集装箱起重机仿真训练器座椅振动控制设计研究
在世界航运经济日益发达的今天，港口贸易也空前繁荣。巨大的吞吐量需要先进的港口起重机设备、训练有素的员工以及先进的管理手段来实现。然而，出于港口设备昂贵以及劳动生产效率的考虑，我们不能通过现场实际设备来培训员工。由此，我们开发了集装箱起重机仿真训练器，它以虚拟现实技术为构架，结合机电技术、信息技术、控制技术、多媒体技术等，达到在虚拟环境下培训集装箱起重机驾驶员的目的。
我校开发的仿真训练器工作时可以实现操作的大部分仿真功能，包括真实的现场操作环境、真实的三维视景、真实的声响等，但是该系统尚不能模拟真实的振动感觉。而当学员沉浸于虚拟现实环境中进行培训操作，除了感觉视景系统、音响系统产生的图像和声音以外，同时座椅振动系统也应该要产生与现场工作环境相似的座椅振动，即对应于起重机的驾驶室运动、大车行驶、大车制动、小车行驶、小车制动、抓箱、放箱以及前大梁俯仰等工况时的颠簸、倾斜和摇晃动作，给学员以真实的体感。
本论文就是在现有的集装箱起重机仿真训练器这一基础下开展应用研究工作的。它通过驾驶员座椅、电动缸、交流伺服电机、伺服驱动器、D/A卡、定时/计数卡、数字I/O卡、工控机等硬件组成交流伺服系统来实现驾驶员座椅的振动控制。本系统是一个实时性很强的多任务系统，传统上采用时钟中断很难在Windows环境里实现实时控制，而使用DDK、VtoolsD等开发工具又极易造成系统崩溃。为了在Windows环境下能完成实时性较强的反馈脉冲值计数，控制算法实现和控制信号输出等任务，系统采用了定时/计数卡和Tvichw32控件相结合的办法，通过Tvichw32控件来捕获定时/计数卡的定时器硬件中断。这样能保证精确的定时，方便安全的完成了实时控制任务。
实际的集装箱桥机座椅振动情况比较复杂，完全模拟出真实的振动过程是比较困难的。如果建立可实现6自由度控制的座椅振动平台，硬件投资将非常庞大。调查表明，集装箱桥机驾驶员座椅工作中更多的是小车运行方向(即X方向)的前后振动，所以我们的多自由度座椅振动平台采用X方向的单自由度激励，即可实现座椅振动的大部分体感功能，同时开发成本也大大降低。系统X方向的振动激励分为标准函数模式和仿真模式两种。标准函数模式是系统加载标准自由振动小阻尼曲线、正弦曲线和方波曲线或者这几种函数的叠加曲线，以实现驾驶员座椅对各种操作的振动响应；仿真模式则是加载来自经过现场采集到的振动信号，以提高振动感觉的真实度。所有振动模式都需要和视景中的集装箱起重机的工况和动作相联系，即由操作手柄发出的指令来控制和驱动。
本系统较好地实现了模拟座椅振动功能，它的应用使得仿真训练器的功能更加完善，对培训驾驶学员，进而加快集装箱起重机的装卸效率，提高集装箱码头的管理水平都将起到很好的作用。而且为将来实现驾驶员座椅的自适应振动主动控制，抑制或者减弱座椅的振动，以提高驾驶员的舒适度，都提供了一个很好的研究基础。
仿真训练器;集装箱起重机;起重机;伺服系统;振动控制
上海海事大学
硕士
机械电子工程
宓为建
2004
中文
U653.921;TP391.9
69
2007-08-07（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）