Тренажер для обучения оператора мостового грузоподъемного крана-манипулятора с возможностью ремонта и технического обслуживания

Полезная модель относится к техническим средствам обучения управлению крановыми операциями. Техническим результатом заявляемого технического решения является обеспечение обучения работе крановщика. Тренажер для обучения оператора грузоподъемного крана, содержащий рабочее место с акустической системой и с аналоговыми и дискретными органами управления, механически связанными соответственно с аналоговыми и дискретными датчиками их положения, модуль имитации шума двигателя, группа выходов которого соединена с группой входов формирователя звуковых сигналов, группа выходов которого соединена с группой входов, акустической системы, блок имитации визуальной обстановки, первая группа входов которого соединена с первой группой выходов модуля моделирования грузоподъемного крана, вторая группа выходов которого соединена с группой входов модуля имитатора шума двигателя, а первая группа выходов блока имитации визуальной обстановки соединена с группой входов устройства отображения визуальной информации, первая, вторая и третья группы выходов модуля управления программой соответственно соединены с первой группой входов модуля калибровки, со второй группой входов блока имитации визуальной обстановки и первой группой модуля моделирования грузоподъемного крана, вторая и третья группы входов которого соответственно соединена с первым выходом модуля калибровки и с первой группой выходов устройства согласования, вторая группа выходов последнего соединена со второй группой входов модуля калибровки, вторая группа выходов которого соединена с третьей группой входов блока имитации визуальной обстановки, вторая группа выходов которого соединена с четвертой группой входов модуля моделирования грузоподъемного крана, четвертая группа выходов последнего соединена с четвертой группой входов блока имитации визуальной обстановки, выходы аналоговых датчиков положения органов управления соединены с аналоговыми входами устройства согласования, дискретные входы последнего соединены с соответствующими выходами органов управления с переключающими элементами и датчиков дискретных органов управления отличающийся тем, что он дополнительно содержит имитатор прибора безопасности и модуль моделирования прибора безопасности первая группа выходов, которого соединена с третьей группой входов устройства согласования третья группа выходов последнего соединена с первой группой входов модуля моделирования прибора безопасности, вторые группы входов и выходов которого соответственно соединены с третьей группой выходов и пятой группой входов модуля моделирования грузоподъемного крана, четвертая группа выходов устройства согласования соединена с группой входов имитатора прибора безопасности, а его группа выходов соединена с группой дискретных входов устройства согласования.

Полезная модель относится к техническим средствам обучения управлению крановыми операциями.

Известен тренажер (Свидетельство на полезную модель 24032 Мкл G09B 9/04) содержащий рабочее место с акустической системой и с аналоговыми и дискретными органами управления механически связанными соответственно с аналоговыми и дискретными датчиками их положения, модуль имитации шума двигателя, группа выходов которого соединена с группой входов формирователя звуковых сигналов, группа выходов которого соединена с группой входов акустической системы, блок имитации визуальной обстановки, первая группа входов которого соединена с первой группой выходов модуля моделирования движения машины, вторая группа выходов которого соединена с группой входов имитаторов шумов, а первая группа выходов блока имитации визуальной обстановки соединена с группой входов устройства отображения визуальной информации.

Наиболее близким аналогом (прототипом) является тренажер (Патент на полезную модель 70030 Мкл G09B 9/04) содержащий рабочее место с акустической системой и с аналоговыми и дискретными органами управления, механически связанными соответственно с аналоговыми и дискретными датчиками их положения, модуль имитации шума двигателя, группа выходов которого соединена с группой входов формирователя звуковых сигналов, группа выходов которого соединена с группой входов акустической системы, блок имитации визуальной обстановки, первая группа входов которого соединена с первой группой выходов модуля моделирования машины, вторая группа выходов которого соединена с группой входов модуля имитаторов шума двигателя, а первая группа выходов блока имитации визуальной обстановки соединена с группой входов устройства отображения визуальной информации, первая, вторая и третья группы выходов модуль управления программой соответственно соединены с первой группой входов модуля калибровки, со второй группой блока имитации визуальной обстановки и первой группой модуля моделирования машины, вторая и третья группы входов которого соответственно соединена с первым выходом модуля калибровки и с первой группой выходов устройства согласования, вторая группа выходов последнего соединена со второй группой входов модуля калибровки, вторая группа выходов которого соединена с третьей группой входов блока имитации визуальной обстановки, вторая группа выходов которого соединена с четвертой группой входов модуля моделирования машины, четвертая группа выходов последнего соединена с четвертой группой входов блока имитации визуальной обстановки, выходы аналоговых датчиков положения органов управления соединены с аналоговыми входами устройства согласования, дискретные входы последнего соединены с соответствующими выходами органов управления с переключающими элементами и датчиков дискретных органов управления

Модуль моделирования движения машины отнесен в доотличительную часть, т.к. он функционально выполняет роль модели объекта, на котором производится обучение оператора, будь то водитель автомобиля, крановщик или какой либо другой оператор.

