一种挖掘机姿态进行虚拟可视化展现的系统及方法与流程

本发明属于工程机械建模领域，涉及一种挖掘机姿态进行虚拟可视化展现的系统及方法。

背景技术：

随着我国各类基建项目的不断推进，挖掘机作为重要的工程机械，在交通建设、城市改造、矿山开采等领域扮演着不可替代的角色。挖掘机姿态展现作为一项重要的技术在挖掘机操作培训以及挖掘机远程自动控制等领域具有不可忽视的作用。

现有的挖掘机姿态虚拟展现技术大多是基于一些游戏引擎，比如unity3d引擎进行开发。这种方法不仅需要额外开发显示界面，而且还需要在建立的挖掘机模型中，建立各个运动部件之间的运动学模型，才能实现各个部件间相互动作的直接关联，往往对开发者编程能力要求较高，有时会影响非计算机专业开发人员的开发效率。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种挖掘机姿态进行虚拟可视化展现的系统及方法，无需额外开发显示界面，不需要额外对每个部件之间的构建运动学关系，便能够实现挖掘机动作姿态的虚拟可视化展现。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种挖掘机姿态进行虚拟可视化展现的系统，包括下位机控制终端、通信模块和上位机显示终端；

下位机控制终端包括两个二自由度摇杆和控制器；两个二自由度摇杆输出端均与控制器的输入端连接；控制器输出端通过通信模块和上位机显示终端连接，控制器用于将两个二自由度摇杆的动作数据发送给上位机显示终端；

上位机显示终端采用计算机，计算机存储有包含挖掘机模型的solidworks三维建模软件，计算机用于定义挖掘机模型的不同动作部位对应两个二自由度摇杆的不同动作，且用于提取通信模块发送数据中代表两个二自由度摇杆动作的数据，并将提取的数据赋值给与该数据对应动作部位参数。

优选的，二自由度摇杆采用电位计。

优选的，控制器选用stm32单片机。

优选的，通信模块采用wifi模块、蓝牙模块、2.4g无线串口模块、无线射频模块或zigbee模块。

优选的，无线通信模块采用jdy-402.4g无线串口模块。

一种基于上述任意一项所述系统的挖掘机姿态进行虚拟可视化展现的方法，包括以下步骤；

步骤一，在计算机的solidworks三维建模软件中建立挖掘机模型；

步骤二，对挖掘机模型中四个动作部位进行装配关系定义，对于挖掘机模型上相互直线移动的两个部件，建立两个与移动方向垂直的移动辅助面，并且定义两个移动辅助面的装配关系类型为距离，将距离值参数定义为变量；对于挖掘机模型上相互转动的两个部件，建立两个与轴线平行的转动辅助面，并且定义两个转动辅助面的装配关系类型为角度，将角度值参数定义为变量；

步骤三，设定通信模块发送的每一帧数据中的其中4位，分别代表两个二自由度摇杆的两个前后动作和两个左右动作；定义二自由度摇杆的不同动作对应挖掘机模型的不同的动作部位；

步骤四，在计算机中定义四个变量ch1、ch2、ch3和ch4，通信模块将两个二自由度摇杆的动作数据发送给计算机，四个变量分别提取通信模块发送数据中代表两个二自由度摇杆动作的4位数据；

步骤五，将每个变量提取的数据赋值给与该数据对应动作部位的距离值参数或角度值参数，挖掘机模型的每个动作部位，根据自身的距离值参数或角度值参数，进行动作。

优选的，两个二自由度摇杆的两个前后动作和两个左右动作，分别代表挖掘机模型中动臂油缸的伸缩、斗杆油缸的伸缩、铲斗油缸的伸缩和回转平台的回转。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明所述系统通过在solidworks三维建模软件中建立挖掘机模型的上位机，并定义工作装置部件间的装配关系，能够将二自由度摇杆的动作指令参数赋予至上位机设定的装配关系的参数，将二自由度摇杆动作传输给上位机，上位机能够在solidworks三维建模软件中体现对应的挖掘机模型动作，不需要对每个部件之间的相关性进行编辑，便实现挖掘机动作姿态的虚拟可视化展现。所述系统通过利用基于电位计的二自由度摇杆来模拟挖掘机的操作手柄，与真实情况下的挖掘机操作相比，还原度较高；所述系统构建的以单片机为核心控制器的下位机控制终端属于开源系统，与市场上常见的非开源手柄相比，可以依据系统运行的情况修改下位机程序代码，便于调试；所述系统的上位机，除了需要安装solidworks软件以及运行上位机程序所必须的运行环境外，无需安装其他专业的软件，而solidworks软件是广大工程技术人员较为常用的软件，所述的运行环境也为大多数计算机所具备，因此不会给用户造成额外的负担。

