【摘 要】
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北京冬奥会成功举办促进了我国冰雪产业的高速发展。压雪机是滑雪场不可或缺的重要机械设备之一,具有压雪、平雪与打碎硬雪等功能,能够修整出安全平整的优质雪道。随着滑雪场数量的不断激增,对压雪机产品更新换代和相关人员培训需求也随之增大。传统模式下压雪机产品设计周期长、成本高,更新速度难以满足不断加剧的市场竞争,由于压雪机工作环境复杂,相关从业人员在雪道实地的驾驶培训难度大、成本高、时间受限,并存在一定的安
【基金项目】
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河北省科技厅技术创新引导计划项目,科技冬奥专项,项目名称:压雪机虚拟仿真系统研发与应用（项目编号:2471801D）
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北京冬奥会成功举办促进了我国冰雪产业的高速发展。压雪机是滑雪场不可或缺的重要机械设备之一,具有压雪、平雪与打碎硬雪等功能,能够修整出安全平整的优质雪道。随着滑雪场数量的不断激增,对压雪机产品更新换代和相关人员培训需求也随之增大。传统模式下压雪机产品设计周期长、成本高,更新速度难以满足不断加剧的市场竞争,由于压雪机工作环境复杂,相关从业人员在雪道实地的驾驶培训难度大、成本高、时间受限,并存在一定的安全隐患。针对这些问题,运用虚拟现实技术开发压雪机虚拟装配及运动仿真系统,并对压雪机VR建模、虚拟装配、运动仿真等主要功能进行研究。论文主要工作如下:（1）压雪机虚拟装配及运动仿真系统总体方案设计。在系统功能需求分析的基础上,采用虚实结合的开发理念,搭建了系统的四层构架体系,进而分析了系统所应有的功能,制定开发流程,并简要说明了系统采用的开发平台。（2）压雪机VR模型构建技术研究。分析了参数化模型转中间格式文件四类数据转换原理,以及MakeReal3D平台数据提取原理,选用SFX文件为模型转换的中间格式。通过Convert UGsetup插件将压雪机CAD模型转换为SFX文件,MakeReal3D平台读取SFX文件拓扑数据、装配数据和几何数据,并在平台中添加物理数据和材质。建立的压雪机VR模型拥有完整可调用数据,为后续的装配与仿真奠定基础。（3）基于VR的压雪机虚拟装配技术研究。提出了一种基于碰撞模拟、几何约束和动态力反馈相结合的虚拟装配方法。构建了面向VR环境的虚拟装配总体技术框架,给出了虚拟装配流程,包括装配漫游、装配定位和入孔装配三个阶段,研究了基于三角面自动凹凸碰撞包围盒、弹簧-质量模型、几何约束等关键技术,实现了虚拟空间中零件的精确定位与装配。通过动态力反馈实时捕获装配过程中的受力情况,增强了装配仿真过程的真实感。（4）基于VR场景下压雪机的运动仿真研究。根据真实工况条件建立压雪机简化动力学模型,对压雪机在不同地形运动姿态参数进行求解。在MakeReal3D载具蓝图中根据求解的参数完成压雪机扭矩、阻力等参数设置,并进行逻辑编程实现压雪机运动仿真过程。在上述研究的基础上,开发了压雪机虚拟装配及运动仿真系统,实现了压雪机认知学习、虚拟装配、运动仿真等主要功能。系统发布后,借助Oculus虚拟现实设备和Optitrack动态捕捉系统等硬件设备对系统进行测试。测试结果表明系统各功能模块均可以实现,且能够实现多人协同交互,运行帧率平均稳定在63fps,无卡顿和闪退等现象,系统鲁棒性较好,对压雪机开发与培训有一定的促进意义。
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