基于云计算的汽车起重机三围吊装仿真研究-毕业设计调研报告.doc

摘 要本文介绍了汽车起重机的重大市场需求和吊装仿真系统在施工现场吊装方案制定中的重要性，了解了目前国内外起重机吊装仿真系统的研究现状和云计算的研究现状，对相关仿真技术进行了分析，并针对其他吊装仿真系统的不足提出一种基于云计算的汽车起重机三维仿真系统研究方法。此系统旨在搭建一个云架构下起重机三维仿真平台，允许用户在不同平台下通过网络访问系统首页和吊装仿真页面，形成一种服务器端/客户端的访问模式，对仿真功能的扩展和系统的升级带来很大便利，同时也减轻了客户端系统的硬件要求。另一方面，云计算中大数据存储和快速计算的优势，为该平台下某些仿真功能的实现提供了相应的技术支持，同时能提高系统三维吊装仿真速度。本系统中仿真平台的研究为起重机三维吊装仿真系统功能的实现提供了基础，对现场汽车起重机吊装方案的生成有一定的作用。关键字：起重机仿真, 三维吊装, 云计算 II目 录第一章 绪论11.1 背景介绍21.2 研究内容与意义4第二章 国内外研究现状52.1 二维仿真研究52.2 三维仿真研究62.2.1 国外研究现状62.2.2 国内研究现状72.3 云计算研究现状8第三章 起重机仿真相关技术分析103.1 起重机仿真建模技术103.2 确定起重机定位区113.3 吊装路径规划123.4 云计算架构的关键技术13第四章 方案提出与总结14参考文献17基于云计算的汽车起重机三维仿真研究 第一章 绪论2第一章 绪论随着我国基础设施建设的加强，特别是受建筑、电力、石油、化工等行业迅速发展的拉动，国内起重机尤其是大型起重机的市场需求增长显著，起重机的结构和各方面性能都有新的发展。完成一次吊装任务大体上需要经过如下流程：将起重机各部分运输到吊装作业地点，然后安装起重机，进行实际吊装作业，最后拆卸起重机并将其运回。可由于起重机体积大、重量大，运输、安装和拆卸都很花费时间和资源。由此可见，起重机每次吊装的费用很高，但效率却不高，而且施工现场存在着危险性，这些并不能从改变起重机的性能而得到大的提升。这就有必要在实际吊装之前制定一个合理、高效、可靠的吊装方案，辅助完成施工现场汽车起重机的吊装，节省吊装成本和时间，保障汽车起重机和操作人员的安全。目前，大多数是人工制定吊装方案，先到吊装现场进行考察，研究吊装环境，然后选择所需要的平衡梁、索具、吊耳等辅助设备，再对这些设备进行校核计算和有限元分析，最后选择合适的起重机完成吊装。考虑到平衡梁、索具、吊耳等设备很多，起重机的性能参数也非常多，因此手工进行吊装方案的制定需要花费很多的时间和精力，而且准确性无法保证，并且在方案确定后看不到吊装方案实施的效果，那么也就不能在真正吊装之前进行有效性和可行性分析。汽车起重机的作用是在指定地点，将吊装物体移动到目标位置。整个吊装过程要消耗能量，消耗时间，而且一般情况下，现场的吊装是一种尝试性的工作，没人知道具体的吊装行为参数，只是以操作人员的视觉和经验来判断吊装过程及是否达到终点。这在无形之中增加了很多不必要的工作量，对吊装效率来说也是一种限制。试想，如果我们在现场吊装之前就能知道具体的吊装行为参数，那么就能在最短的时间里以最快的速度完成吊装，吊装过程也是最为理想的。汽车起重机三维吊装仿真系统就是在这种情况下提出的。通过仿真系统，希望能够得到汽车起重机吊装方案，它可以用来辅助完成施工现场汽车起重机的吊装。系统还可以模拟起重机吊装操作，有一个可视化的三维起重机运作画面可供观察，可进行人机交互。使用者可以选择不同型号的汽车起重机，设置某些结构参数，在场景中通过相关的按键操作来指导起重机吊装。