CN113342169B - 一种基于力反馈的塔式起重机操作虚拟培训系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于力反馈的塔式起重机操作虚拟培训系统。包括输入模块、图形计算单元、输出模块和反馈模块，输入模块是将培训人员对机械杆的操作转化为电信号，图形计算单元是将输入的电信号通过图形引擎对虚拟仿真图形进行相应的变换，输出模块是对图形变换的变换空间进行模型约束判断，再将约束判断的结果转换为电信号，反馈模块是对输出模块中的电信号进行舵机控制，最后将舵机控制的结果反馈到机械操作杆进行力反馈的效果模拟。本发明培训系统能够根据塔式起重机的空间约束和载重约束提供更加真实的操作触感，使培训系统更加符合真实的操作场景，进一步提高培训人员更至实地感受操作杆的力反馈，提高操作技术。
Description
技术领域
本发明属于教育培训系统设计技术领域，属于大型设备虚拟操作教育培训系统设计技术领域，涉及一种基于力反馈的塔式起重机操作虚拟培训系统。
背景技术
目前，随着我国经济的高速发展，基建项目越来越多，在工地上塔式起重机是一种常见的建筑施工设备，其操作技术要求相对较高。培养一名合格的塔式起重机操作人员需要很大的物力和财力的投入，并且在真实的场景中培训具有一定的危险性，因此建立一套塔式起重机操作的虚拟培训系统具有很大的应用情景。
公开号为CN 101655786的中国专利公开了“塔式起重机操作模拟培训虚拟现实软件系统”，其实现了塔式起重机的工作过程和场景的变化，模拟了白天、黑夜、雾等三位视景的生成和变化，专供塔式起重机驾驶员的培训使用，但是该技术仅仅建立了视觉上的模型仿真，并没有给出真实的操作触感，操作培训的效果欠佳。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于力反馈的塔式起重机操作虚拟培训系统。本发明目的是提供一种具有力反馈信号交互特性，为培训人员提供更加真实的操作手感的塔式起重机操作虚拟培训系统。
本发明通过以下技术方案实现：
一种基于力反馈的塔式起重机操作虚拟培训系统，其特征在于：包括输入模块、图形计算单元、输出模块和反馈模块；
所述输入模块是将培训人员对机械杆的操作转化为电信号；
所述图形计算单元是将输入的电信号通过图形引擎对虚拟仿真图形进行相应的变换；
所述输出模块是对图形变换的变换空间进行模型约束判断，再将约束判断的结果转换为电信号；
所述反馈模块是对输出模块中的电信号进行舵机控制，最后将舵机控制的结果反馈到机械操作杆进行力反馈的效果模拟。
所述输入模块通过建立模拟塔式起重机操控室，并建立模拟操作塔式起重机的操作杆，操作杆的机械运动驱动连接的继电器电信号改变；通过操作杆的机械运动，改变电信号的大小，实现力学变化到电信号变化。
所述图形计算单元通过输入模块传入的电信号的大小，改变对应仿真模型的运动方向和位移大小；电信号是通过串口通信传输到图形引擎，将电信号传入到图形变换程序，实现对应模型的变换。
所述输出模块是对图形计算单元中的图形变换的模型进行约束判断，包括空间变换约束和载重约束；
空间变换约束：空间变化阈值K＝K1,K2)，其中K1为水平方向上的阈值，K1∈[a,b]；K2为垂直方向上的阈值，K2∈[c,d]；且存在水平方向的空间临界范围[a0,b0]∈[a,b]和垂直方向的空间临界范围[c0,d0]∈[c,d]；则水平空间变化Kx和垂直空间变化Ky与电信号E存在以下关系：
空间临界值a0,b0，c0,d0满足如下要求：
式中，am、bm、cm、dm为下限取值，an、bn、cn和dn为上限取值；
载重约束：载重约束函数F满足以下要求，当载重重量M越大的时候，且M∈[e0,f0]∈[e,f]时，其中e和f为载重符合的上下限，e0,f0为载重的临界值，则输出的电信号F为常数θ；当
时，则输出的电信号F＝0；当M∈[e,e0]∪[f0,f]时，则输出的电信号F＝τ·M，其中τ为正相关系数。
所述反馈模块是通过输出模块输出的电信号的大小来控制反馈模块中的舵机转动力大小；设定转动力大小N满足公式：N＝β·(E2+F2)1/2，电信号E、F越大，则输出越大的转动力N，β为正相关系数；再将转动力传输到操作杆上进行力反馈。
本发明培训系统与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明提供的基于力反馈的大型塔式起重机操作虚拟培训系统，能够根据塔式起重机的空间约束和载重约束提供更加真实的操作触感，让培训系统更加符合真实的操作感受。
(2)本发明提供的基于力反馈的大型塔式起重机操作虚拟培训系统，能够让培训人员体验真实的操作触感，进而进一步地感受操作杆的力反馈，便于提高操作技术。
附图说明
图1是本发明塔式起重机操作虚拟培训系统原理框图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进一步说明，具体实施方式是对本发明原理的进一步说明，不以任何方式限制本发明，与本发明相同或类似技术均没有超出本发明保护的范围。
