专利名称：一种起重机虚拟操纵系统的制作方法
技术领域：
本发明属于一种虚拟操纵系统，具体涉及一种起重机虚拟操纵系统。
背景技术：
起重设备作为特种设备，从业人员必须经过严格的培训之后方能持证上岗。传统的培训多采用师傅带徒弟的方式，由于起重设备多处于高空环境，初学者直接在实际设备中进行操作往往具有极大的危险性，有些场合甚至会影响到生产单位的正常生产，导致巨大的经济损失。在这种背景下，利用模拟训练器进行培训逐渐成为起重机培训的重要手段。
目前，国外已经出现了一些商品化的起重机模拟训练器产品，荷兰、美国、加拿大、挪威、英国、新加坡等国相继开展了应用起重机模拟训练器进行起重机操纵培训的工作。起重机的模拟训练器多采用半实物仿真形式，主要包括操纵输入单元、计算机处理单元和效果输出单元。操纵输入单元一般采用真实的起重机司机室实物，内含控制台和座椅，受训者坐在司机室模型内的座椅上，可以模仿真实的动作操纵控制台上的各类元件。操纵信号进入计算机处理单元，生成起重机受控视景和声响并输出到效果输出单元。效果输出单元的主要组成部分是显示输出装置，布置在司机室前方，受训者观察其中的视景，获得受训体验。
前述的显示输出装置多采用大屏幕电视和多通道显示器的方式。大屏幕电视的视野范围较大，但只能以固定的视点方向观看视景，无法观察司机室左、右方向的视景效果；多通道显示器可以显示不同视点的视景，但显示器的屏幕一般不会太大，因此观察效果不尽如人意。综上，尽管这一类起重机模拟训练器具有真实的司机室环境，但用户并不能获得满意的视觉效果。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有较大的视野空间范围、视觉效果自然逼真、受训者能直接操作各种按钮元件并可获得真实受训体验的起重机虚拟操纵系统。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是起重机虚拟操纵系统包括起重机操纵箱、摄像头、头盔显示器、位置跟踪器、计算机处理单元；起重机操纵箱、摄像头分别与计算机处理单元的USB端口连接，头盔显示器与计算机处理单元的显卡接口连接，位置跟踪器与计算机处理单元的串口连接。
所述的起重机操纵箱包含壳体、开关按钮组、警报灯和开关量信号采集卡，开关按钮组包括大车左行按钮、大车右行按钮、小车前行按钮、小车后行按钮、吊钩起升按钮、吊钩下降按钮和紧急开关按钮；起重机操纵箱的壳体上布置有开关按钮组和警报灯，开关按钮组中的各按钮和警报灯通过信号线连接到开关量信号采集卡上，开关量信号采集卡与计算机处理单元的USB端口相连。
所述的摄像头固定在起重机操纵箱上方；位置跟踪器固定在头盔显示器上，位置跟踪器与计算机处理单元的串口连接，用于捕捉受训者头部水平偏摆和竖直仰俯的位置信息。
所述的头盔显示器有两个液晶显示屏幕，两个显示液晶屏幕与计算机处理单元的显卡接口相连，计算机处理单元的显卡为支持3D功能的显卡。头盔显示器接受来自计算机处理单元的起重机工作视景信号，在头盔显示器的两个屏幕上实现立体显示。
由于采用上述技术方案，操纵动作信号、手部动作视频信号和头部位置信号分别被操纵箱、摄像头、位置跟踪器采集并传递给计算机处理单元进行分别处理。操纵动作信号被用来响应相应的事件，以驱动虚拟起重机模型实现相应的动作；头部位置信号被用来计算受训者在虚拟场景中的视点，以渲染正确的场景；手部动作视频信号中手部和起重机操纵箱面板的图像被提取出来，并作为纹理映射到虚拟的起重机工作场景中虚拟操纵箱的面板上。最后，计算机处理单元生成虚实结合的合成视景，并输出到头盔显示器上。
本发明虽省略了起重机司机室实物，但通过头盔显示器，受训者可以观察到虚拟的起重机司机室，受训者的观察视点被设置在虚拟司机室内部。进一步地说，受训者观察到的是增强虚拟的合成视景，既可以看到虚拟的起重机工作场景，又可以看到自己手部操作的真实画面，从而获得真实、自然的受训体验。
因此，本发明与现有的模拟训练器相比具有的优点是视野连续，观察范围大，水平范围可达180°，仰俯范围可达120°，具有较大的空间视野范围；采用立体显示方式观察视景，立体感强，视觉效果自然逼真；受训地点灵活，受训环境要求低，不需要容纳起重机司机室实物的较大空间，受训者直接操作各种按钮元件并可获得真实受训体验。
