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集装箱吊装模拟器原型机的研究 尹勇林锦尧郭国忠 (大连海事大学航海技术研究所，大连，116026) 摘要介绍了集装箱吊装模拟器原型机的系统构成．根据拉格朗日运动方程建立了系 统的运动模型，并在模型中增加了对集装箱吊减摇系统的仿真．仿真结果表明，所建立的运 动模型可以模拟由于加速运动所产生的货物不规则摇摆及在减摇控制装置起作用时，货物摇 摆角的收敛情况．本文尝试采用一种基于层次结构和均衡二叉树的面向对象实时三雏碰撞检 测技术，实现了虚拟场景的实时碰撞检测．视景系统采用半球形显示系统，满足系统对垂直 视场角的要求，具有较强的沉浸效果． 1引言 集装箱运输在我国海上运输中所占的比例越来越大，集装箱运输的显著优点之一是快速， 而集装箱吊装的效率和安全又是制约集装箱运输效率和安全的重要因素。目前，我国培训、评估 集装箱吊装操作人员大都是采用真实设备来进行的，用这种方式培训操作人员存在风险大，培 训费用高的明显缺点。近年来随着虚拟现实(vR)技术的快速发展，用集装箱吊装模拟器培训、 评估集装箱吊装操作人员成为可能，国外一些公司如：美国s．A公司、CSC公司均已推出了集 装箱吊装模拟器。采用计算机技术、图形图象技术、虚拟现实研制高质量的集装箱吊装模拟器， 可以克服采用真实设备危险性大、成本高的弊端，改善集装箱吊操作员的培训条件，并打破国 外发达国家在集装箱吊装模拟器市场上的垄断局面。集装箱吊装模拟器原型系统的关键技术是 如何建立系统的运动模型和视景显示技术。 2主要研究内容和系统构成 集装箱吊装模拟器原型机的主要研究内容包括： 1)吊车运动数学模型 2)货物运动数学模型研究(包括集装箱摇摆) 3)碰撞检测 研究系统中主要对象之问的碰撞检测算法，碰撞响应，主要包括被吊装集装箱与其他 集装箱，被吊装集装箱与船舱、甲板，被吊装集装箱与载运车辆之间的碰撞及响应。 4)港口虚拟环境 吊装模拟器的视景系统需要对港口的环境进行虚拟仿真。生成操作人员位于集装箱吊 驾驶仓内透过窗户看到的视景，主要包括驾驶仓轮廓、吊构件、码头背景、集装箱船、 吊索、被吊集装箱、集装箱堆场、载运车辆等。视景系统要求具有较宽的垂直视场角， 适合吊装作业时对垂真视场角要求较大的特点。 5) 吊装驾驶仓设备仿真 吊装驾驶仓设备可以采用两种方式，一种是采用虚拟操纵设备方式，如由图形系统生 成操纵杆、按钮、虚拟手等，通过数据手套操作这些虚拟设备；另一种方式是研制实 308 物操纵设备。经多次调研，目前吊装操作员希望采用实物操纵设备，所以还是采用研 制外观与实物一样的操纵设备的方式进行。系统构成如图1。 3系统运动模型的建立 集装箱吊的运动包括三部分：吊车在轨道上的左右运动；吊具的前后运动；吊具和货物的 ／半球型显示系统 图l系统构成 一 n ． ，，奈， ≥ ／一＼ 1／P叶由P 『 t 图2 系统坐标系 设某时刻，吊车沿轨道运动K，吊具沿吊臂运动X，吊绳长度为，，建立如图2的临时坐标 7 7 7 YZ Z 系x 7为P在Y 7。货物的位置点为P，P 7平面上的投影，和