结合附图。
如图1所示，图1是本发明一种基于力反馈的塔式起重机操作虚拟培训系统原理框图。
本发明塔式起重机操作虚拟培训系统，包括：输入模块、图形计算单元、输出模块和反馈模块。
输入模块将培训人员对机械杆的操作转化为电信号；
输入模块建立模拟塔式起重机操控室，建立类似操作塔式起重机的操作杆，操作杆的机械运动能改变连接的继电器等元器件。通过操作杆的机械运动，进而改变电信号的大小，实现力学变化到电信号变化的过程。
图形计算单元将输入的电信号通过图形引擎对虚拟仿真图形进行相应的变换；
图形计算单元通过输入模块传入的电信号的大小，进而改变对应仿真模型的运动方向和位移大小。电信号主要是通过串口通信传输到图形引擎，然后将电信号传入到图形变换程序，进而实现对应模型的变换。
输出模块是对图形变换的变换空间进行模型约束判断，再将约束判断的结果转换为电信号；
输出模块主要是对图形计算单元中的图形变换的模型进行约束判断，包括空间变换约束和载重约束；
空间变化阈值K＝(K1,K2)，其中K1为水平方向上的阈值，K1∈[a,b]；K2为垂直方向上的阈值,K2∈[c,d]。且存在水平方向的空间临界范围[a0,b0]∈[a,b]和垂直方向的空间临界范围[c0,d0]∈[c,d]，则水平空间变化Kx和垂直空间变化Ky与电信号E存在以下关系：
进一步地，所述空间临界值a0,b0，c0,d0如下要求：
本实施例中am、bm、cm和dm取值为0，an、bn、cn和dn分别取值0.05。
载重约束符合函数F满足一下要求：当载重重量M越大的时候，且M∈[e0,f0]∈[e,f]时(其中e和f为载重符合的上下限，e0,f0为载重的临界值)，则输出的电信号F为常数θ；当
时，则输出的电信号F＝0；当M∈[e,e0]∪[f0,f]时，则输出的电信号F＝τ·M，其中τ为正相关系数。本实施例中τ＝2.
反馈模块是对输出模块中的电信号进行舵机控制，最后将舵机控制的结果反馈到机械操作杆进行力反馈的效果。
所述反馈模块是通过输出模块输出的电信号的大小来控制反馈模块中的舵机转动力大小；设定转动力大小N满足公式：N＝β·(E2+F2)1/2，电信号E、F越大，则输出越大的转动力N，β为正相关系数；再将转动力传输到操作杆上进行力反馈。本实施例中β＝3。
最后再将转动力传输到操作杆上进行力反馈。
Claims (4)
1.一种基于力反馈的塔式起重机操作虚拟培训系统，其特征在于：包括输入模块、图形计算单元、输出模块和反馈模块；
所述输入模块是将培训人员对机械杆的操作转化为电信号；
所述图形计算单元是将输入的电信号通过图形引擎对虚拟仿真图形进行相应的变换；
所述输出模块是对图形变换的变换空间进行模型约束判断，再将约束判断的结果转换为电信号；
所述反馈模块是对输出模块中的电信号进行舵机控制，最后将舵机控制的结果反馈到机械操作杆进行力反馈的效果模拟；
其中，所述输出模块是对图形计算单元中的图形变换的模型进行约束判断，包括空间变换约束和载重约束；
空间变换约束：设空间变化阈值K＝(K1,K2)，其中K1为水平方向上的阈值，K1∈[a,b]；K2为垂直方向上的阈值，K2∈[c,d]；且存在水平方向的空间临界范围[a0,b0]∈[a,b]和垂直方向的空间临界范围[c0,d0]∈[c,d]；则水平空间变化Kx和垂直空间变化Ky与电信号E存在以下关系：
空间临界值a0,b0，c0,d0满足如下要求：
式中，am、bm、cm、dm为下限取值，an、bn、cn和dn为上限取值；
载重约束：载重约束函数F满足以下要求，当载重重量M越大的时候，且M∈[e0,f0]∈[e,f]时，其中e和f为载重符合的上下限，e0,f0为载重的临界值，则输出的电信号F为常数θ；当
时，则输出的电信号F＝0；当M∈[e,e0]∪[f0,f]时，则输出的电信号F＝τ·M，其中τ为正相关系数。
2.根据权利要求1所述的基于力反馈的塔式起重机操作虚拟培训系统，其特征在于：所述输入模块通过建立模拟塔式起重机操控室，并建立模拟操作塔式起重机的操作杆，操作杆的机械运动驱动连接的继电器电信号改变；通过操作杆的机械运动，改变电信号的大小，实现力学变化到电信号变化。
3.根据权利要求1所述的基于力反馈的塔式起重机操作虚拟培训系统，其特征在于：所述图形计算单元通过输入模块传入的电信号的大小，改变对应仿真模型的运动方向和位移大小；电信号是通过串口通信传输到图形引擎，将电信号传入到图形变换程序，实现对应模型的变换。
4.根据权利要求1所述的基于力反馈的塔式起重机操作虚拟培训系统，其特征在于：所述反馈模块是通过输出模块输出的电信号的大小来控制反馈模块中的舵机转动力大小；设定转动力大小N满足公式：N＝β·(E2+F2)1/2，电信号E、F越大，则输出越大的转动力N，β为正相关系数；再将转动力传输到操作杆上进行力反馈。
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