矿用副井提升机虚拟实操系统的设计开发

　　0、 引言

　　煤矿副井提升机是煤炭生产系统中的重要环节，是联系地面和井下的“咽喉”部位，副井提升机岗位工在煤炭正常生产中发挥着重要的作用。副井提升机岗位工的安全操作技能水平的高低直接影响到整个矿山的安全生产，因此，如何提高提升机岗位工的安全操作技能水平就显得尤为重要。

　　目前，国内绝大多数煤矿对副井提升机岗位工的技能培训一般采用课堂灌输式教学以及现场培训，课堂灌输式教学耗时较长，而且大多数矿工的文化程度低、素质不高，吸收知识的能力差，效果不好；而现场培训不仅成本高，而且还存在安全隐患。近年来出现了以PLC为核心的矿井提升机控制系统模拟实验装置，这种实验装置虽然没有安全隐患，但是它只是在实验的条件下使提升机岗位工了解矿井提升的运行原理与操作方法，培训效果差，成本较高。还有一种基于Web3D的提升机虚拟维修仿真系统，这种仿真系统虽然可实现交互拆卸功能，但是它的功能较为单一，培训效果有限。另外还出现了一种采用矿用可编程控制器及提升机模拟教学实训设备，这种实训设备虽然可以起到一定的培训效果，但是不能进行实时的交互，临场感比较差。

　　针对目前煤矿上对提升机岗位工进行技能培训的方法存在的问题，开发了一种安全可靠、成本低廉、临场感强的矿用副井提升机虚拟实操系统。该实操系统由上位机副井提升机运行三维虚拟仿真软件模块、下位机副井提升机操作台模块、上下位机通信控制模块构成。首先采用三维建模工具将副井提升机系统进行三维建模，构建副井提升机运行的三维场景，然后制作操作台下位机系统控制上位机中的副井提升机运行，最后采用单片机系统实现操作台下位机与副井提升机运行三维场景的上位机进行通信，从而实现培训副井提升机岗位工技能的目的。

　　1、 系统总体设计

　　煤矿副井提升机虚拟实操系统是由上位机副井提升机运行三维虚拟仿真软件模块、下位机副井提升机操作台模块、上下位机通信控制模块构成。系统的总体结构框图如图1所示。

　　上位机模块包括：计算机、显示终端、煤矿副井提升机三维仿真软件模块。计算机用于为仿真模拟提供运算和实施平台；显示终端与计算机连接，用于对计算机的仿真模拟结果进行显示；煤矿副井提升机三维仿真软件模块，安装在计算机中，用于在计算机上运行仿真模拟的场景，并提出规范化的要求，实现对副井提升机结构原理、启动停止、加速减速、通信、报警、紧急制动等三维仿真。

　　下位机模块包括：启动停止提升下降操作模块、加减速操作模块、声光信号操作模块、运行状态显示模块、紧急制动模块。启动停止提升下降操作模块用于实现岗位工对副井提升机的启停、升降的操作功能；加减速操作模块用于实现副井提升机的加速减速功能；声光信号操作模块用于启停、特殊情况的警示提醒作用；紧急制动模块用于常见突发事故模拟时紧急制动功能；运行状态显示模块，显示电压、电流、速度、时间等信息功能。

　　通过通信控制模块连接上位机和下位机，用于实现上位机漫游、下位机操控上位机中的虚拟煤矿副井提升机。

　　2、 上位机的实现

　　2.1 三维模型的建立

　　三维模型的建立是该操作系统的基础，它可以根据现实世界的真实物体来创建虚拟的物体。

　　根据在煤矿里拍摄的副井提升机系统照片以及搜集到的相关资料，采用3DMAX来构建煤矿副井提升机系统的三维实体模型以及环境模型，例如房屋、树木、草地等。构建模型时要保证虚拟场景与现实场景相同、虚拟场景中的设备也要和现实场景中的相同，而且物体或者设备的摆设也要和现实中的保持一致。

　　在建模的过程中要尽量减少模型的面数、删除看不到的面，这样不仅可以减轻硬件的负担，而且还可以减少系统开发的时间，从而节省成本；其次要尽量减少布尔命令的应用，这样不仅可以减少面的个数，还可以避免运算错误，避免模型出现变形。