现在的很多系统都需要先下载，然后安装，才能使用，这就对客户端计算机的硬件配置有一定的要求，占据了内存空间，而且每次升级还需要重新下载安装，软件使用麻烦。如果我们能通过浏览器直接去访问系统页面，完成同样的起重机机型选择和吊装操作，那么对使用者而言无疑更加方便，只需连上网络就行。这就形成了一种服务器端/客户端的访问模式，客户端通过网络实行对服务器的访问，服务器端可以对网页的访问进行权限设置。汽车起重机三维仿真中有许多的数据、图片、文件等需要保存和使用，对服务器端的硬件要求较高，为解决这个问题，我们可以采用云计算技术进行大量数据存储和计算，提高网页运行效率。基于云计算的汽车起重机三维仿真系统就是在这种条件下产生的。1.1 背景介绍汽车起重机英文名Truck Crane，是装在普通汽车底盘或特质汽车底盘上的一种起重机，其行驶驾驶室与起重操纵室分开设置。汽车起重机的底盘性能等同于整车总重的载重汽车，符合公路车辆的技术要求，因此可以在各类公路上通行无阻。汽车起重机配备有上下两个操纵室，作业时必须伸出支腿以保持稳定。汽车起重机主要由起升机构、变幅机构、回转机构、起重臂和汽车底盘组成。起升机构控制吊钩上升和下降，变幅机构改变吊臂的仰角，回转机构控制车身正、反方向运动。汽车起重机广泛的应用于运输、建筑、矿山等行业中，用来装卸大型零件、移动建筑构件等，它可以在很小的空间中完成大的运输任务。它具有如下几个优点：（1）可以自由行动，在承受能力范围内，能将大量物体进行高效的移动；（2）除了可以作为汽车起重机使用外，能配合其他设备进行其他的工作；（3）不需要其他外加设备就可进行作业，减少了生产成本，降低维修费用；（4）具有独立的动力装置，不需要其他导电装置；（5）可以把物体移动到比汽车起重机本身更高的地方。由于汽车起重机具有这么多的特点，它灵活、起重量大、行驶速度块，使得汽车起重机的市场需求量越来越大，因此也推动了汽车起重机技术的革新。汽车起重机可载物体从几吨到上千吨不等，不同型号的起重机起重能力不同。按照起重量可分为轻型汽车起重机（起重量在5吨以下）、中型汽车起重机（起重量在5-15吨）、重型汽车起重机（起重量在15-50吨）、超重型汽车起重机（起重量在50吨以上）。国内汽车起重机与国外的相比还有一定的差距，国内市场汽车起重机的需求量还是很大的。为适用市场需求，各企业也在不断创新，争取在保证汽车起重机性能的基础上开发出起重量更大的产品。国内生产大型汽车起重机的厂家以中联重科、三一重工、抚挖等公司产品系列较全，国外专业生产大型汽车起重机厂家以利勃海尔、特雷克斯-德马格、马尼托瓦克、神钢等公司产品系列较全，市场占有率较高1。就发展趋势而言，国内汽车起重机注重于扩大产品的种类，生产出起重量范围更宽的机型，同时增大起重力矩，满足大吨位汽车起重机的起重需求，提升汽车起重机各方面的性能，全力打造出自己的品牌。国外汽车起重机向着专业化、标准化、系列化前进，将汽车起重机进行模块化设计，结合现代计算机技术设计控制模块，给起重机装上防撞系统减少其损伤的可能性。综合来说，国内外汽车起重机将向着更大吨位更易于控制的方向进行创新设计，继续提高汽车起重机的性能，来满足市场对汽车起重机更高的需求。下文所提到的起重机均指汽车起重机。虚拟现实技术(Virtual Reality Technique，简称VR技术)是1989年美国VPL公司的创建人之一Jaron Lanier提出来的，国内也有人译为“灵境”、“幻真”等，国外与虚拟现实同类的术语，还有虚拟环境、人工现实及电脑空间等2。