悬臂式掘进机虚拟仿真平台设计及关键技术研究

摘要

悬臂式掘进机被广泛应用于煤矿井下巷道施工，随着其结构和功能的不断发展，作业人员的不熟练操作和失当维护会导致多种掘进作业安全事故；同时，随着高等学校的大幅扩招，矿业类专业的大中专学生的现场认知实习需求也大幅增长，传统的使用书本教学培训方法和基于井下实际操作的训练方法由于其局限性，无法满足对现场操作人员的培训教学要求和矿业类专业学生的现场实习需要。针对这一现状，将虚拟现实技术和交互仿真技术应用到悬臂式掘进机虚拟仿真平台的研发，设计并研制了虚拟实操系统。
　　根据悬臂式掘进机和虚拟现实技术的发展历史与应用现状，依据掘进作业的主要方法和安全操作规程，进行了需求分析并设计平台总体方案，方案包括设计思路、系统结构、软硬件组成、关键技术问题等。本文的主要研究成果归纳如下：
　　1．按照危险源评价原则，给出了一种基于风险评估的分析方法，基于掘进作业规范与安全操作规程为仿真平台开发了安全操作训练模块，实现了仿真平台的安全操作功能。
　　2．采用三维建模技术，使用多边形建模方法制作了巷道场景、悬臂式掘进机、转载机、供电系统等的三维模型，并搭建了虚拟场景；针对巷道的建模和悬臂式掘进机运动特性的模拟进行了研究，给出了不同构造巷道的建模算法与履带行走的仿真模型，提高了虚拟场景的真实性。
　　3．利用可编程图形接口技术、虚拟引擎技术驱动三维模型组成的虚拟场景，经渲染器生成图像，实现了仿真平台的基础；通过粒子系统、基于GPU技术的可编程高级着色器语言以及纹理映射等技术，为虚拟场景添加了高斯模糊、灰度化等特殊效果，最终生成的虚拟场景更加真实并富于沉浸感，满足高分辨率、实时性等设计要求。
　　4．根据掘进机的实际操作流程，采用嵌入式技术设计制作了虚拟仿真平台的硬件操作台；研究了操作台硬件的数据处理方法，并设计了其与主控计算机的通信模式，实现了通过虚拟现实技术实时渲染出的虚拟场景和硬件操作台进行人机交互操作的目标。
　　通过虚拟现实等技术研制的仿真平台，实现了半实物模拟，就用户使用效果而言，达到了经济、实用、高效的目标，弥补了传统培训模式的局限性。

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1引言

1.1研究背景及选题意义

1.2掘进机发展概述

1.3虚拟现实技术及其应用现状

1.4研究目标

1.5创新点

1.6本文结构安排

1.7本章总结

2虚拟仿真平台关键技术研究

2.1 三维建模技术

2.2 虚拟现实引擎技术

2.3 粒子系统

2.4 场景图像处理技术

2.5 本章小结

3悬臂式掘进机仿真平台总体设计

3.1平台设计思路

3.2平台系统结构

3.3平台组成

3.4仿真平台研制的关键问题

3.5本章总结

4悬臂式掘进机仿真设计

4.1结构分析

4.2掘进作业分析

4.3悬臂式掘进机仿真

4.4行走仿真

4.5安全操作规程

4.6掘进工作安全分析

4.7本章总结

5虚拟场景仿真

5.1巷道模拟

5.2实时渲染

5.3渲染的虚拟场景

5.4虚拟场景特殊效果添加

5.5悬臂式掘进机虚拟场景仿真实现

5.6最终场景

5.7本章总结

6悬臂式掘进机虚拟仿真平台的实现

6.1硬件控制台设计

6.2软硬件通信

6.3控制台实现

6.4本章总结

7全文总结与展望

7.1本文主要研究工作

7.2未来研究工作

参考文献

附录1

附录2

作者简历

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