基于arduino3d的吸力錨安裝工藝虛擬仿真系統(tǒng)的開發(fā)

基于arduino3d的吸力錨安裝工藝虛擬仿真系統(tǒng)的開發(fā)

在等海洋工程結(jié)構(gòu)物中的應(yīng)用近年來，隨著海洋油氣資源的開發(fā)需求的增加，吸力港是一種新型海床的加固基礎(chǔ)，其施工方便，可以重復(fù)施工，施工周期長，施工周期長等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于海上作業(yè)的結(jié)構(gòu)，如海上風(fēng)能裝置、海上石油鉆孔平臺和浮桶定位。虛擬現(xiàn)實技術(shù)已被大量應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的培訓(xùn)當(dāng)中，并取得了良好的效果。虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為仿真技術(shù)的一個重要組成部分，由計算機(jī)圖形學(xué)、計算機(jī)仿真技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、多媒體信息處理技術(shù)、信息傳感技術(shù)等多種技術(shù)有機(jī)融合，是一種依靠計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與信息傳感處理而進(jìn)行運算的交叉性虛擬技術(shù)本文對吸力錨安裝工藝過程進(jìn)行了詳細(xì)研究，并基于Unity3D開發(fā)了一套海洋環(huán)境中吸力錨施工過程的仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠為工程技術(shù)人員提供一個高沉浸感、交互性更強(qiáng)的虛擬仿真平臺、結(jié)合硬件設(shè)備能夠進(jìn)行逼真的吸力錨施工過程操作教學(xué)和培訓(xùn)。1虛擬仿真系統(tǒng)架構(gòu)該系統(tǒng)基于Unity3D進(jìn)行總體架構(gòu)，輔助Solidworks、3DMax軟件共同實現(xiàn)。Unity3D是由UnityTechnologies公司開發(fā)的虛擬現(xiàn)實引擎，該軟件具有可視化編程界面、支持OpenGL和Direct11、集成了PhysX3.3物理系統(tǒng)等眾多功能特點，所以在虛擬現(xiàn)實仿真領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用吸力錨安裝工藝仿真系統(tǒng)主要由前臺顯示子系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)組成。在前臺顯示子系統(tǒng)中，采用Solidworks建模軟件對仿真過程中需要用到的作業(yè)船舶、吊機(jī)、吸力錨、水下機(jī)器人、海洋環(huán)境等進(jìn)行建模，并在3DMax軟件中將三維模型進(jìn)行貼圖渲染后轉(zhuǎn)換為FBX格式，為仿真真實海洋作業(yè)環(huán)境系統(tǒng)必要設(shè)施。在人機(jī)交互系統(tǒng)中，將前臺顯示的物理模型和虛擬場景植入到Unity3D虛擬現(xiàn)實引擎中，構(gòu)建可進(jìn)行人機(jī)交互的虛擬場景以及后臺數(shù)據(jù)實時更新的仿真平臺。2系統(tǒng)原型的關(guān)鍵技術(shù)2.1面/海底仿真仿真系統(tǒng)各功能模塊見得邏輯關(guān)系如圖2所示。采用Unity3D作為仿真軟件對海面/海底中的物理環(huán)境和水動力進(jìn)行仿真，通過C#語言編寫程序?qū)崿F(xiàn)海洋環(huán)境、燈光系統(tǒng)、聲系統(tǒng)、水下粒子系統(tǒng)、水下機(jī)器人推進(jìn)系統(tǒng)和吊機(jī)控制系統(tǒng)的仿真。通過多個傳感器采集吸力錨在安裝過程中的水平度、深度等數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)管理模塊對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。2.2吸力錨測試在吸力錨實際作業(yè)過程中，工程技術(shù)人員需要通過ROV實時對吸力錨上各種儀表的數(shù)據(jù)變化進(jìn)行觀察，以保證吸力錨能進(jìn)行正常的施工作業(yè)。本系統(tǒng)采用Unity3D自帶的GUI組件對系統(tǒng)軟件的主界面和吸力錨作業(yè)界面進(jìn)行了設(shè)計2.3吊機(jī)的升降旋轉(zhuǎn)控制行為控制主要有Camera的視角控制、吊機(jī)的升降/旋轉(zhuǎn)控制、ROV的運動控制。