虚拟现实是计算机学科的一个分支，能够逼真的模拟人在自然环境中视觉、听觉、嗅觉和运动等行为，是以多感知性、沉浸性、交互性和直观性为基本特征的计算机高级人机界面。它综合利用了计算机图形学、传感技术、多媒体技术、人工智能技术、计算机网络技术、并行处理技术等多项技术，使人能够沉浸在计算机生成的虚拟世界中。使用者不仅能够感受到在客观物理世界中所经历的“身临其境”的真实性，而且还能突破空间、时间以及其他客观条件限制，感受到真实世界中没有的体验。虚拟现实技术在军事训练、室内设计、工业仿真、施工建设等行业应用非常广泛，效果显著。随着互联网上信息与数据的快速增长，人们对计算机的存储能力和计算能力有了更高的要求，单一的计算机已经不能满足需要。为了提高系统的可扩展性和节省成本，一种云计算技术被提了出来。云计算是继分布式计算、并行处理和网格计算后计算机领域的又一发展，它是一种基于互联网的计算，能够提供硬件服务、软件服务、平台服务、存储服务等。云计算的思想源自于一个叫John McCarthy的人，他曾经说过“计算迟早有一天会变成一种公用基础设施”，这就意味着计算能力可以作为一种商品进行流通，就像煤气、水电一样，取用方便费用低廉3。云计算的出现使人们可以直接通过网络获取计算能力和数据存储能力，这给传统的信息产业带来了很大的变革，并且已经渐渐成为一种趋势，为此许多大公司，包括谷歌、亚马逊、微软等都推出了与云计算有关的云解决方案，并且将之应用于相关研究项目中。那么什么是云计算呢？IBM将云计算理解为一种计算模式，它能通过网络以服务的方式将应用数据和IT资源提供给用户使用，是系统虚拟化的最高境界。加州大学伯克利分校在云计算白皮书中写到：云计算指的是互联网上各种服务形式的应用以及被这些服务所依托的数据中心的软硬件设施，云计算就是软件服务与效用计算，可分为两种云：一种是通过即用即付方式提供给公众的叫公共云；一种把不开放给公众的内部数据中心资源叫私有云4。简单的说，云计算就是利用虚拟化技术，通过网络来提供大规模数据计算、存储和管理的一种计算模式。在这种模式下，用户不需要购买硬件设备和软件，只需要付费给提供云计算服务的供应商就能获取到资源。1.2 研究内容与意义本课题研究的主要内容是在云平台下，搭建一个汽车起重机三维吊装仿真系统，用户可以通过网络进行访问，实现多平台快速可操作性。为观察三维吊装仿真过程，系统需要实时显示汽车起重机操作图。为实现多平台操作，需要建立远程访问程序，将服务器端和客户端分离，形成一种服务器端/客户端的访问模式，将程序和大量数据文件存放在服务器端，客户端无需下载，连接网络后，进入系统页面即可操作。为实现汽车起重机快速高性能仿真操作，在服务器端嵌入云计算技术，在云平台下，实现服务器端大量数据存储和高速计算，加快吊装方案的生成。系统能够实现三维场景渲染和汽车起重机模型加载，在连接上网络情况下，允许客服端实现远程访问，并进行简单的汽车起重机吊装操作。而在服务器端，将大量数据的存储和计算放在“云”上，加快仿真速度，实现云平台下网络访问的汽车起重机三维吊装仿真系统。本系统主要针对吊装行业的吊装成本高、吊装效率低的问题，欲研究一个汽车起重机三维吊装仿真系统，模拟施工现场的状况，搭建一个虚拟的三维仿真平台，能够完成汽车起重机吊装仿真，将整个吊装过程显示出来，并且输出吊装方案。此吊装方案可给施工现场的操作人员提供一个参考，对于实际吊装方案的制定有一定辅助作用。而且，系统允许不同平台的客户端通过网络进行访问，便于系统的优化和扩展，服务器端系统的升级不影响客户端下次访问。