雙主吊鉤汽車起重機(jī)三維仿真的研究與應(yīng)用

蔣春朗，梁友國，李 末，考 輝

(大連益利亞科技發(fā)展有限公司，遼寧 大連 116021)

0 引言

當(dāng)前三維仿真技術(shù)已廣泛應(yīng)用于吊裝領(lǐng)域，各種大型吊裝項(xiàng)目都已經(jīng)逐步開始使用三維仿真預(yù)演吊裝方案，力求在實(shí)際操作中減少可能發(fā)生的吊裝事故，但大多數(shù)的三維仿真預(yù)演都只是通過鍵入固定的吊裝動作或者通過鍵盤鼠標(biāo)模擬動作來實(shí)現(xiàn)整個(gè)吊裝仿真過程，與實(shí)際操作存在極大的差異，并沒有真正做到吊裝預(yù)演的效果[1]。雙主吊鉤汽車起重機(jī)的雙鉤起吊方式更加復(fù)雜，讓這種安全隱患更為明顯。為此，本文將應(yīng)用與駕駛室配置一致的起重機(jī)操作臺，來實(shí)現(xiàn)與雙主吊鉤汽車起重機(jī)實(shí)際吊裝相接近的三維仿真，通過軟硬件高度結(jié)合的方式來實(shí)現(xiàn)逼真的吊裝預(yù)演，為雙主吊鉤汽車起重機(jī)吊裝仿真提供切實(shí)可靠的方案數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)正式吊裝時(shí)的省時(shí)省力、平安作業(yè)。

1 雙主吊鉤汽車起重機(jī)仿真模擬系統(tǒng)硬件架構(gòu)

雙主吊鉤汽車起重機(jī)仿真模擬系統(tǒng)的工作主機(jī)采用工控機(jī)+PMAC(Programmable Multi-Axis Controller)運(yùn)動控制卡的形式，起重機(jī)的轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)、臂架變幅、兩側(cè)吊鉤升降等動作皆是通過PMAC運(yùn)動控制卡控制[2]；司機(jī)室座椅與運(yùn)動控制卡相連，隨著起重機(jī)模擬運(yùn)動而運(yùn)動；視景通過主機(jī)投影到屏幕上，產(chǎn)生逼真的模擬效果；同時(shí)立體音響模擬起重機(jī)和環(huán)境音效，實(shí)時(shí)配合系統(tǒng)中模型的動作，形成一個(gè)高沉浸感的模擬系統(tǒng)。雙主吊鉤汽車起重機(jī)仿真模擬系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖1所示。

圖1 雙主吊鉤汽車起重機(jī)仿真模擬系統(tǒng)硬件架構(gòu)

2 三維建模

想要實(shí)現(xiàn)逼真的吊裝體驗(yàn)，三維建模便是三維仿真的重中之重，但不是指單單通過構(gòu)建與實(shí)際場地一致的起重機(jī)模型及其周圍環(huán)境即可，還需要一套完整的視景仿真技術(shù)為用戶提供模擬過程中所能看到的逼真景象。結(jié)合自身團(tuán)隊(duì)技術(shù)與外界主流偏向，本文采用了Unity和3dmax來實(shí)現(xiàn)用戶與仿真對象的自然交互[3]，以確保仿真結(jié)果。這里最主要的體現(xiàn)方式是視覺上的效果，通過三維顯示設(shè)備作為輸出設(shè)備，把虛擬場景的模型變換重繪在操作者的眼前，給操作者一種所見即所得的效果。汽車起重機(jī)三維建模架構(gòu)如圖2所示。

圖2 汽車起重機(jī)三維建模架構(gòu)

3 仿真系統(tǒng)

