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《武汉理工大学》 2015年
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基于虚拟现实的焊接操作训练模拟系统关键技术研究

谢本凯  
【摘要】:作为将两块金属拼接起来的基本方法之一,焊接是现代工业的一个关键环节,它被广泛应用于造船、汽车制造以及航空航天等领域。如今焊接技术已经逐步从传统的技艺转变为科学,这种改变对焊工的整体焊接技能提出了更高的要求。但是由于传统焊接培训受危险环境的限制,教员在新焊工培训过程中不能即时地对学员的动作规范进行控制。因此,探寻一个安全、高效、低能耗的焊工培训新方法已为社会的迫切需要。焊接操作训练模拟系统是一个融合了物理学、力学、数学、计算机科学、机械、材料等多学科的应用型研究领域,虽然还处于研究开发的起步阶段,但已经在焊接工人的培训中显示出了广泛的应用前景。本文以现代虚拟现实技术为导引,以应用广泛的二氧化碳气体保护焊、焊条电弧焊、氩弧焊为对象,综合运用计算机图形学、软件工程、现代传感与测控技术、流体动力学、焊接操作技术、人机工程学等多学科知识,深入研究了基于虚拟现实的焊接操作训练模拟系统的关键技术。首先,本文对新一代焊接虚拟现实系统的整体构型进行了深入研究,分别从系统功能定位、构建原则、集成可行性分析、空间定位精度等四个方面给焊接虚拟现实系统的构建提供依据,最终形成系统的总体构型。然后,研究了视觉跟踪算法设计及实现问题,结合本项目中的实际情况,提出了一种基于单目视觉的多目标运动检测与跟踪算法。该算法在基于蠕虫模型的目标轮廓检测算法基础上,对蠕虫运动规则进行了修改,可缩短目标轮廓检测时间,并提高目标轮廓检测的稳定性;算法内包含有下山单纯型优化算法,可针对圆形成像被部分遮挡的情况下对球状目标位置进行优化,以满足用户实际操作过程中的交互需求。其次,研究了现阶段的焊缝成形仿真方法,针对焊缝成形仿真过程中的计算时间长及无流体运动感等问题,提出了一种基于光滑粒子流体动力学法的焊缝成形仿真方法。该方法中包含有流体温度场计算,可计算流体粒子的温度,并根据流体粒子的温度对粒子的更新步长进行修改,可实现流体粒子从运动状态至静止状态的转化,从而模拟出焊接过程中熔池凝固的过程;再次,研究了焊接运条轨迹评价方法,针对焊工运条操作时的具体要求,提出了一种基于运条轨迹投影的相似度量方法。该方法包含完整度、偏移量、方差三个分量,可根据模拟系统给定的标准轨迹模板对学员实际操作的训练轨迹进行相似度测量。该方法经测试其计算的相似度结果符合人的视觉感官。最后,结合以上研究成果,设计并开发了焊接虚拟现实原型系统,并从系统的硬件和软件两大方面分析原型系统各个模块的功能。该原型系统具备良好的人机交互性以及高度的视景沉浸感。
【学位授予单位】:武汉理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TG409

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【参考文献】
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