8基于云计算的汽车起重机三维仿真研究 第三章 起重机仿真相关技术分析第三章 起重机仿真相关技术分析起重机三维仿真软件的作用主要是辅助吊装人员制定现场吊装方案，这就要求软件里除了能实现三维仿真可视化外，还要模拟现场的工况条件，进行起重机运作的实时计算和判断，保证仿真中起重机的每个运动在实际操作中的可行性。另一方面，为节约吊装成本、节省吊装时间，希望仿真输出中吊装方案里的吊装路径为最佳可行路径。仿真中需要进行起重机碰撞检测和路径规划，根据现场中起重机的立体结构和起重量，计算其可达最大和最小范围18，从而判断在范围内的路径为可行路径，再选择一条最短的作为最佳路径。考虑到起重机的移动对仿真过程计算值的影响，一般三维起重机仿真软件会固定起重机位置，或者在同一个吊装物移动过程中起重机不会移动，从而起重机位置点的确定就显得比较重要。根据起重机型号的不同，相应的起重机模型和性能也会不同，要选择合适的起重机进行吊装，首先得建立起重机模型。3.1 起重机仿真建模技术对于三维汽车起重机仿真软件来说，建立合理的、逼真的起重机模型是很重要的。目前有三种方法建立起重机三维模型：基于现有软件的二次开发建模技术、基于VRML（Virtual Reality Model Language）建模技术、基于Visual C+和OpenGL的建模技术。第一种方法可以用现有的软件如ProE、AutoCAD等进行二次开发，成本低、周期短，但系统的通用性和交互性不好。第二种方法可以开发出基于网络的仿真系统，但对于某些软件的网络化实现有一定的难度。第三种方法用了Microsoft开发的面向对象的编程语言和性能卓越的三维图形软件接口OpenGL，这样开发的软件通行强，但编程工作量大。综合来说，应用第三种方法开发最适宜。文献十九用第三种方法自主开发了三维引擎SR系统，为三维场景建模提供很好的数据接口，能够产生高质量的三维图形。对于起重机吊装过程的显示而言，模型越精致越好，而模型越精致仿真速度越慢，这两个方面存在着矛盾。为尽可能同时满足系统高可视化和高速度仿真要求，对起重机模型的建立有三个规则19：（1）为满足运行速度要求，忽略起重机的内部结构，在整体结构上做必要处理；（2）为满足碰撞检测需要，起重机的外形尺寸不可少，尤其是涉及到与起重性能相关的尺寸；（3）为体现不同风格的机种，实现起重机主要部分的颜色修改与设置。起重机三维模型建立过程需要很多数据，一般用数据库来存储，可分为几何尺寸和逻辑尺寸。三维引擎接受起重机各部分的几何尺寸来建立模型，通过逻辑尺寸将各部件组织起来，形成一台完整的起重机模型。而对于船舶货物吊装而言，物体的建模要求却不相同，仅仅取得好的视觉效果还不行，因为船舶货物装卸仿真的主要目的是验证货物吊装的可行性和安全性，同样在起重机吊装场景中也应该考虑到吊装的安全性和可行性。场景中除了起重机外，还有吊装物和其他设备的建模，模型越细致，仿真时的真实性越高，但是碰撞检测时计算就越复杂，这时可以采用“细节水平”（LOD-Levels of Detail）技术20。细节水平是以复杂度不同的物体来代替在视觉上同样的模型，物体的复杂程度取决于物体和观察点之间的距离。距离越远，就用越少的多边形来代替此物体，而当观察点靠近时，显示出物体的更多细节，这种方法在碰撞检测中有一定的应用。3.2 确定起重机定位区在已知吊装物的情况下，选择一个好的起重机定位点，能提高吊装效率和吊装过程的安全性。汽车起重机的立体构型和吊臂决定了可吊装空间的最大和最小半径，而不同的起重机操作如升降、回转、变幅等所需要的工作区和消耗的能量都不相同，当起重机选择一个好的定位点时，就能够最快、最省、最安全的完成吊装。