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本书以起重机虚拟操作系统的开发为例，介绍视景系统的建模理论和技术，以及模型驱动理论和技术。全书主要包括三部分：*部分系统地介绍了起重机的结构特点和安全操作规范，重点分析了起重机的动力学特性和货物的摆动特性；第二部分重点叙述了构建起重机和工作场景三维实体模型的理论和技术，实现起重机机构运动和场景变换的模型驱动、碰撞检测及碰撞响应的理论和技术，以及提高虚拟操作系统的真实感和运行速度的方法和技巧；第三部分介绍了虚拟操作系统应用程序发布和系统测试的方法。本书可供高等院校、科研机构等从事机械工程、自动化和计算机应用等专业的师生和研究人员及相关领域的工程技术人员参考使用。

第1章绪论001

1.1起重机械简介001

1.1.1起重机械的基本类型001

1.1.2起重机的基本参数001

1.1.3起重机司机的培训教育与考核004

1.1.4塔式起重机安全操作考核实例005

1.2起重机虚拟操作系统008

1.2.1虚拟现实技术008

1.2.2虚拟操作系统009

1.2.3起重机操作系统开发背景010

1.2.4起重机虚拟操作系统的先进性011

1.3起重机虚拟操作系统的国内外研究现状及发展趋势011

1.3.1国内研究现状011

1.3.2国外研究现状013

1.3.3国内外发展趋势014

1.4起重机虚拟操作系统的关键技术简介014

1.4.1起重机动态特性及其在虚拟操作系统中的实现014

1.4.2三维实体模型建模技术015

1.4.3三维虚拟视景仿真技术016

1.4.4三维实体模型的碰撞检测及碰撞响应016

第2章起重机的结构特点及安全操作规程017

2.1桥门式起重机的结构及安全操作规程017

2.1.1桥门式起重机的金属结构017

2.1.2桥门式起重机运行机构019

2.1.3桥门式起重机安全操作规程019

2.2塔式起重机的结构特点及安全操作规程021

2.2.1塔式起重机金属结构021

2.2.2塔式起重机运行机构023

2.2.3塔式起重机安全操作规程024

2.3岸边集装箱起重机的结构特点及安全操作规程025

2.3.1岸边集装箱起重机的金属结构025

2.3.2岸边集装箱起重机运行机构026

2.3.3岸边集装箱起重机安全操作规程027

第3章起重机动力学模型及动态特性分析030

3.1桥式起重机动力学模型及动态特性分析030

3.1.1桥式起重机非线性动力学模型030

3.1.2桥式起重机实验台及非线性化模型验证033

3.1.3桥式起重机线性化模型及动态特性分析034

3.2塔式起重机动力学模型及动态特性分析035

3.2.1塔式起重机非线性动力学模型035

3.2.2塔式起重机实验台及非线性化模型验证038

3.2.3塔式起重机线性化模型及动态特性分析040

3.3起重机货物摆动误差分析041

3.3.1模型线性化引起的货物摆动误差分析041

3.3.2惯性力引起的货物摆动幅值估计043

3.3.3忽略起升运动引起的货物摆动误差分析044

3.4操作环境不确定性对起重机货物摆动特性的影响046

3.4.1起吊偏摆引起的货物摆动046

3.4.2风载荷对货物摆动的影响046

3.4.3空气阻力对货物摆动的影响048

3.5门式起重机动力学模型及动态特性分析048

3.5.1门式起重机非线性动力学模型048

3.5.2门式起重机线性化模型及动态特性分析049

第4章岸边集装箱起重机虚拟操作系统总体设计051

4.1岸边集装箱起重机操作过程分析051

4.1.1岸边集装箱起重机运行机构分析051

4.1.2岸边集装箱起重机装卸船作业过程分析052

4.2岸边集装箱起重机虚拟操作系统结构设计054

4.2.1虚拟操作系统功能要求分析055

4.2.2虚拟操作系统结构组成056

4.2.3虚拟操作系统操作流程057

4.3岸边集装箱起重机虚拟操作系统开发的软、硬件平台057

4.3.1系统开发软件057

4.3.2系统开发硬件059

4.4岸边集装箱起重机虚拟操作系统开发流程060

4.4.1开发流程简介060