　　模型建立完成之后，必须用二维贴图来表示三维效果的细节，这样可以使显示的效果更加逼真。在Quest3D中制作实时阴影是相当耗费资源的，由于软件自身的限制，模型一旦超过了64000面，阴影就会计算错误，因此必须对模型进行烘焙，来固态的表现阴影，在后期制作中不受光照的影响。上述工作完成以后，在3DMAX中将模型导出为.X或.CGR文件，若导出.CGR文件，则文件中就已经包含所有贴图文件；若导出.X文件，则需要将场景中用到的所有贴图全部放到存储导出.X文件的文件夹中，为将模型导入Quest3D中做准备。

　　2.2 Quest3D中模型的渲染

　　将导出好的.X或.CGR文件导入到Quest3D中，会在视图中自动生成模型的channel组，并在视图中添加Start 3D Scene通道和3D Render通道，将模型的Channel组连接到3D Render通道上，然后再将3D Render通道连接到Start 3D Scene通道上，将Start 3D Scene通道设置为起始通道，此时在Quest3D中的Preview视图中显示出煤矿副井提升机以及周围环境的三维视图。Quest3D的模型渲染能力是非常强大的，添加不同的Channel组就可以在场景中建立灯光、相机等。本实操平台采用的是Point Light以及Animation Camera with Target。

　　添加好Point Light后，改变Position Vector下面的三个数值可以将Point Light放到合适的位置，图2是Point Light的设置。Animation Camera with Target的视角分别是井口前马CAM1、井口后马CAM2、井底前马CAM3、井底后马CAM4以及罐笼的实时运行。井口前马CAM1的设置。

　　2.3 串口通信

　　Quest3D与串口的通信，主要是通过Quest3D中的“Serial Port”通道和“Serial Command”通道来实现的。“Serial Port”通道可以设置串口号、波特率、奇偶校验位、数据位以及停止位；“Serial Command”通道可以设置打开、关闭串口等。串口通信的控制逻辑。

　　2.4 三维动画的驱动

　　以煤矿副井提升系统各个部分分别添加控制逻辑，控制的动画包括罐笼的上升和下降、罐帘的打开和关闭，井上、井下安全门的打开和关闭、瑶台的升起和降落、阻车器的打开和关闭、前起爪的打开和关闭、推车器的前进和后退等。罐笼上升和下降的控制逻辑，由动态参数驱动煤矿副井提升系统相应的部分进行运动。

　　3、 下位机的实现

　　3.1 下位机硬件结构设计

　　下位机模块所采用的处理器为STC12C5A60S2型号单片机，它具有功耗低、抗干扰能力强等特点，能够适应煤矿上恶劣的工作环境。而且还具丰富的片内资源，可以大大地降低电路设计的复杂度。为下位机硬件结构框图。图中功能按键电路连接到单片机的I/O上，用于对上位机煤矿副井提升机系统的控制；串口通信电路用于上位机和下位机的通信。

　　3.2 下位机软件设计

　　下位机软件部分采用模块化设计思想，主要包括实时时钟、数据存储、声光报警等。图7为下位机软件流程图。下位机模块在接收到上位机模块的握手信号并握手成功后才置位串口通信标志位，执行串口通信程序将数据传输给上位机模块。

　　4、 制作出来的效果

　　本文开发的矿用副井提升机虚拟实操系统为岗位工提供了一个准确、直观地操作平台，采用先进的虚拟现实技术、人机交互等先进技术，培训手段新，直观性强，能有效提高培训效果。系统效果。

　　5、 结束语

　　根据煤矿上对提升机岗位工进行技能培训的需求，实现了一种基于Quest3D的矿用副井提升机虚拟实操系统，该实操系统可以根据煤矿上的具体情况，可以定制开发，也不存在安全隐患，培训方式更加先进，受训人员兴趣更高，效果良好，能够使培训的周期明显缩短。

　　煤矿技能培训系统完美的将虚拟的技术应用到了现实当中，随着多媒体技术的进步以及煤矿安全生产的需求，相信在不久的将来，虚拟现实技术会对我国的煤炭行业做出巨大的贡献。

　　参考文献：
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