据通过对应的显示系统为司机号手和指挥号手提供反溃被传输的数据主要包含吊装起重机运行状态信号，-般可以采用基于服务器/客户端的Winsock网络数据传输方案，结合 Winsock和多线程技术进行编程，实现数据请求的建立、接收和发送。

3)仿真层仿真层主要用于构建逼真的吊装模拟训练环境。受训环境包括作业环境和操作环境两部分，其中，操作环境主要指受训者身处的可以完成各类操作的空间环境，作业环境是指完成吊装任务的具体嘲。由于采用近似于真实的司机室操纵联动台，所以，对于司机号手，作业环境是重点，操作环境仿真不是重点。指挥号手担负指挥任务，主要通过在虚拟嘲中漫游的方式转换各种角度和方位，不涉及虚拟模型的操作，所以，指挥号手也要注重实现作业环境仿真。

- 1 2 - 4)数据层数据层对司机号手和指挥号手训练活动中所有需处理的静态和动态数据进行统-管理，包括进行理论教学的知识数据，用于操作技能训练的吊装车间、组装车间等嘲模型数据，用于指挥训练和技能训练的数据，记录操作过程的状态数据，以及记录受训者信息数据等。这些数据以数据库形式存放，可以被不同的系统调用和处理，也可以进行数据扩充。

3 训练模拟器系统软件设计吊装训练模拟器训练系统中，采用面向对象、拈化、标准化软件设计。软件开发平台选择VC开发平台，采用 MFC类库，C作为编程语言。数据存储模式采用 XML文件存储方式，从而实现更快速更方便的数据存储与读龋主要包含模型处理拈、训练管理系统、动力学控制系统、碰撞检测拈、静态数据设置拈、外设驱动拈、虚拟漫游系统等主要拈和子系统，每个组成部分都具有与其相关的数据输入输出和处理功能，有机地结合在-起，组成-个完整的虚拟现实软件支撑平台。图5为吊装训练模拟器系统软件体系架构图。

I 立体投影信号 显示器信号l 系统操作界面l 训练课程拈模型控制系统 动力学系统 碰撞控制系统 硬件设备控制系模型装载读取 环境参数模拟 检测算法 传感器模型空间位置初始化 模拟电机控制 碰撞检测接口 显示控制类动力学组件绑定 状态矩阵封装类 碰擅反力计算 驱动控制拈参数设定 运行速度计算模型 转换拈碰撞检测 物理模拟构造 组件绑定。

)。舡 处理拈l文件操作拈I声音处理拈I静态数学结构类I其他辅助组件数据来源：Ⅺ血文件数据库，自定义文件数据图5 吊装训练模拟器系统软件体系架构图1)动力学系统是虚拟现实系统提供各种环境和运动模拟的系统。环境参数模拟拈对嘲中的环境初始化参数进行模拟计算，得到真实嘲中的各种力参数，包括各种拉力、发动机动力、重力、加速度等。运行速度计算拈利用微积分知识和状态方程，结合物理运动模型分析，对虚拟现实嘲中相关模型的各个运行状态参量进行《起重运输机械》 2013(2)计算并输 出。模拟电机控制拈以真实电机的运行机理为基础，对电机的启动和停止以及所产生的各种力进行综合分析和计算，输出各种模拟力。

物理模型构造拈以各个吊装任务运行的实际过程进行物理运动分析，对各个力之间的关系以及各个模型实体所输入和输出的各种模拟力进行计算。状态矩阵封装类提供对运行状态实时计算模块的封装计算接 口，主要对常用的数学函数进行整理和封装。

2)模型控制系统主要通过对模型的读取与装载，以数据的方式进行解析并实时构造各个模型的空间初始定位，使整个虚拟嘲达到较好的逼真效果。对各个环境变量诸如重力、阻尼力、场地等进行初始化设定。以模拟真实环境为基础，对大车、小车、吊具、绳索等模型的质量、位置、大小等进行设定。对加载进入虚拟现实嘲的各模型对应的规则进行组合绑定，使各模型具有各自不同的运行动力机理。

3)硬件设备控制系统主要实现对外部设备的通信与控制功能，传感器拈针对不同的外设，设计了不同的信号接收和处理功能。吊装训练模拟器系统方案中传感器拈主要对跟踪器信号、空间自由鼠标、驾驶操作联动台操作杆、按钮信号进行接收、转换和处理，并以指定的接 口方式进行输出。转换拈通过对接收的数据与实际需求数据进行转换，达到系统的使用要求，主要包括跟踪器数据转换、空间 自由鼠标数据转换、驾驶操作台数字信号转换等。显示控制类主要针对最终的用户视觉部分进行控制，对显示器效果、立体投影效果和数字头盔等不同的输出方式进行处理。驱动控制类封装对各种外部设备的驱动进行处理 ，包括投影机、传感器、空间球、指挥台、驾驶室操作台等。

4)碰撞检测系统实现计算机碰撞检测和提供计算机碰撞算法。检测算法拈提供包围球层级算法、交叉检测算法等碰撞算法进行程序描述和输入输出接口的实现。碰撞检测接口通过计算和《起重运输机械》 2013(2)处理，得到检测结果并提供给外界输出接 口，方便外部进行调用。碰状力计算拈是在发生碰撞的瞬间，根据输入的各种参量包括碰撞各方的碰撞瞬间运行速度、质量、重力、空气阻尼力等进行碰撞计算，得到并输出碰撞后各个碰撞模型实体的承受力。

基于以上各子系统，依据 VC开发环境和MFC封装类进行吊装训练模拟器系统操作界面的开发和实现，通过该界面系统最终输出给教员、指挥号手和司机号手视觉效果信号，包括显示器信号、数字头盔信号和立体投影信号。通过比较，结合吊装训练模拟器仿真系统对视景、吊装任务对象的 真实感”要求，提出推荐采用 MultiGen。

Paradigm公司生产的 Creator作为主要建模软件，选择 3DMax和Photoshop作为辅助建模软件。

4 结束语针对吊装训练号手提出-种融合理论学习考核与操作-体化的吊装训练模拟器系统的总体框架结构技术方案。分析了其主要系统组成、工作原理和体系结构，提出采用面向对象设计思想的系统软件设计方案，并结合吊装训练仿真模拟器的实际需求，选择确定了建模软件工具和仿真软件工具。该方案对吊装训练模拟器系统的研制提供了技术基矗