懸臂式掘進(jìn)機(jī)虛擬仿真平臺設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、懸臂式掘進(jìn)機(jī)被廣泛應(yīng)用于煤礦井下巷道施工，隨著其結(jié)構(gòu)和功能的不斷發(fā)展，作業(yè)人員的不熟練操作和失當(dāng)維護(hù)會導(dǎo)致多種掘進(jìn)作業(yè)安全事故；同時，隨著高等學(xué)校的大幅擴(kuò)招，礦業(yè)類專業(yè)的大中專學(xué)生的現(xiàn)場認(rèn)知實習(xí)需求也大幅增長，傳統(tǒng)的使用書本教學(xué)培訓(xùn)方法和基于井下實際操作的訓(xùn)練方法由于其局限性，無法滿足對現(xiàn)場操作人員的培訓(xùn)教學(xué)要求和礦業(yè)類專業(yè)學(xué)生的現(xiàn)場實習(xí)需要。針對這一現(xiàn)狀，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)和交互仿真技術(shù)應(yīng)用到懸臂式掘進(jìn)機(jī)虛擬仿真平臺的研發(fā)，設(shè)計并研制了虛

2、擬實操系統(tǒng)。
　　根據(jù)懸臂式掘進(jìn)機(jī)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展歷史與應(yīng)用現(xiàn)狀，依據(jù)掘進(jìn)作業(yè)的主要方法和安全操作規(guī)程，進(jìn)行了需求分析并設(shè)計平臺總體方案，方案包括設(shè)計思路、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、軟硬件組成、關(guān)鍵技術(shù)問題等。本文的主要研究成果歸納如下：
　　1．按照危險源評價原則，給出了一種基于風(fēng)險評估的分析方法，基于掘進(jìn)作業(yè)規(guī)范與安全操作規(guī)程為仿真平臺開發(fā)了安全操作訓(xùn)練模塊，實現(xiàn)了仿真平臺的安全操作功能。
　　2．采用三維建模技術(shù)，使用多邊形

3、建模方法制作了巷道場景、懸臂式掘進(jìn)機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、供電系統(tǒng)等的三維模型，并搭建了虛擬場景；針對巷道的建模和懸臂式掘進(jìn)機(jī)運動特性的模擬進(jìn)行了研究，給出了不同構(gòu)造巷道的建模算法與履帶行走的仿真模型，提高了虛擬場景的真實性。
　　3．利用可編程圖形接口技術(shù)、虛擬引擎技術(shù)驅(qū)動三維模型組成的虛擬場景，經(jīng)渲染器生成圖像，實現(xiàn)了仿真平臺的基礎(chǔ)；通過粒子系統(tǒng)、基于GPU技術(shù)的可編程高級著色器語言以及紋理映射等技術(shù)，為虛擬場景添加了高斯模糊、灰度化等特

4、殊效果，最終生成的虛擬場景更加真實并富于沉浸感，滿足高分辨率、實時性等設(shè)計要求。
　　4．根據(jù)掘進(jìn)機(jī)的實際操作流程，采用嵌入式技術(shù)設(shè)計制作了虛擬仿真平臺的硬件操作臺；研究了操作臺硬件的數(shù)據(jù)處理方法，并設(shè)計了其與主控計算機(jī)的通信模式，實現(xiàn)了通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)實時渲染出的虛擬場景和硬件操作臺進(jìn)行人機(jī)交互操作的目標(biāo)。
　　通過虛擬現(xiàn)實等技術(shù)研制的仿真平臺，實現(xiàn)了半實物模擬，就用戶使用效果而言，達(dá)到了經(jīng)濟(jì)、實用、高效的目標(biāo)，彌補了傳統(tǒng)