仿真系統(tǒng)的關(guān)鍵是在仿真流程中實(shí)現(xiàn)三維吊裝過程可視化工作，三維吊裝可視化主要負(fù)責(zé)顯示仿真中三維場景的一切物體并進(jìn)行碰撞檢測[4]，具體是在作業(yè)環(huán)境模型、吊索具模型、被吊物模型、起重機(jī)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)動作計(jì)算模塊求得的系統(tǒng)位姿更新模型進(jìn)行碰撞檢測，最終渲染吊裝仿真場景。仿真系統(tǒng)工作流程如圖3所示。

圖3 仿真系統(tǒng)工作流程

三維吊裝可視化實(shí)質(zhì)上是將當(dāng)前的吊裝狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示出來，因此只要能準(zhǔn)確求出起重機(jī)當(dāng)前的吊裝狀態(tài)，即可采用合適的場景組織方法組織管理三維模型，最終利用渲染引擎將其顯示出來。因此，吊裝狀態(tài)的求解即是吊裝仿真的關(guān)鍵，而吊裝狀態(tài)的求解有多種方法，并且吊裝狀態(tài)求解與可視化沒有必然的聯(lián)系，為此，在吊裝仿真設(shè)計(jì)時(shí)，本文將動作計(jì)算獨(dú)立出來，形成吊裝仿真動作計(jì)算模塊。

4 吊裝動作計(jì)算

吊裝動作計(jì)算模塊主要負(fù)責(zé)根據(jù)上一時(shí)刻的吊裝狀態(tài)及當(dāng)前所選用的動作計(jì)算新的吊裝狀態(tài)，其數(shù)學(xué)模型可抽象為：

qt=f(qt-1，ut).

(1)

其中：qt-1、qt分別為由起重機(jī)和被吊物組成的系統(tǒng)上一時(shí)刻和當(dāng)前時(shí)刻的吊裝狀態(tài)；ut為所應(yīng)用的動作。

起升系統(tǒng)雙鉤吊裝仿真計(jì)算模塊主要負(fù)責(zé)根據(jù)上一時(shí)刻的吊裝狀態(tài)及當(dāng)前時(shí)刻所應(yīng)用的動作計(jì)算雙鉤和被吊物的位姿[5]。此模塊提供了基于正向運(yùn)動學(xué)和基于幾何約束兩種計(jì)算模式，其中基于正向運(yùn)動學(xué)的計(jì)算方法可以通過操控雙鉤模擬任意的雙鉤吊裝過程;基于幾何約束的雙鉤仿真方法由于事先已把協(xié)同策略嵌入雙鉤系統(tǒng)的基本動作中，因而可以容易地模擬期望的雙鉤吊裝過程。本文以吊鉤起升為例論述雙吊鉤起升動作的實(shí)現(xiàn)方法。

以左側(cè)吊繩頂端O點(diǎn)作為計(jì)算原點(diǎn)，設(shè)左側(cè)吊繩的長度為L1，右側(cè)吊繩的長度為L2，兩側(cè)吊點(diǎn)間距為d。吊鉤起升簡易示意圖如圖4所示。

圖4 吊鉤起升簡易示意圖

吊鉤起升后，左側(cè)吊點(diǎn)A′的坐標(biāo)為(L1sinθ1，-L1cosθ1)，右側(cè)吊點(diǎn)B′的坐標(biāo)為(d-L2sinθ2,-L2cosθ2)。根據(jù)物體受力分析可知，吊鉤起升后，被吊物重心不會發(fā)生偏移，兩側(cè)吊繩的偏擺角度相同，即θ1=θ2=θ。故可通過AB點(diǎn)向量構(gòu)建等式：

((L1+L2)sinθ-d)2+(L2-L1)2cos2θ=d2.

(1)

令a=4L1L2,b=-2d(L1+L2)，c=(L2-L1)2，則由式(1)可構(gòu)建出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的一元二次方程：

asin2θ+bsinθ+c=0.