本发明所述方法，通过在solidworks三维建模软件中建立挖掘机模型，并定义工作装置部件间的装配关系，无需额外建立虚拟姿态显示界面；结合solidworks软件的特点，当挖掘机工作装置两个部件间的装配关系确定时，其运动的关联关系便也确定了，无需额外构建部件间的运动学模型；所述方法通过控制挖掘机模型的各工作装置油缸的伸缩量来控制连杆工作装置的运动姿态，与真实情况下的挖掘机运动控制相比，还原度较高。

附图说明

图1为本发明的所述方法的整体思路以及总体程序流程图。

图2为本发明的所述系统的结构示意图。

图3为本发明所述挖掘机的结构示意图。

图4为本发明的下位机控制终端主要元件的连接关系图。

图5为本发明中代表铲斗油缸伸缩量长度的装配关系示意图。

图6为本发明中代表回转平台旋转角度的装配关系示意图。

图7为本发明中上位机通讯参数设置界面示意图。

图8为本发明中二自由度摇杆操作示意图。

图9为本发明中下位机程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明所述的一种挖掘机姿态进行虚拟可视化展现的系统及方法，包括硬件系统和软件系统。

如图2所示，硬件系统包括下位机控制终端、无线通信模块以及上位机显示终端。

软件系统包括摇杆参数的数据转换程序，下位机控制终端数据的发送程序，上位机显示终端的接收程序以及对solidworks软件进行二次开发的程序。

下位机控制终端主要由二自由度摇杆，stm32单片机构成，两者按照图4所示的方式进行连接；两个二自由度摇杆输出端均与stm32单片机的adc模块输入端连接，stm32单片机通过无线通信模块和上位机显示终端连接。

下位机控制终端的二自由度摇杆采用电位计。

下位机控制终端的控制器选用stm32单片机。

无线通信模块可以为wifi模块、蓝牙模块、2.4g无线串口模块、zigbee模块等。本实施例优选地，无线通信模块选用jdy-402.4g无线串口模块。

所述上位机显示终端为可运行solidworks三维建模软件的计算机。

如图5所示，为实际状态的挖掘机。

定义装配关系：在挖掘机的solidworks装配体模型中定义好与挖掘机姿态相关的装配关系。以铲斗油缸的伸缩长度和回转平台的转角为例。如图5所示，对于铲斗油缸的伸缩长度，分别在铲斗油缸缸径的端面和活塞杆的端面建立两个辅助面，并且定义两个辅助面的装配关系类型为“距离”。如图6所示，对于回转平台的转角，分别在回转平台的侧面和行走装置的侧面建立两个辅助基准面，并且定义两个辅助面的装配关系类型为“夹角”。装配关系与二自由度摇杆的动作指令相对应。

上位机程序：编写solidworks的二次开发程序，把上述装配关系中的常量数值定义为变量，以便后续的控制，solidworks的二次开发支持的编程语言有c#、c++以及vb等，本发明优选地选用c#编程语言，在visualstudio2010环境下编写solidworks的二次开发程序；如图7所示，并在上位机通讯参数设置界面中提供“串口号”、“波特率”、“奇偶校验位”、“数据位”、“停止位”等参数的选择菜单。

下位机控制终端：操控人员采用图8的方式操作所述下位机控制终端上的两个二自由度摇杆。随着摇杆位置的变换，其电流与电压会发生相应的变换。摇杆电路通过stm32单片机的p0～p3接口与stm32的模数转换(adc)模块相连接。通过stm32的adc模块，将摇杆的电压信号采样为数字值；

下位机控制终端数据的发送：jdy-40无线串口模块通过stm32单片机的pb10和pb11接口与stm32单片机的通用同步异步收发器usart相连接。采集到的摇杆数字值通过stm32单片机的usart模块，并借助jdy-40无线串口模块按照一定的协议进行发送。下位机控制终端发送的每一帧数据长度为15，其中第5位代表左侧摇杆y轴的数据；第7位代表左侧摇杆x轴数据；第9位代表右侧摇杆y轴数据；第11位代表右侧摇杆x轴数据。