4.4.2开发流程分析060

第5章塔式起重机虚拟操作系统总体设计064

5.1塔式起重机操作过程分析064

5.1.1塔式起重机工作过程064

5.1.2塔式起重机操作模式066

5.2塔式起重机虚拟操作系统的功能要求067

5.3塔式起重机虚拟操作系统结构068

5.3.1塔式起重机虚拟操作系统的结构068

5.3.2塔式起重机虚拟操作系统的操作流程069

5.4塔式起重机虚拟操作系统开发流程069

5.4.1系统开发软、硬件平台070

5.4.2开发流程简介071

第6章岸边集装箱起重机虚拟操作系统三维实体建模理论与技术074

6.1建模软件Multigen Creator简介074

6.2基于Multigen Creator软件的建模理论与技术074

6.2.1常用建模技巧075

6.2.2多自由度DOF建模技术077

6.2.3模型优化技术077

6.3岸边集装箱起重机三维实体模型的创建078

6.3.1岸边集装箱起重机主体结构和几何参数078

6.3.2岸边集装箱起重机层次结构特点分析081

6.3.3创建岸边集装箱起重机几何模型082

6.3.4创建岸边集装箱起重机模型自由度节点085

6.3.5创建吊装设备几何模型085

6.4岸边集装箱起重机虚拟场景模型的创建086

6.4.1建模数据采集086

6.4.2虚拟场景模型创建087

第7章塔式起重机虚拟操作系统三维实体建模理论与技术090

7.1虚拟操作系统三维实体建模准备工作090

7.1.1数据采集090

7.1.2数据处理091

7.2塔式起重机三维实体模型的创建093

7.2.1塔式起重机的结构分析093

7.2.2塔式起重机建模方案094

7.2.3塔式起重机三维实体模型的创建094

7.3塔式起重机虚拟场景模型的创建096

7.3.1虚拟场景建模方案096

7.3.2建筑物模型097

7.3.3树木模型098

7.3.4山体模型099

7.3.5地面、路面模型100

7.4用于系统建模的高级建模技术101

7.4.1多层次LOD建模技术101

7.4.2多自由度DOF建模技术101

7.4.3纹理映射技术102

7.4.4公告牌技术102

7.5模型数据库优化技术103

7.5.1调整数据库层次结构103

7.5.2实例化技术103

7.5.3减少多边形数量104

7.5.4外部引用技术104

7.6虚拟场景建模过程中遇到的问题及解决方案105

7.6.1蓝边问题及解决方案105

7.6.2面闪烁问题及解决方案105

7.6.3模型在场景中自由漂移问题及解决方案106

第8章岸边集装箱起重机虚拟操作系统三维虚拟视景仿真技术109

8.1Vega软件简介109

8.1.1Lynx图形界面109

8.1.2Vega的API函数110

8.1.3Vega应用程序111

8.2Vega驱动技术112

8.2.1Vega应用程序的执行流程112

8.2.2Vega应用程序的初始化113

8.2.3Vega应用程序的编译114

8.3岸边集装箱起重机机构运动的实现114

8.3.1大车机构和小车机构运动的实现114

8.3.2起升机构运动的实现115

8.3.3驾驶室内外多视点的设定115

8.3.4集装箱抓取和就位动作的实现117

8.4集卡运动的实现117

8.4.1集卡路径规划和导航技术117

8.4.2集卡运动的实现118

8.5虚拟人行走119

8.5.1虚拟人行走技术119

8.5.2虚拟人行走的实现119

8.6动态海洋仿真120

8.6.1基于Vega Marine模块仿真动态海洋技术120

8.6.2动态海洋的实现121

第9章塔式起重机虚拟操作系统三维虚拟视景仿真技术123

9.1塔式起重机虚拟操作系统模型驱动123

9.1.1虚拟场景三维模型驱动123

9.1.2塔式起重机三维模型驱动125

9.2塔式起重机机构运动的实现128

9.2.1塔式起重机联动台的布局128

9.2.2起升运动的实现129

9.2.3变幅运动的实现130

9.2.4回转运动的实现131

9.2.5同时起升和回转运动的实现131

