摘 要

塔式起重机在建筑施工行业应用广泛，是国民经济发展过程中不可或缺的重要装备，然而传统的培训方法存在许多弊端，已不能满足如今对塔机司机的需求。利用虚拟现实技术与计算机仿真技术开发的塔式起重机模拟驾驶系统，可以为塔机司机提供一种更加方便、高效的培训方法。

本文主要介绍了塔机模拟驾驶系统的开发过程和其中遇到的一些关键问题。该系统以计算机软件系统为核心，通过模拟塔机及其工作环境，为用户呈现塔机驾驶过程中的看到的真实景象。用户可以通过鼠标与键盘控制虚拟塔机的动作，掌握塔机的工作流程与操作技巧，从而达到培训的目的。

本系统主要使用Unity软件开发。首先对系统需求进行分析，对系统进行总体结构设计，并规划了系统开发路线。然后研究了系统开发的关键技术，包括三维建模技术、模型优化与碰撞检测等。最后对系统的具体实现方法做了介绍。

关键词：塔式起重机，仿真训练系统，虚拟现实

DESIGN OF VR SIMULATING DRIVING SYSTEM OF TOWER CRANE

ABSTRACT

Tower Crane is widely used in the construction industry, which is an indispensable equipment in the process of national economy development, however, there are many drawbacks in traditional training methods, which can not meet the demand of the drivers of tower cranes.

The simulation driving system of Tower Crane, which is developed by virtual reality technology and computer simulation technology, can provide a more convenient and efficient training method for tower driver. This paper mainly introduces the development process of tower crane simulating driving system and some key problems encountered in it. This system takes the computer software system as the core, through simulates the tower crane and its working environment, presents the real scene which the user sees in the tower crane driving process.Users can control the action of the virtual Tower machine through the mouse and keyboard, master the working flow and operation skill of the tower crane, so as to achieve the training purpose.

The system is mainly developed with Unity,a popular game engine. Firstly, the system requirements are analyzed, the overall structure of the system is designed, and the system development route is planned. Then we study the key technologies of system development, including three-dimensional modeling technology, model optimization and collision detection. Finally,we introduce the concrete implementation method of the system.

Key Words：Tower Crane,Simulation Training System,Virtual Reality

目录

摘要 I

第一章 绪论 1

1.1 课题研究的背景及意义 1

1.2 仿真训练系统简介 1

1.3 起重机仿真训练系统的研究现状 2

第二章 系统总体结构设计 4

2.1 系统功能需求 4

2.2 系统总体结构与工作原理 5

2.2.1. 系统结构 5

2.2.2. 系统工作原理 5

2.3 系统开发路线 6

第三章 关键技术 9

3.1 三维建模技术 9

3.2 模型优化技术 10

3.2.1. 层次细节简化技术 10

3.2.2. 纹理映射技术 11

3.2.3. 实例引用技术 12

3.3 碰撞检测技术 12

3.4 Unity开发技术 14

第四章 塔式起重机模拟驾驶系统的实现 16

4.1 导入模型 16

4.2 搭建场景 17

4.3 塔机运动功能的实现 19

4.4 塔机控制系统的实现 21

4.5 视角控制功能的实现 22

4.6 吊重物功能的实现 23

4.7 考核系统的实现 24

4.8 其他功能 25

4.8.1. 第三人称辅助视角 25

4.8.2. 天空盒子 26

4.9 本章小结 27

第五章 工作总结 28

参考文献 29

致谢 31

绪论

课题研究的背景及意义

塔式起重机具有工作幅度大、覆盖面积广、工作效率高等优点，被广泛应用于建筑施工现场。塔式起重机的操作直接影响到人民的生命和财产安全，所以我国法律规定新司机必须到政府批准的培训中心参加培训，取得资格证书后方可从事此项工作。由于塔式起重机操作的特殊性，司机的培训不仅周期长，且培训内容有限，不能覆盖各种工况，在出现新工况时只能依靠经验判断，无疑增加了操作的危险性。借助虚拟现实技术建立塔机模拟驾驶仿真系统，能模拟各种工况，不仅可以降低培训风险，而且缩短了培训周期。我国尚没有开发塔式起重机模拟驾驶平台，对这一系统的研究也不多，在中外文献中有一些关于塔式起重机模拟系统开发的报道，但是所见实物很少。本课题根据实际需求，基于虚拟现实技术(Virtual Reality，VR)对塔式起重机操作进行视景仿真，开发出一套塔式起重机仿真模拟驾驶系统。

仿真训练系统简介

仿真训练系统集成了计算机技术、虚拟现实技术、光电信息技术等前沿科技，其目的是利用计算机软件模拟真实系统的性质和行为，以便用于教学和训练，帮助学员准确的掌握系统的操作和管理。仿真训练系统最初被应用于航空、航天等特殊领域，但随着计算机技术的发展及仿真技术的日益成熟，越来越多种类的仿真训练系统被开发出来，广泛运用于船舶、车辆以及医疗教学等一系列领域。

仿真训练系统分为仪器仿真和虚拟仿真两种类型，其中仪器仿真要求配备仿照真实设备制造的的仪表盘及操作面板，通过将受训者的操作输入到计算机系统，计算机系统则模拟真实设备的运行机制做出反馈，并反映到仪表盘上，使整个训练过程具备很好的真实感，能够保证训练效果。仪器仿真的成本较高，主要运用在对实时性要求较高的领域，而虚拟仿真则更为经济实用。虚拟仿真是指在计算机显示屏上绘制控制面板和仪表盘，并通过键盘鼠标等外设直接实现对系统的控制。由于虚拟仿真不依赖多余的外部设备，可以直接在PC机上运行，非常便于推广普及。

起重机仿真训练系统的研究现状

仿真训练系统用于起重机驾驶人员的培训起源于上世纪八十年代末。1989 年，美国 Digitran 公司生产了国际上第一个采用虚拟仿真技术开发的岸吊式起重机仿真器。该仿真器的操作台和现实中岸吊起重机操作台一样，且具有液压激振系统和实时的监控系统，可以设置各种环境参数。20世纪90年代后期，美国 Globalsims 公司生产了使用标准 PC 机控制模式的仿真模拟器，该模拟器采用电动激振系统，可以模拟不同机型的起重机，同时配备显示系统、训练系统和音响系统等，功能非常强大。韩国的TSB公司在同一时期生产了跨轨式岸边起重机 仿真训练器，该模拟器是一种半实物仿真器，具有训练台、教练台和仿真模型三大部分。2002 年，挪威 Hitec-O 公司生产一套港机仿真模拟器，该模拟器采用特殊的穹型投影，全面覆盖模拟器驾驶室，形成 360°方向全视景显像，是国际上第一个三维全景起重机模拟器。

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