基于Unity3D的絞吸式挖泥船虛擬仿真系統(tǒng)
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圖片說明： No.92016年9月JournalofSystemSimulationSep.,2016http:∥www.china-simulation.com2070對(duì)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(duì)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(shí)地教學(xué)，其存在一定的安全隱患，且教學(xué)成本過高，同時(shí)水下絞刀挖泥場(chǎng)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(shí)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(duì)傳統(tǒng)培訓(xùn)方式的不足，基于虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)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(shí)技術(shù)，孫俊等人運(yùn)用MultigenCreator和Vega等軟件實(shí)現(xiàn)具有VR特征的船舶機(jī)艙虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了船舶機(jī)艙的場(chǎng)景搭建以及場(chǎng)景漫游[3]，，其虛擬現(xiàn)實(shí)仿真平臺(tái)研究主體在于整個(gè)場(chǎng)景的搭建以及虛擬漫游仿真，場(chǎng)景虛擬現(xiàn)實(shí)的交互性和系統(tǒng)功能的綜合性相對(duì)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(tái)研究，利用新興的計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)訓(xùn)平臺(tái)[4]，側(cè)重于機(jī)械技術(shù)的相應(yīng)開發(fā)，虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)模擬視景較好地實(shí)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(jì)整個(gè)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(hào)”絞吸式挖泥船[6]為模板，實(shí)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(tái)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(tái)車中橋架鋼樁的仿真采用了Joint代碼的二次開發(fā)，實(shí)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(chǎng)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(dòng)，實(shí)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(tái)輔以O(shè)culus立體眼鏡和Kinect，實(shí)現(xiàn)了挖泥船場(chǎng)景的立體顯示以及手勢(shì)識(shí)別的人機(jī)交互操作(如圖3(h)所示)。最后，我們將整個(gè)挖泥船仿真系統(tǒng)通過Unity3D配合相應(yīng)平臺(tái)的開發(fā)軟件發(fā)布在PC、移動(dòng)端以及網(wǎng)頁等多個(gè)平臺(tái)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(tái)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(shí)驗(yàn)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(xiàng)目(CE20155059) 江蘇省科技支撐計(jì)劃(BE2014048)
【分類號(hào)】：U674.31;TP391.9
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本文編號(hào)：2515483
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