9.2.6同时起升和变幅运动的实现132

9.3货物摆动的实现133

9.3.1货物摆动特性的简单描述133

9.3.2货物摆动的实现技术及技巧134

9.4特殊效果的渲染135

9.4.1云层效果的实现136

9.4.2昼夜交替效果的实现137

9.4.3大雾效果的实现138

第10章三维实体模型的碰撞检测及碰撞响应141

10.1基于Vega的碰撞检测原理与技术141

10.1.1碰撞检测原理141

10.1.2相交矢量方法142

10.2碰撞检测分析142

10.3碰撞检测和碰撞响应的实现143

10.3.1吊具的碰撞检测144

10.3.2货物的碰撞检测145

10.3.3碰撞响应146

第11章虚拟操作系统应用程序发布及系统测试方法148

11.1应用程序发布148

11.2系统测试方法148

11.3系统性能分析150

参考文献151

董明晓，山东建筑大学，教授，科研工作：机电设备的创新设计、动态性能分析、运动控制、振动控制、性能测试、系统辨识、时滞滤波、鲁棒控制理论和技术，以及通过虚拟现实技术和仿真技术再现机电系统的动态性能，重点从工程机械的机械结构设计、控制系统设计、虚拟现实技术的研究。

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编辑推荐

本书大纲结构清晰，有条理，介绍了基于虚拟现实技术开发虚拟操作系统应用程序的全流程，包括理论、设计及应用。本书可供高等院校、科研机构等从事机械工程、自动化和计算机应用等专业的师生和研究人员及相关领域的工程技术人员参考使用。

书摘插图

前言

起重机装卸、搬运货物属于高空危险作业的特种工作，起重机司机的操作直接影响到人们生命和财产安全。为此，我国对起重机司机的安全技术培训进行了立法，规定新司机必须到省市指定单位参加培训，取得资格证书后方可从事此项工作。目前，我国起重机司机的训练是采用师傅带徒弟的方式来完成的，这种传统的教授方式受人为因素的影响和天气条件的限制，存在着事故率高、培训内容欠规范、效率低等问题，尤其是新手操作，加大了培训工作的危险性。现代科学技术的迅速发展使基于虚拟现实技术开发起重机机械结构和机构，具有与起重机一样的操作功能和真实再现起重机工作过程及场景变化的虚拟设备，在室内对起重机司机进行高素质的训练与考核成为可能。

虚拟现实是一种提出不久而极有发展潜力的新理论和新技术，基于虚拟现实技术开发的起重机虚拟操作系统在国内外还没有被广泛地推广和应用，更没有一部书完整地叙述开发能真实再现起重机操作过程和工作场景的虚拟操作系统的理论和技术。笔者在前人研究的基础上，根据多年来起重机虚拟操作系统开发的研究成果和研究经验，把开发虚拟操作系统的关键理论和技术，以及在开发过程中遇到的问题和解决方案写成这本著作，希望能与正在研究机械工程和虚拟现实技术的同仁共享。

本书从起重机的结构特点和安全操作技术规范着手，通过分析起重机的动力学特性和货物摆动特点，以桥门式起重机、塔式起重机和港口起重机为例详细叙述了开发起重机虚拟操作系统的总体设计和开发流程，重点讨论了构建起重机和工作场景三维实体模型的理论和技术，实现起重机机构运动和场景变换的模型驱动、碰撞检测及碰撞响应的理论和技术，以及提高虚拟操作系统的真实感和运行速度的方法和技巧，后介绍了系统应用软件的发布和测试方法。

本书的部分工作包括了董明晓的博士学位论文和鲁萌萌（山东省聊城建设集团）的硕士学位论文的内容，同时参考了徐书娟（临沂市技师学院）硕士学位论文的内容，在本书的编写过程中引用了书后有关文献中的材料和思想，谨向这些文献的作者表示衷心的感谢！在确定书稿的写作思路和写作宗旨方面，北京陆航学院的郑康平博士给予了很好的建议和指导，在此向郑康平博士表示由衷感谢！本书由国家自然基金项目（项目编号是51475277）资助出版。

由于起重机虚拟操作系统开发理论和技术是一种提出不久而尚未被广泛应用的技术，还存在着许多有待研究和解决的问题，加之虚拟现实技术知识面宽，属于交叉学科，新的复杂现象不断被人们认识和发现，因此本书的内容尽力跟踪这一领域的进展情况，笔者希望它能起到良好的抛砖引玉的作用。由于笔者学识有限，书中难免存在着不足之处，希望广大读者和同行给予批评指正。

著者