基于Unity3D的绞吸式挖泥船虚拟仿真系统
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图片说明： No.92016年9月JournalofSystemSimulationSep.,2016http:∥www.china-simulation.com2070对于安全生产尤为重要。传统的培训方式分为两种，一种方式是基于文字图片、视频的教学培训，但是挖泥船二维图纸复杂抽象且不直观，需要一定基础的专业人员才能理解，对于一般挖泥船船员上船前教学培训的效果不好；另外一种方式是实地教学，其存在一定的安全隐患，且教学成本过高，同时水下绞刀挖泥场景和泥砂内部流向都无法直观地展示，学员很难清晰地了解挖泥船的内部作业原理。(a)绞吸式挖泥船的组成(b)清淤实地效果图图1绞吸式挖泥船的组成和疏浚作业过程针对传统培训方式的不足，基于虚拟现实技术的培训方式越来越受到科研人员的关注。虚拟现实是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统，其开发成本低、操作方便、环境模拟逼真。利用虚拟现实技术，孙俊等人运用MultigenCreator和Vega等软件实现具有VR特征的船舶机舱虚拟现实仿真系统，实现了船舶机舱的场景搭建以及场景漫游[3]，，其虚拟现实仿真平台研究主体在于整个场景的搭建以及虚拟漫游仿真，场景虚拟现实的交互性和系统功能的综合性相对较低。闫文珠等人提出了基于VR技术的机器人核事故训练平台研究，利用新兴的计算机虚拟现实技术开发了一套面向实际工程应用的交互式核应急事故实训平台[4]，侧重于机械技术的相应开发，虚拟现实技术的应用不是很多。倪福生在绞吸挖泥船疏浚仿真研究一文中提出了多通道环形柱幕绞吸挖泥船施工模拟系统[5]，通过虚拟现实模拟视景较好地实现了虚拟培训的模拟效果，其文献中的挖泥船仿真还存在着一些问题。首先是绞刀切削仿真方面的欠缺，包括水底地形的反馈变化、泥砂石块的碎裂模拟以及管道中泥砂流向的路径模拟；其次是不?
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图片说明： 第28卷第9期Vol.28No.92016年9月姚鹏飞,等:基于Unity3D的绞吸式挖泥船虚拟仿真系统Sep.,2016http:∥www.china-simulation.com2071图2挖泥船仿真系统结构框图在Unity3D中，我们通过NGUI插件设计整个系统界面(如图3(a)所示)。船体信息展示系统采用了3dsMax建模软件以及数据库技术，以天津航道局的“天鲸号”绞吸式挖泥船[6]为模板，实现了挖泥船的建模(如图3(b)所示)和各部分零件信息的展示(如图3(c)所示)。挖泥船施工操作系统分为绞刀桥架系统、钢桩台车系统、切削系统以及天气模拟系统。绞刀桥架以及钢桩台车中桥架钢桩的仿真采用了Joint代码的二次开发，实现了绳索拉伸收缩的物理模拟，很好地展现了挖泥船钢桩桥架的工作场景(如图3(d)所示)。切削系统分为2D和3D视角：2D视角通过A*寻路算法[7]模拟管道内泥砂的流动，实现了泥砂流向路径的模拟(如图3(e)所示)；3D视角通过地形网格顶点的坐标变化、地形贴图变化以及石块碎裂，逼真地模拟了绞刀切削的水底工作效果(如图3(f)所示)。天气系统采用了ParticleSystem模拟出雨雪的粒子效果(如图3(g)所示)。虚拟交互系统以Unity3D为平台辅以Oculus立体眼镜和Kinect，实现了挖泥船场景的立体显示以及手势识别的人机交互操作(如图3(h)所示)。最后，我们将整个挖泥船仿真系统通过Unity3D配合相应平台的开发软件发布在PC、移动端以及网页等多个平台上(如图3(i)所示)。(a)系统主界面(b)挖泥船3D模型(c)零件信息展示(d)钢桩桥架系统(e)2D平面模拟(f)3D切削模拟(g)天气系统(h)虚拟交互设备(i)多平台发布图3系统各模块示意图
【作者单位】： 河海大学物联网工程学院;常州市图形图像与骨科植入物数字化技术重点实验室;河海大学疏浚教育部工程研究中心;
【基金】：常州市科技支撑项目(CE20155059) 江苏省科技支撑计划(BE2014048)
【分类号】：U674.31;TP391.9
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