基于虚拟现实技术的综放工作面仿真研究_张光磊.pdf
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1、控制理论与应用Control Theory and Applications自动化技术与应用2023 年第 42 卷第 6 期Techniques ofAutomation&Applications基于虚拟现实技术的综放工作面仿真研究张光磊1,2,汪海涛1,2,张 磊3(1.中煤西安设计工程有限责任公司,陕西 西安 710000;2.中煤能源研究院有限责任公司,陕西 西安 710000;3.陕西金合信息科技股份有限公司,陕西 西安 710000)摘要:为了实现矿井环境可视化,研究基于虚拟现实技术的综放工作面仿真。创建虚拟场景内部综放设备的数据库,结合纹理映射技术实现场景的真实化处理,将虚拟场景
2、内综放设备的文本信息以及仿真过程中的设备信息储存至二维数据库,场景内可见的全部目标与其对应位置关系储存至三维场景数据库,通过ODBC方式实现数据库通信,利用OpenGL在人机界面显示中文信息。实验结果表明方法能够清晰、逼真地展示矿井下的作业环境,提升综放工作面内综放设备运动行为的仿真准确率,并且可以快速、准确地规划路径,保证矿井人员在最短路径内逃生。关键词:虚拟现实技术;综放工作面仿真;综放设备建模;纹理映射中图分类号:TP391.9文献标识码:A文章编号:1003-7241(2023)06-0062-05Simulation of Fully Mechanized Caving FaceBa
3、sed on Virtual Reality TechnologyZHANG Guang-lei1,2,WANG Hai-tao1,2,ZHANG Lei3(1.China Coal Xian Design Engineering Co.,Ltd.,Xian 710000 China;2.China Coal Energy Research Institute Co.,Ltd.,Xian 710000 China;3.Shaanxi Jinhe Information Technology Co.,Ltd.,Xian 710000 China)Abstract:In order to real
4、ize the visualization of mine environment,the simulation of fully mechanized top coal caving face based on virtualreality technology is studied.The text information of fully mechanized top coal caving equipment in virtual scene and the equip-ment information in simulation process are stored in two-d
5、imensional database.All the visible objects in the scene and their corre-sponding positions are stored in three-dimensional database.The database communication is realized by ODBC,OpenGL is usedto display Chinese information in man-machine interface.The experimental results show that this method can
6、 clearly and realisti-cally show the working environment under the mine,improve the simulation accuracy of the movement behavior of fully mecha-nized top coal caving equipment in the fully mechanized top coal caving face,and can quickly and accurately plan the path to en-sure that the mine personnel
7、 escape in the shortest path.Keywords:virtual reality technology;fully mechanized caving working face simulation;fully mechanized mining equipment modeling;tex-ture mapping收稿日期:2021-05-26DOI:10.20033/j.1003-7241.(2023)06-0062-05.1引言煤矿综放工作面是补充运输采煤机未切割的大功率运输机放置的普通综放工作面,主要位于厚煤层。煤矿井下具有事故高发、能见度低的问题,在教学与培
8、训矿工安全方面的隐患较大1-2。针对这一问题,Kong D等人3分析了综放工作面软厚顶板破坏规律,但是该方法参数调节难度较高;胡雪雪等人与薛光辉等人分别以ARIMA模型与随机森林为出发点对煤矿综放工作面展开仿真4-5,但这两种方法均较为理论,对综放工作面的运动行为仿真准确率低。综上分析上述方法在实际中的应用性有待提升,为此本文研究基于虚拟现实技术的综放工作面仿真,将虚拟现实技术与综放工作面相结合。虚拟现实技术是结合计算机与其他硬软件将仿真的现实世界进行三维动态可视化的反映,用户可以体验到“身临其境”的感觉6。基于虚拟现实技术的综放工作面仿真能够清晰模拟出全部生产工艺过程,具有耗资少、安全方便、
9、可重复操作的优点,并且有积极的抢险救灾意义。2基于虚拟现实技术的综放工作面仿真为实现对矿井下工作环境与生产工艺的模拟,提出62自动化技术与应用2023 年第 42 卷第 6 期控制理论与应用Control Theory and ApplicationsTechniques ofAutomation&Applications结合虚拟现实技术仿真综放工作面,令用户能够切身体验矿井下工作环境以及综放工作面的整个生产过程,在综放工作面虚拟场景中自由漫游,深入了解生产煤的工艺7。综放工作面仿真主要包括以下两个方面:(1)虚拟场景的构建:综放工作面是一个大型复杂系统,构建其虚拟场景的第一步是确定三维场景的
10、基本布局(图1),其主要通过回风顺槽、运输顺槽以及综放工作面三条相连的巷道构成,得到一个基本的生产系统。需要在场景内构建的模型除图1中所标注内容外还有巷道、煤壁等结构,通过对其配置要求的高度现代化实现虚拟场景的逼真与自由漫游。图1综放工作面虚拟场景布局图(2)生产工艺过程的模拟:综放工作面共有采、装、运煤以及支护、采空区处理五部分的生产工艺过程,包括手动操作与自动演示两种生产工艺过程模拟方法,主要是利用图1中各设备的自身运动与交互操作表示生产工艺过程。2.1仿真结构根据图1所示的综放工作面虚拟场景布局图,进行综放工作面仿真分析,构建三维模型以完成综放工作面的功能交互。结合虚拟现实技术仿真综放工
11、作面,得到综放工作面仿真结构如图2。图2仿真结构按照模块化设计思想分析综放工作面仿真结构,主要将其分为建模、煤流粒子系统设计、场景合成、场景真实化处理、数据库设计、人机界面开发六大部分8。建模主要分为几何与运动建模,通过工作面平面图、机械设备的零件、施工图纸、纹理映射以及运动数学模型实现几何与运动建模。通过煤流粒子系统可以模拟综放工作面上的煤炭颗粒运动,并定义煤流粒子内各粒子在喷出时其寿命、速度以及方向跟随模拟时间变化而经历各个阶段,利用场景数据库和几何和运动模型呈现真实感最佳的综放工作面煤流效果。利用实时仿真软件Vega中的Lynx工具,添加光照、声音等外部条件,并利用选取工具,将各项外部条
12、件的参数进行调整和优化,达到综放工作面中实物可视化的目的。采用在综放工作面内部设定物表材质及纹理贴图、调整场景光照效果的方式可实现场景的真实化处理,提高场景真实感。通过数据库主体部分的三维场景数据库对场景中所有可见目标及其对应位置关系进行具体描述,可以实现对三维模型的管理和操作,为统一管理工作过程中三维对象的文本信息和仿真过程中的设备信息,需要在VC软件中建立一个二维数据库,以保存和输出仿真文本信息,通过ODBC实现数据库间的通信。通过该方法可以令用户在亲自操作设备的过程中实现与设备交互,并通过矿井下的游览规划出最优逃生路径以应对意外发生。2.2运动模型的实现仿真综放工作面的核心工作是研究综放
13、工作面内各设备在运动过程中是否配套,已知综放工作面内以液压支架和采煤机两种设备为最主要,此处仅以液压支架为例描述运动模型完成的过程。液压支架的简化模型如图3所示。图3液压支架数学模型图在图3中,点Q、点M、点N、点P均为铰接点,O点为液压支架瞬时运动的中心位置,L1、L2、L4为长度,、为夹角。跟随推进综放工作面,虚拟场景中的液压支架降架、移架与升架的动作不断重演,其中,移架过程的实质为模63控制理论与应用Control Theory and Applications自动化技术与应用2023 年第 42 卷第 6 期Techniques ofAutomation&Applications型各点
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