基于arduino3d的吸力锚安装工艺虚拟仿真系统的开发

基于arduino3d的吸力锚安装工艺虚拟仿真系统的开发

在等海洋工程结构物中的应用近年来，随着海洋油气资源的开发需求的增加，吸力港是一种新型海床的加固基础，其施工方便，可以重复施工，施工周期长，施工周期长等优点，广泛应用于海上作业的结构，如海上风能装置、海上石油钻孔平台和浮桶定位。虚拟现实技术已被大量应用于工业领域的培训当中，并取得了良好的效果。虚拟现实技术作为仿真技术的一个重要组成部分，由计算机图形学、计算机仿真技术、人机交互技术、多媒体信息处理技术、信息传感技术等多种技术有机融合，是一种依靠计算机网络与信息传感处理而进行运算的交叉性虚拟技术本文对吸力锚安装工艺过程进行了详细研究，并基于Unity3D开发了一套海洋环境中吸力锚施工过程的仿真系统，该系统能够为工程技术人员提供一个高沉浸感、交互性更强的虚拟仿真平台、结合硬件设备能够进行逼真的吸力锚施工过程操作教学和培训。1虚拟仿真系统架构该系统基于Unity3D进行总体架构，辅助Solidworks、3DMax软件共同实现。Unity3D是由UnityTechnologies公司开发的虚拟现实引擎，该软件具有可视化编程界面、支持OpenGL和Direct11、集成了PhysX3.3物理系统等众多功能特点，所以在虚拟现实仿真领域具有广泛应用吸力锚安装工艺仿真系统主要由前台显示子系统、人机交互系统组成。在前台显示子系统中，采用Solidworks建模软件对仿真过程中需要用到的作业船舶、吊机、吸力锚、水下机器人、海洋环境等进行建模，并在3DMax软件中将三维模型进行贴图渲染后转换为FBX格式，为仿真真实海洋作业环境系统必要设施。在人机交互系统中，将前台显示的物理模型和虚拟场景植入到Unity3D虚拟现实引擎中，构建可进行人机交互的虚拟场景以及后台数据实时更新的仿真平台。2系统原型的关键技术2.1面/海底仿真仿真系统各功能模块见得逻辑关系如图2所示。采用Unity3D作为仿真软件对海面/海底中的物理环境和水动力进行仿真，通过C#语言编写程序实现海洋环境、灯光系统、声系统、水下粒子系统、水下机器人推进系统和吊机控制系统的仿真。通过多个传感器采集吸力锚在安装过程中的水平度、深度等数据，通过数据管理模块对采集的数据进行管理。2.2吸力锚测试在吸力锚实际作业过程中，工程技术人员需要通过ROV实时对吸力锚上各种仪表的数据变化进行观察，以保证吸力锚能进行正常的施工作业。本系统采用Unity3D自带的GUI组件对系统软件的主界面和吸力锚作业界面进行了设计2.3吊机的升降旋转控制行为控制主要有Camera的视角控制、吊机的升降/旋转控制、ROV的运动控制。在视角控制中，用户可以通过操作键盘来控制场景的远近以及Camera旋转；在吊机的升降旋转控制中，用户可通过操作键盘来控制吊机的起吊旋转；在ROV的运动控制中，用户可对ROV的运动轨迹以及ROV机械臂的伸缩旋转进行控制。行为控制功能是通过C#语言编写控制程序脚本，将控制脚本分别附加到需要控制的模型上来实现的。在脚本中，首先获取按键信息，判断键盘上用于控制模型运动的特定按键是否被按下，再根据按键信息执行相应的语句。例如当监测到键盘上的“A”键被按下时，系统会执行控制ROV前进的语句，以此来实现交互控制2.4泵阀开关顺利进入的基础碰撞检测功能在本系统中是至关重要的技术，在本系统中，ROV上的机械手与泵阀开关之间的碰撞检测功能，是操作人员能够避免碰撞，实现机械手将泵阀开关顺利打开的基础。本系统的碰撞检测算法采用网格碰撞体，即为ROV上的机械手添加刚体组件和网格碰撞体，为泵阀系统开关添加网格碰撞体，并使用C#语言编写程序，将程序脚本添加到机械手上即可实现碰撞检测功能。在Unity3D中，当网格碰撞体发生相交、处于相交状态和相交状态取消时，会分别调用OnTriggerEnter（）、OnTriggerStay（）、OnTriggerExit（）三个函数3安装技术的研究和模拟3.1吸力锚内力锚内的三种典型段为了使虚拟仿真过程中的工艺流程更加与实际相符，需要场景的模型运动控制与吸力锚的实际工艺流程一致，因此需对吸力锚的安装工艺进行详细研究，吸力锚安装工艺如图4所示。吸力锚的安装工艺是一个相当复杂的过程，主要包括两个阶段，一是吸力锚在自身重力作用下的自由贯入阶段（如图5所示），二是负压贯入阶段（如图6所示）。自由贯入阶段即吸力锚在自身重力的作用下沉入海底预定位置，自由贯入之后吸力锚将有一个初始贯入深度，随后进入负压贯入阶段，此时利用水泵将吸力锚内部的水泵吸到吸力锚外部，随着吸力锚内部水的不断排出，吸力锚内部和外部之间将形成压差，此压差即为施加在吸力锚上的吸力，当吸力达到一定程度后，克服吸力锚侧壁摩擦阻力和端部阻力实现负压贯入过程吸力锚在贯入泥土过程中，还需通过ROV对吸力锚上安装的水平仪进行水平度检测，水平度是影响吸力锚承载力的关键因素，挪威船级社要求吸力锚完成后的倾斜度不超过±5°3.2吊索安装锚控制对于吸力锚安装工艺仿真，选择更适合深水安装的吊装法对吸力锚进行安装。使用286作业船上的履带吊将吸力锚及其他设备从码头建造场地吊放到286船的甲板上，并进行固定。安装船根据GPS定位系统到达施工区域，用平台吊机将吸力锚放在滑轨上，并运载到绞车附近；将吊索D形环安装在绞车绳上，为下水做准备，对安装吊索施加拉力，确保吊索没有发生扭转，并没有挂到吸力锚的其它部位，将吸力锚从平台上吊起；将吸力锚移至平台边缘，如图7所示。从安装船缓慢放下吸力锚至水中；吸力锚入水后，通过作业船上的吊机将其下放至海床，吸力锚靠自重入泥深度约5m，自重贯入过程中，要使用吊机上的吊钩控制吸力锚的偏移，保证自重贯入的垂直度，并通过注水/气管线控制吸力锚的水平度吸力锚自重入泥完成后，通过ROV上的机械手打开吸力锚上的泵阀开关（如图9所示），启动泵阀系统，使吸力锚继续贯入并进行多视角观测，并同时通过负压原理对吸力锚的水平度进行控制，当ROV观测到吸力锚贯入到10m深度时，ROV机械手关闭吸力锚的泵阀开关，暂停贯入工作。ROV通过机械手打开吸力锚筒顶的入孔盖，开始清泥作业。清泥深度0.5～0.6m，误差控制±150mm，以满足吸力锚顶面标高的设计要求。清泥完成后，ROV再次打开吸力锚上的泵阀开关，将吸力锚贯入至设计深度并进行水平度测试，根据挪威船级社要求吸力锚完成后的倾斜度不超过±5°，如图10所示，本次测试中吸力锚的倾斜度为4°，测试成功。4虚拟仿真系统研发本文主要对吸力锚安装工艺进行了研究，通过Solidworks