基于Havok的铁路救援起重机物理行为仿真研究及应用

摘要

我国拥有世界第二的铁路通行总里程，铁路沿线地形环境复杂多样，铁路突发安全事故屡有发生，铁路突发事故的抢险救援工作对挽救人民生命财产，确保线路尽快恢复通行起着极为重要的作用。铁路救援起重机由于其功能强大、救援效率高的特点，在铁路抢险救援体系中处于核心地位，各大铁路局也都把救援起重机驾驶员培训列为工作重点之一。但由于传统的铁路救援起重机驾驶培训方法存在代价高昂、功能有限等缺陷，各铁路局已逐渐开始采用铁路救援起重机模拟驾驶系统对起重机驾驶人员进行全方位的虚拟操作培训。
　　 本文列举了现有救援起重机模拟驾驶培训系统所存在的诸多不足，例如起重机动作行为不够真实、行为脚本的编写工作冗繁易错且仿真范围有限等。之后，分析了国内外针对机械系统进行物理行为动力学仿真的具体案例与相关理论知识，基于Havok物理引擎仿真原理，搭建了铁路救援起重机动力学模型，设计并开发出一套完整的物理行为仿真模块。该仿真模块融合了物理引擎对于动作行为仿真高效、精确的优点，并面向承载较大负荷运作的复杂机械系统进行了针对性的仿真性能优化。最后将仿真模块嵌入铁路救援起重机模拟器系统，对其实际使用性能进行验证。
　　 本文研究的主要工作内容与研究成果如下:
　　 1、对物理引擎所涉及的关键理论与技术做了详尽的分析研究工作，同时分析了铁路救援起重机的基本物理结构及工作原理，尤其是各个关键部件联接部分的物理约束机制。摒弃了传统的物理行为仿真方法，提出基于更加高效和稳定的物理引擎技术进行起重机各项物理行为仿真工作的方案。
　　 2、采用了多刚体系统建模与基于Kane方程吊索建模的混合方法，在Havok建模环境下搭建起重机仿真模型，能够模拟出救援起重机在正常工作和异常事故情况下的物理行为，同时也增加了模型的稳定性。根据起重机自身机构与受力特性，设计并实现了可断裂约束，进一步提高了模型动作行为的真实程度。
　　 3、基于Havok物理引擎仿真原理，设计出铁路救援起重机物理行为仿真模块的基本流程框架，并使用仿真区域划分和碰撞公差技术对仿真模块的运算性能进行优化。
　　 4、将仿真模块嵌入铁路救援起重机模拟器系统中，验证其仿真功能与运算能力是否能够达到项目的技术要求。最终的测试结果表明该仿真模块满足实际应用要求。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及研究意义

1．2 物理行为仿真简介及国内外发展现状

1．2．1 物理行为仿真简介

1．2．2 国内外发展现状

1．3 课题的提出

1．4 主要研究工作及论文组织安排

第2章 物理引擎基本理论及Havok介绍

2．1 物理引擎简介

2．2 物理引擎理论基础简介

2．2．1 刚体运动学

2．2．2 刚体动力学

2．2．3 碰撞检测

2．3 物理引擎基本组件及框架

2．4 Havok简介

2．5 Havok物理引擎仿真流程

2．6 Havok多层碰撞检测系统

2．6．1 宽泛碰撞检测环节

2．6．2 中间层碰撞检测环节

2．6．3 最终详细碰撞检测环节

2．7 本章小结

第3章 Havok环境下的起重机建模

3．1 概述

3．2 起重机结构及工作模式分析

3．2．1 整体结构分析

3．2．2 运动机构分析

3．2．3 基本操作步骤及工作模式

3．2．4 动力学模型功能

3．3 建模环境

3．4 渲染模型与动力学模型

3．5 多刚体运动机构动力学建模

3．5．1 建模方法

3．5．2 双回转机构

3．5．3 支腿伸缩机构

3．6 柔性吊索动力学建模

3．6．1 柔性吊索的一般建模方法

3．6．2 基于Kane方程的吊索建模

3．7 本章小结

第4章 仿真运算模块设计及关键技术

4．1 概述

4．1．1 仿真模块的技术需求

4．1．2 需解决的技术难题

4．2 基本组成与搭建流程

4．3 事件侦听与数据采集

4．4 模型区域划分仿真优化

4．5 碰撞检测优化

4．6 网络传输

4．7 模块整体性能评估

4．7．1 积分运算

4．7．2 碰撞检测

4．8 本章小结

第5章 铁路救援起重机模拟驾驶系统及物理行为仿真

5．1 概述

5．2 铁路救援起重机模拟驾驶系统

5．2．1 系统功能

5．2．2 系统总体结构框架

5．2．3 操作指令采集

5．3 常见物理行为的可视化模拟

5．3．1 正常工作

5．3．2 负载碰撞

5．3．3 吊具脱落

5．3．4 起重机倾覆

5．4 本章小结

总结与展望

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的论文及科研情况