不同的定位点下，起重机的工作区不同，由此会产生多条吊装路径。文献二十一提出了一种自动生成起重机二维定位区的方法，因为起重机的工作区与场景中障碍物和边界的限制有关21，和起重机本身性能也有关，用传统的方法凭着操作者的经验、技能及适当的规划来确定起重机的定位点会花费很多时间，且易于出错。所以，此文献中提出的这种自动生成起重机定位区的方法可以找到进行吊装的定位区，使起重机停在某处完成吊装，同时配合自动寻径方法，可以找出一条最佳的吊装路径。算法是一种有力的工具来优化吊装过程，但其实现却不容易，文献二十一尝试用算法来选择起重机定位区。以往的算法都是先考虑起重机的可吊装区，然后选择可行的起重机位置，而这个算法先考虑场景中障碍物的位置和边界值来确定起重机定位区间，根据起重机选型计算起重机吊臂的可运行范围，最后确定起重机定位点，这样使施工现场的安全性得到提高。现场中汽车起重机吊臂在移动过程中会有振动，在大吨位起重机中振动会影响系统的控制精度，甚至会引起事故的发生22。为提高安全度，可以在起重机定位时将障碍物的空间扩大，减小起重机工作区，从而确定定位点。当场景中障碍物和边界限制较多时，提前进行场景分析确定起重机定位区，能够加快吊装的完成，节省吊装成本。3.3 吊装路径规划吊装路径规划23指在有障碍物的吊装环境中寻找一条从起吊状态（起点）到就位状态（终点）的动作序列，使起重机在运动过程中能无超载、无碰撞的完成吊装。一般的吊装系统中，允许用户单独对起重机进行操作，并且实时显示吊装物移动的位置和相关参数，整个吊装过程只依据用户的经验、视觉及手工计算，当移动到终点时显示吊装完成。整个过程是一种人工路径搜索，虽然仿真成本低，但是效率也低。路径规划中一个重要的技术是碰撞检测。为保证施工现场人员和设备的安全，在仿真中不允许起重机发生碰撞，一旦碰撞发生，说明此路径不可行，原则上应该保持起重机和设备之间有一定的间隙。在三维仿真中，可能发生空间冲突，碰撞检测就从二维空间上升为三维空间，难度增加，场景中障碍物和起重机的立体构型对碰撞检测有很大影响。场景渲染中一般选择特殊立体构型虚拟化施工现场的障碍物24，比如说：正方体、长方体、圆锥、圆柱、球体等，这些特殊多面体的中心和大小比较容易计算，这就简化了碰撞检测和吊装过程参数的计算。当需要可视化障碍物时，可以利用二维基本图形构造形象化物体，再用一个大的虚拟包围盒封装此物体。可以将碰撞检测分为两个检测阶段25：粗略检测阶段和精确检测阶段。粗略检测阶段进行各包围盒之间和包围盒与起重机组件之间的空间碰撞检测，排除不可能产生碰撞的物体。如果发生包围盒碰撞检测，就进入精确检测阶段，对物体内层结构进行碰撞检测。这样先排除一些不可能发生情况，留下碰撞发生率较高的物体，再进行重点检测，范围就会缩小很多，从而能够提高碰撞检测的效率，但是对障碍物的二次虚拟化增加了系统数据存储量。起重机安全高效的完成吊装不仅需要好的吊装操作，还需要足够的吊装时间完成吊装，默认同一次吊装过程中场景没有发生变化，是在静态环境中完成吊装。而现实生活中，施工现场是一个动态的环境，在一次吊装路径的执行中，有可能出现其他物体。如果与场景中定时出现的物体发生冲突，那么此次路径就不能再继续进行，吊装过程就会失败，这时提出了一个实时路径规划26的概念。一个动态的实时路径算法被提出，通过快速路径规划和避障提高现场操作的安全性和效率。起重机吊装过程与起重机容量、吊装路径、起重机视角等都有关，其中一个好的吊装路径是起重机成功吊装的关键。起重机路径规划和机器人路径规划是不同的