门式起重机集装箱装卸工艺虚拟仿真设计开题报告

1 设计目的与意义

1.1研究背景

虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）是利用计算机 3D 仿真技术，模拟真实环境，表现多源信息融合的交互式三维动态视景和实时行为的系统。上世纪60年代，虚拟现实的概念被首次提出，是仿真技术的发展方向之一。近年来，虚拟现实技术迅猛发展，在医学、室内设计、航空航天、工业仿真、教育培训、应急推演等领域得到广泛应用，由于其针对性强、安全性高等特点，能够在保证各类人员没有任何危险的情况下，大幅度提高行业技术水平。

港口是重要的交通基础设施，是实现外向型经济的窗口，为国家经济建设和对外贸易的发展提供基础性支撑。中国大陆主要港口在世界港口中已经占据重要地位，其集装箱吞吐量已连续多年位居世界第一，成为世界上港口吞吐量和集装箱吞吐量最多，增长速度最快的国家。而门式起重机作为重要的港口机械，广泛应用在各大港口，是装卸集装卸的主要机种之一。

随着虚拟现实技术的快速发展，将其应用于机械行业并与之结合是未来机械行业发展的趋势。虚拟现实(VR)技术利用 3D 模型、人工智能 (AI)系统 、碰撞系统、动力学系统、流体力学系统、逻辑分析系统、知识积累系统、大数据库采集系统等专业技术方法，对整个生产工艺开发流程进行仿真模拟，有效分析和把控结果，对于机械设计和制造有着重要作用。

1.2国内外研究现状

近年来，国内外学者对虚拟现实技术进行了大量研究。

1.2.1 国外研究现状

虚拟现实技术首先美国被提出，由于在发展过程当中受到了政府和行业的大力支持，美国拥有最先进的虚拟现实技术，取得了许多成果［10-1-,北卡罗来纳大学（UNC)是首先探索虚拟现实技术的机构之一，重点探索了包括模拟驾驶、分子建模、医学手术训练等方面的内容。由美国华盛顿州立大学VRCIM实验室与美国国家标准技术研究所（NIST)联合设计的虚拟装配设计环境 VADE(virtual assembly design environment)是一个具有代表性的虚拟装配系统，它可以通过建立一个虚拟的装配环境来评价真实的装配过程。美国 NASA 喷气推进实验室利用虚拟现实软件Unity3D引擎建立了火星探测车模拟系统，美国纽约州立大学机械与航空工程系虚拟现实技术实验室开发的虚拟样机装配验证环境VPAVE(Virtual Prototype Assembly Validation Environment)建立了一个虚拟的装配环境来对装配过程进行验证。

在欧洲，德国等发达国家在虚拟现实技术的某些方向和领域是世界先进水平，具有代表性的包括德国 Bielefeld 大学人工智能与虚拟现实实验室结合人工智能技术和三维交互技术设计了构造工具箱虚拟装配系统（CODY Virtual Constructor).使用者可以通过常规的三维交互设备或者自然语言命令与虚拟装配系统交互，其它的虚拟现实系统如英国赫瑞瓦特大学设计的虚拟装配系统UVAVU(Unbelievable Vehicle for Assembly Virtual Units)德国Fraunhofer工业工程研究所设计的虚拟装配规划原型系统、意大利博洛尼亚大学利用增强现实技术开发的个人活动助理 PAA（Personal Active Assistant)系统和希腊帕特拉斯大学开发的虚拟装配工作单元VAWC(Virtual Assembly Work Cell)系统等也都能很好的对装配过程进行模拟。

1.2.2国内研究现状

国内对虚拟现实技术的探索开始的时间相对落后，与美国等开始较早的国家比较还有许多不足之处，但如今随着行业的快速发展和相关部门的重视， 我国的虚拟现实技术经过近年来的应用研究与创新，目前也取得了一定的发展成果。

北京航空航天大学是我国最先开展虚拟现实技术研究与应用的高校之一，其虚拟现实与可视化新技术研究室作为主要开发单位，与浙江大学、国防科技大学等单位联合开发了一个用于对虚拟现实技术进行应用和研究的分布式虚拟环境基础信息平台 DVENET(Distributed Virtual Environment Network)可以实现对真实战场环境的模拟并对飞行员进行驾驶训练。

浙江大学 CADCG 国家重点实验室设计了一个基于桌面型虚拟现实的漫游系统，通过采用预消隐技术和层面叠加技术，对漫游画面的流畅性和沉浸性都实现了很好的程度。万华根等结合洞穴状虚拟现实搭建了一个装配系统IVAS(Immersive Virtual Assembly System),通过该系统用户可以直接完成零部件的选取、装配路径的规划等三维交互操作，通过碰撞检测功能还可以对装配过程进行模拟，来获得零部件正确的装配路径和顺序，提高装配过程的有效性 王广官、江笑龙等人通过数控仿真技术和NC 代码编译技术实现了数控机床虚拟加工的仿真，完成了对NC 代码的验证，同时采用三角形网格模型剖切算法，成功完成了多种零件的虚拟加工。

集美大学的刘鸿儒和孙美娜等人基于虚拟现实技术，分别实现了船舶的锅炉系统、空气压缩系统的虚拟操作和虚拟装配，虚拟操作系统使船员可以在虚拟场景中完成对船舶的操作培训，通过虚拟装配功能可以完善产品的装配工艺，实现装配序列的规划，对现实的生产装配环节有重要的指导意义。

此外北京理工大学的陈泽婵开发了一套基于Unity3D 的光学实验系统，利用增强现实技术完成了多项光学实验 吉林大学的李宇放设计了一套基于增强现实的太极拳培训系统。 湖南大学的杨艺宸开发了一套岳麓书院增强现实展示系统，通过增强现实的手段实现了对岳麓书院景观的再现。广东工业大学的房顺沐提出了移动增强现实产品装配方法，实现了摩托车发动机的虚拟装配。

通过将国内和国外的虚拟现实技术发展情况进行对比，可以发现国外的研究和应用更加广泛和深入，在许多行业当中都有应用，尽管国内的虚拟现实技术最近几年近年来有了一定的进步，但与国外相比仍有一定的差距，尤其是在开发平台等核心技术方面都等着我们去探索研究。

1.3研究的目的与意义

国内外对虚拟现实的研究有很多，大部分用于学习训练系统的设计，利用该技术可以开发出机械产品的虚拟操作、虚拟装配，可以为用户节约大量资金,尤其在大型、复杂或难以预测的危险工作场合,机械产品虚拟仿真与增强现实技术研究具有非常重要的意义。Unity3D在近年来快速发展,是可以应用于三维虚拟现实开发的一种重要工具,利用其进行装卸流程展示和设计，更能促进信息技术与传统机械产业的结合。