水平定向钻进虚拟仿真培训系统研究

论文摘要

非开挖是在不开挖或者少开挖地表的情况下铺设、更换、修复地下管线的施工技术。近年来,随着非开挖技术的不断发展,其应用范围不断扩大,中国非开挖市场也欣欣向荣。水平定向钻进（Horizontal Directional Drilling,HDD）作为最受欢迎的非开挖工法,中国近两年来钻机年销售量均保持在3600台以上,钻机持有量也达到了将近2万台。与我国日渐步入佳境的非开挖市场不相匹配的是非开挖从业人员技术水平参差不齐,缺乏操作培训,以及非开挖专业培训机构和相关高校教学手段的单一、低效。因此,为丰富非开挖教学手段,提高从业人员技术水平,本文提出一种基于土行孙DDW-35/12型号钻机,结合虚拟现实技术开发的水平定向钻进虚拟仿真培训系统。本文首先介绍水平定向钻进技术和虚拟现实技术,作为系统开发的技术基础,同时介绍了当前主流的教学培训理论,作为培训系统开发的理论基础。其次,总结当前国内外非开挖培训系统研究现状,包括多媒体培训系统、钻机模拟器、以及虚拟现实培训系统三类。本文根据当前非开挖行业现存问题分析水平定向钻进虚拟培训系统的需求,根据需求设计出系统整体结构和UI界面框架,从而确定了开发水平定向钻进培训系统的硬件平台、操作系统、建模软件和游戏引擎。基于开发所采用的软件,本文研究了物理效应仿真技术、多摄像机跟随技术、模拟操作技术和动态生成地下钻杆技术。此外,整理德威土行孙DDW35/12型号钻机操作规程,根据实际施工中的物理碰撞关系归纳钻机动作逻辑关系,从而实现了培训系统视角切换、多角度显示、模拟操作、参数可视化等功能。最后,采用Unity3D作为主要的开发软件,根据系统整体结构和UI界面框架,实现了具有基本教学功能的培训系统,并将系统发布至PC平台。然后,对系统性能进行了分析和优化。通过用户测试可知培训系统运行流畅,操作界面简洁实用,具有基本的钻机操作培训功能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景与意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 国外研究现状
•     1.2.2 国内研究现状
•     1.2.3 存在的问题
•   1.3 主要研究内容
•   1.4 技术路线与研究方案
• 第二章 相关教学理论与虚拟现实技术综述
•   2.1 培训教学理论
•     2.1.1 教育共同体认识论
•     2.1.2 戴尔经验之塔理论
•   2.2 虚拟现实技术
•   2.3 本章小结
• 第三章 系统总体设计
•   3.1 系统需求分析
•     3.1.1 功能需求分析
•     3.1.2 技术方法需求分析
•     3.1.3 开发环境需求分析
•   3.2 系统总体方案设计
•   3.3 本章小结
• 第四章 关键方法及系统实现
•   4.1 关键方法与原理
•     4.1.1 物理效应仿真方法
•     4.1.2 模拟操作钻机方法
•     4.1.3 钻孔轨迹与孔内机具动态生成方法
•   4.2 系统实现
•     4.2.1 前期准备工作
•     4.2.2 模型的构建与处理
•     4.2.3 虚拟场景的搭建
•     4.2.4 物理效应实现
•     4.2.5 主要操作功能实现
•     4.2.6 地下钻具动态生成实现
•     4.2.7 用户界面的设计开发
•     4.2.8 教学内容导入
•   4.3 本章小结
• 第五章 系统优化与测试
•   5.1 系统性能优化
•     5.1.1 资源优化
•     5.1.2 GPU优化
•     5.1.3 CPU优化
•   5.2 系统发布与测试
•     5.2.1 系统发布
•     5.2.2 测试平台选择
•     5.2.3 系统性能测试
•     5.2.4 系统功能测试
•   5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
•   6.1 总结
•   6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 彭博

导师: 胡远彪

关键词: 水平定向钻进,虚拟仿真,培训系统

来源: 中国地质大学(北京)

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 地质学,矿业工程

单位: 中国地质大学(北京)

基金: 中国地质大学(北京)教学研究与教学改革项目——非开挖施工技术的虚拟仿真实践教学平台建设与研究

分类号: P634

DOI: 10.27493/d.cnki.gzdzy.2019.000379

总页数: 76

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