下位机程序：依照如图9所示的流程编写下位机程序。最终使得电位计的控制信号通过jdy-402.4g无线串口模块传送到上位机显示终端。

上位机显示终端的数据接收：接收端的jdy-402.4g无线串口模块通过usb端口插到上位机计算机上。在进行数据接收前，预先在如图7所述的通讯参数设置界面中相应的下拉框中选取与stm32单片机对应的“串口号”、“波特率”；“奇偶校验位”、“数据位”、“停止位”参数选取默认值“none、8、1”，再开始接收数据。

如图1所示，挖掘机姿态进行虚拟可视化展现过程为：

步骤一，在上位机显示终端的solidworks三维建模软件中建立挖掘机模型；

步骤二，对挖掘机模型中动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸和回转平台进行装配关系定义。

对于挖掘机模型上直线移动部件，即动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸，建立两个与移动方向垂直的移动辅助面，并且定义两个移动辅助面的装配关系类型为距离，将距离值参数定义为变量。

对于挖掘机模型上转动部件，即回转平台，建立两个与轴线平行的转动辅助面，并且定义两个转动辅助面的装配关系类型为角度，将角度值参数定义为变量。

步骤三，设定通信模块发送的每一帧数据的长度为15，每一帧数据中的其中4位，分别代表两个二自由度摇杆的两个前后动作和两个左右动作；定义二自由度摇杆的不同动作对应挖掘机模型的不同的动作部位；

步骤四，上位机显示终端中的二次开发程序中定义四个变量ch1、ch2、ch3和ch4，通信模块将两个二自由度摇杆的动作数据发送给上位机显示终端，四个变量分别提取通信模块发送数据中代表两个二自由度摇杆动作的4位数据；

步骤五，将每个变量提取的数据赋值给与该数据对应动作部位的距离值参数或角度值参数，挖掘机模型的每个动作部位，根据自身的距离值参数或角度值参数，进行动作。

如图8所示，通过无线模块接收的每一帧数据的长度为15，其中第5位代表左侧摇杆y轴的数据；第7位代表左侧摇杆x轴数据；第9位代表右侧摇杆y轴数据；第11位代表右侧摇杆x轴数据。分别定义四个变量ch1、ch2、ch3、ch4存储上述4个数据，即，ch1代表左侧摇杆y轴的数据；ch2代表左侧摇杆x轴数据；ch3代表右侧摇杆y轴数据；ch4代表右侧摇杆x轴数据。

定义二自由度摇杆的不同动作对应挖掘机模型的不同的动作部位；左侧摇杆y轴控制挖掘机斗杆的起降；左侧摇杆x轴控制挖掘机回转平台的左右旋转；右侧摇杆y轴控制挖掘机动臂的起降；右侧摇杆x轴控制挖掘机铲斗的伸缩。当下位机控制终端的摇杆位置发生变化时，ch1～ch4四个变量随之发生变化，因此与之相关的装配关系也随之变化，挖掘机的虚拟姿态便实时地展现出来。

挖掘机工作装置姿态的虚拟展现：上位机显示终端接收到的数据赋值给影响装配关系的变量，从而通过对挖掘机装配体模型的控制来实现挖掘机工作装置姿态的虚拟展现。

solidworks二次开发api提供了丰富的、可以用来编辑特征的对象。其中，“modeldoc2”对象中的“imodeldocextension.selectbyid2()”方法用来选择组成装配关系的两个基准面；“assemblydoc”对象中的“iassemblydoc.addmate4()”方法用来编辑装配关系的距离值，可以通过改变该方法中的参数来改变工作装置油缸中的伸缩长度；iassemblydoc.addmate3()方法用来编辑装配关系的角度值，可以通过改变该方法中的参数来改变回转平台的转角。

具体地，通过以下方法对工作装置油缸的伸缩和回转平台的回转进行控制：

对于动臂油缸伸缩量的改变：把方法“iassemblydoc.addmate4()”中代表距离值的参数定义为变量，将存储在ch3中的数据赋值给该变量。

对于斗杆油缸伸缩量的改变：把方法“iassemblydoc.addmate4()”中代表距离值的参数定义为变量，将存储在ch1中的数据赋值给该变量。

对于铲斗油缸伸缩量的改变：把方法“iassemblydoc.addmate4()”中代表距离值的参数定义为变量，将存储在ch4中的数据赋值给该变量。

对于回转平台的回转：把方法“iassemblydoc.addmate3()”中代表角度值的参数定义为变量，将存储在ch2中的数据赋值给该变量。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。