图1为本发明的一种结构示意图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步描述一种起重机虚拟操纵系统，包括起重机操纵箱1、摄像头2、头盔显示器3、位置跟踪器4、计算机处理单元5；起重机操纵箱1、摄像头2分别与计算机处理单元5的USB端口连接，头盔显示器3与计算机处理单元5的显卡接口连接，位置跟踪器4与计算机处理单元5的串口连接。其中操纵箱1包含壳体、开关按钮组、警报灯和开关量信号采集卡，开关按钮组包括大车左行按钮、大车右行按钮、小车前行按钮、小车后行按钮、吊钩起升按钮、吊钩下降按钮和紧急开关按钮；起重机操纵箱1的壳体上布置有开关按钮组和警报灯，开关按钮组中的各按钮和警报灯通过信号线连接到开关量信号采集卡上，开关量信号采集卡与计算机处理单元5的USB端口相连。
摄像头2固定在起重机操纵箱1上方；位置跟踪器4附着在头盔显示器3上，并连接到计算机处理单元5的串口上位置，跟踪器4用于捕捉受训者头部水平偏摆和竖直仰俯的位置信息。
头盔显示器有两个液晶显示屏幕，两个液晶显示屏幕与计算机的显卡接口相连，计算机处理单元5的显卡为支持3D功能的显卡。头盔显示器3被戴在受训者的头部，接受来自计算机处理单元5的起重机工作视景信号，在头盔显示器3的两个屏幕上实现立体显示。
本实施例的操纵动作信号、手部动作视频信号和头部位置信号分别被起重机操纵箱1、摄像头2、位置跟踪器4采集并传递给计算机处理单元5进行分别处理。最后，计算机处理单元5生成虚实结合的合成视景，并输出到头盔显示器3。
本实施例与现有的模拟训练器相比具有如下优点视野连续，观察范围大，水平范围可达180°，仰俯范围可达120°，具有较大的空间视野范围；采用立体显示方式观察视景，立体感强，视觉效果自然逼真；受训地点灵活，受训环境要求低，不需要容纳起重机司机室实物的较大空间，受训者直接操作各种按钮元件并可获得真实受训体验。
权利要求
1.一种起重机虚拟操纵系统，其特征在于在包括起重机操纵箱1、摄像头2、头盔显示器3、位置跟踪器4、计算机处理单元5；起重机操纵箱1、摄像头2分别与计算机处理单元5的USB端口连接，头盔显示器3与计算机处理单元5的显卡接口连接，位置跟踪器4与计算机5的串口连接。
2.根据权利要求1所述的起重机虚拟操纵系统，其特征在于所述的起重机操纵箱1包含壳体、开关按钮组、警报灯和开关量信号采集卡，开关按钮组包括大车左行按钮、大车右行按钮、小车前行按钮、小车后行按钮、吊钩起升按钮、吊钩下降按钮和紧急开关按钮；起重机操纵箱1的壳体上布置有开关按钮组和警报灯，开关按钮组中的各按钮和警报灯通过信号线连接到开关量信号采集卡上，开关量信号采集卡与计算机处理单元5的USB端口相连。
3.根据权利要求1所述的起重机虚拟操纵系统，其特征在于所述的摄像头2固定在起重机操纵箱1上方。
4.根据权利要求1所述的起重机虚拟操纵系统，其特征在于所述的位置跟踪器4固定在头盔显示器3上。
5.根据权利要求1所述的起重机虚拟操纵系统，其特征在于所述的头盔显示器3有两个液晶显示屏幕，两个液晶显示屏幕与计算机处理单元5的显卡接口相连，计算机处理单元5的显卡为支持3D功能的显卡。
全文摘要
本发明具体涉及一种起重机虚拟操纵系统。该系统包括起重机操纵箱1、摄像头2、头盔显示器3、位置跟踪器4、计算机处理单元5。起重机操纵箱1、摄像头2分别与计算机处理单元5的USB端口连接，头盔显示器3与计算机处理单元5的显卡接口连接，位置跟踪器4与计算机处理单元5的串口连接。其中摄像头2固定在起重机操纵箱1上方，位置跟踪器4固定在头盔显示器3上，计算机处理单元5的显卡为支持3D功能的显卡。本发明具有较大的视野空间范围、视觉效果自然逼真、受训者能直接操作各种按钮元件并可获得真实受训体验。
文档编号G09B25/02GK101046926SQ200710052009
公开日2007年10月3日 申请日期2007年4月28日 优先权日2007年4月28日
发明者魏国前, 陈定方, 饶刚, 卢全国, 范勤, 唐秋华 申请人:武汉科技大学