(2)

由此，得出兩側(cè)吊鉤的偏擺角θ和A′、B′兩點(diǎn)坐標(biāo)后，便可計(jì)算出吊鉤發(fā)生偏擺后的實(shí)際位姿。

綜上所述，無論是哪一側(cè)吊鉤起升、下降或是兩側(cè)吊鉤同步起升、下降，使用以上計(jì)算方法，只要獲取到兩側(cè)吊繩的長度變化，便可通過計(jì)算得出兩側(cè)吊鉤的實(shí)際位姿參數(shù)。

5 串口通信

通過軟硬件結(jié)合的方式進(jìn)行吊裝模擬，關(guān)鍵點(diǎn)在于數(shù)據(jù)的傳輸，通俗說，即是上位機(jī)發(fā)送指令、下位機(jī)再反過來通知上位機(jī)的過程。本文中的雙主吊鉤汽車起重機(jī)三維仿真所使用的方法便是通過一份專門為軟硬件所需通信數(shù)據(jù)敲定好的通訊協(xié)議來進(jìn)行傳輸，起重機(jī)與操作箱通訊協(xié)議如圖5所示，起重機(jī)與遙控器通訊協(xié)議如圖6所示。起重機(jī)操作箱將用戶操作后的起重機(jī)姿態(tài)通過一組數(shù)據(jù)傳遞到PC主機(jī)，PC主機(jī)通過解析計(jì)算后更新至仿真系統(tǒng)的場景樹中，通過圖形渲染展示出來。同時(shí)，通過計(jì)算得到的起重機(jī)相關(guān)參數(shù)，也會同步返回至遙控器端，以保證指揮者能通過遙控器顯示屏獲取每一次操作的詳細(xì)數(shù)據(jù)，以便更加精準(zhǔn)地完成整個(gè)仿真模擬。

圖5 起重機(jī)與操作箱通訊協(xié)議

圖6 起重機(jī)與遙控器通訊協(xié)議

需要注意的是，考慮到傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，操作臺操作時(shí)可能會引起數(shù)據(jù)中斷[6]，本文中的串口通信選擇了異步傳輸?shù)姆绞剑⒃诖嘶A(chǔ)上為確保數(shù)據(jù)獲取的完整性，又增加了用于識別信息完整性的通信地址，數(shù)據(jù)在操作臺與PC主機(jī)間傳輸時(shí)通過以上條件甄別是否為仿真需要的正確數(shù)據(jù)，再交由計(jì)算模塊對起重機(jī)動作進(jìn)行計(jì)算渲染。

6 實(shí)際應(yīng)用

雙主吊鉤汽車起重機(jī)的雙鉤起吊方式在實(shí)際吊裝項(xiàng)目中需要經(jīng)過嚴(yán)密的計(jì)算，吊裝過程中更需要隨時(shí)停止作業(yè)進(jìn)行數(shù)據(jù)修正，非常耗時(shí)耗力。本文使用與起重機(jī)操作臺相結(jié)合的方式，用與實(shí)際吊裝相接近的三維吊裝預(yù)演將整個(gè)現(xiàn)場吊裝過程展示出來，也為實(shí)際吊裝提供了切實(shí)可靠的方案數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了真正省時(shí)省力的平安作業(yè)。三維仿真場景下的雙鉤吊裝過程如圖7所示，現(xiàn)場作業(yè)時(shí)用于數(shù)據(jù)對比的仿真回放如圖8所示。

圖7 仿真預(yù)演時(shí)的單、雙鉤起吊過程

圖8 現(xiàn)場作業(yè)時(shí)用于數(shù)據(jù)對比的仿真回放

7 結(jié)語

本文基于三維吊裝仿真的相關(guān)知識，研究開發(fā)了一種通過軟硬件相結(jié)合的方法來實(shí)現(xiàn)三維仿真的沉浸式模擬，并已應(yīng)用于實(shí)際項(xiàng)目的吊裝仿真過程中，有效縮短了實(shí)際吊裝的時(shí)間，顯著提高了實(shí)際吊裝的安全性，減少了相關(guān)人員大量重復(fù)的計(jì)算與試吊，在降低吊裝成本的同時(shí)提高了吊裝作業(yè)的速度。