在視角控制中，用戶可以通過操作鍵盤來控制場景的遠(yuǎn)近以及Camera旋轉(zhuǎn)；在吊機(jī)的升降旋轉(zhuǎn)控制中，用戶可通過操作鍵盤來控制吊機(jī)的起吊旋轉(zhuǎn)；在ROV的運動控制中，用戶可對ROV的運動軌跡以及ROV機(jī)械臂的伸縮旋轉(zhuǎn)進(jìn)行控制。行為控制功能是通過C#語言編寫控制程序腳本，將控制腳本分別附加到需要控制的模型上來實現(xiàn)的。在腳本中，首先獲取按鍵信息，判斷鍵盤上用于控制模型運動的特定按鍵是否被按下，再根據(jù)按鍵信息執(zhí)行相應(yīng)的語句。例如當(dāng)監(jiān)測到鍵盤上的“A”鍵被按下時，系統(tǒng)會執(zhí)行控制ROV前進(jìn)的語句，以此來實現(xiàn)交互控制2.4泵閥開關(guān)順利進(jìn)入的基礎(chǔ)碰撞檢測功能在本系統(tǒng)中是至關(guān)重要的技術(shù)，在本系統(tǒng)中，ROV上的機(jī)械手與泵閥開關(guān)之間的碰撞檢測功能，是操作人員能夠避免碰撞，實現(xiàn)機(jī)械手將泵閥開關(guān)順利打開的基礎(chǔ)。本系統(tǒng)的碰撞檢測算法采用網(wǎng)格碰撞體，即為ROV上的機(jī)械手添加剛體組件和網(wǎng)格碰撞體，為泵閥系統(tǒng)開關(guān)添加網(wǎng)格碰撞體，并使用C#語言編寫程序，將程序腳本添加到機(jī)械手上即可實現(xiàn)碰撞檢測功能。在Unity3D中，當(dāng)網(wǎng)格碰撞體發(fā)生相交、處于相交狀態(tài)和相交狀態(tài)取消時，會分別調(diào)用OnTriggerEnter（）、OnTriggerStay（）、OnTriggerExit（）三個函數(shù)3安裝技術(shù)的研究和模擬3.1吸力錨內(nèi)力錨內(nèi)的三種典型段為了使虛擬仿真過程中的工藝流程更加與實際相符，需要場景的模型運動控制與吸力錨的實際工藝流程一致，因此需對吸力錨的安裝工藝進(jìn)行詳細(xì)研究，吸力錨安裝工藝如圖4所示。吸力錨的安裝工藝是一個相當(dāng)復(fù)雜的過程，主要包括兩個階段，一是吸力錨在自身重力作用下的自由貫入階段（如圖5所示），二是負(fù)壓貫入階段（如圖6所示）。自由貫入階段即吸力錨在自身重力的作用下沉入海底預(yù)定位置，自由貫入之后吸力錨將有一個初始貫入深度，隨后進(jìn)入負(fù)壓貫入階段，此時利用水泵將吸力錨內(nèi)部的水泵吸到吸力錨外部，隨著吸力錨內(nèi)部水的不斷排出，吸力錨內(nèi)部和外部之間將形成壓差，此壓差即為施加在吸力錨上的吸力，當(dāng)吸力達(dá)到一定程度后，克服吸力錨側(cè)壁摩擦阻力和端部阻力實現(xiàn)負(fù)壓貫入過程吸力錨在貫入泥土過程中，還需通過ROV對吸力錨上安裝的水平儀進(jìn)行水平度檢測，水平度是影響吸力錨承載力的關(guān)鍵因素，挪威船級社要求吸力錨完成后的傾斜度不超過±5°3.2吊索安裝錨控制對于吸力錨安裝工藝仿真，選擇更適合深水安裝的吊裝法對吸力錨進(jìn)行安裝。使用286作業(yè)船上的履帶吊將吸力錨及其他設(shè)備從碼頭建造場地吊放到286船的甲板上，并進(jìn)行固定。安裝船根據(jù)GPS定位系統(tǒng)到達(dá)施工區(qū)域，用平臺吊機(jī)將吸力錨放在滑軌上，并運載到絞車附近；將吊索D形環(huán)安裝在絞車?yán)K上，為下水做準(zhǔn)備，對安裝吊索施加拉力，確保吊索沒有發(fā)生扭轉(zhuǎn)，并沒有掛到吸力錨的其它部位，將吸力錨從平臺上吊起；將吸力錨移至平臺邊緣，如圖7所示。從安裝船緩慢放下吸力錨至水中；吸力錨入水后，通過作業(yè)船上的吊機(jī)將其下放至海床，吸力錨靠自重入泥深度約5m，自重貫入過程中，要使用吊機(jī)上的吊鉤控制吸力錨的偏移，保證自重貫入的垂直度，并通過注水/氣管線控制吸力錨的水平度吸力錨自重入泥完成后，通過ROV上的機(jī)械手打開吸力錨上的泵閥開關(guān)（如圖9所示），啟動泵閥系統(tǒng)，使吸力錨繼續(xù)貫入并進(jìn)行多視角觀測，并同時通過負(fù)壓原理對吸力錨的水平度進(jìn)行控制，當(dāng)ROV觀測到吸力錨貫入到10m深度時，ROV機(jī)械手關(guān)閉吸力錨的泵閥開關(guān)，暫停貫入工作。ROV通過機(jī)械手打開吸力錨筒頂?shù)娜肟咨w，開始清泥作業(yè)。清泥深度0.5～0.6m，誤差控制±150mm，以滿足吸力錨頂面標(biāo)高的設(shè)計要求。清泥完成后，ROV再次打開吸力錨上的泵閥開關(guān)，將吸力錨貫入至設(shè)計深度并進(jìn)行水平度測試，根據(jù)挪威船級社要求吸力錨完成后的傾斜度不超過±5°，如圖10所示，本次測試中吸力錨的傾斜度為4°，測試成功。4虛擬仿真系統(tǒng)研發(fā)本文主要對吸力錨安裝工藝進(jìn)行了研究，通過Solidworks