Недостатком прототипа (это относятся и к аналогу) является, то, что данный тренажер нельзя использовать для обучения крановщиков-операторов грузоподъемного крана.

Общим техническим результатом заявляемого технического решения является обеспечение обучения работе крановщика.

Этот технический результат достигается тем, что известный тренажер, содержащий рабочее место с акустической системой и с аналоговыми и дискретными органами управления, механически связанными соответственно с аналоговыми и дискретными датчиками их положения, модуль имитации шума двигателя, группа выходов которого соединена с группой входов формирователя звуковых сигналов, группа выходов которого соединена с группой входов акустической системы, блок имитации визуальной обстановки, первая группа входов которого соединена с первой группой выходов модуля моделирования грузоподъемного крана, вторая группа выходов которого соединена с группой входов модуля имитатора шума двигателя, а первая группа выходов блока имитации визуальной обстановки соединена с группой входов устройства отображения визуальной информации, первая, вторая и третья группы выходов модуля управления программой соответственно соединены с первой группой входов модуля калибровки, со второй группой блока имитации визуальной обстановки и первой группой модуля моделирования грузоподъемного крана, вторая и третья группы входов которого соответственно соединена с первым выходом модуля калибровки и с первой группой выходов устройства согласования, вторая группа выходов последнего соединена со второй группой входов модуля калибровки, вторая группа выходов которого соединена с третьей группой входов блока имитации визуальной обстановки, вторая группа выходов которого соединена с четвертой группой входов модуля моделирования грузоподъемного крана, четвертая группа выходов последнего соединена с четвертой группой входов блока имитации визуальной обстановки, выходы аналоговых датчиков положения органов управления соединены с аналоговыми входами устройства согласования, дискретные входы последнего соединены с соответствующими выходами органов управления с переключающими элементами и датчиков дискретных органов управления отличающийся тем, что он дополнительно содержит имитатор прибора безопасности и модуль модели прибора безопасности первая группа выходов, которого соединена с третьей группой входов устройства согласования третья группа выходов последнего соединена с первой группой входов модуля моделирования прибора безопасности, вторые группы входов и выходов которого соответственно соединены с третьей группой выходов и пятой группой входов модуля моделирования грузоподъемного крана, четвертая группа выходов устройства согласования соединена с группой входов имитатора прибора безопасности а его группа выходов соединена с группой дискретных входов устройства согласования.

На фиг.1 изображена схема тренажера.

Тренажер содержит: Устройство отображения визуальной информации 1, рабочее место 2 с аналоговыми 3, с переключающими элементами 4 и дискретными 5 органами управления, аналоговыми 6 и дискретными 7 датчиками их положения, акустическую систему 8, формирователь звуковых сигналов 9, модуль шума двигателя 10, устройство согласования 11, модуль калибровки 12, модуль управления программой 13, модуль моделирования грузоподъемного крана 14, блок имитации визуальной обстановки 15, имитатор прибора безопасности 16, модуль моделирования прибора безопасности 17.

На фиг.2 изображен вариант выполнения устройства согласования 11. Устройство содержит устройство ввода аналоговых сигналов 18, устройство ввода-вывода дискретных сигналов 19, устройство вывода цифровых сигналов 20, процессор 21. На фиг 3 изображен вариант выполнения модуля моделирования движения машины 14. Модуль содержит модуль моделирования шасси и кранового оборудования 22, модуль моделирования взаимодействия кранового оборудования с внешней средой 23, модуль вычисления текущих координат 24 и модуль определения параметров внешней среды 25. На фиг.4 изображен вариант выполнения блока имитации визуальной обстановки 15. Формирователь сигналов видео изображения 26, модуль управления видеокамерами 27, модель внутренней обстановки 28, модуль интерфейсов программы 29, модуль основной видеокамеры 30, модель внешней обстановки 31, модуль формирователя служебных окон 32 и модуль видеокамеры зеркала 33.

Тренажер для оператора грузоподъемного крана, содержащий рабочее место 2 с акустической системой 8 и с аналоговыми 3 и дискретными 5 органами управления, механически связанными соответственно с аналоговыми 6 и дискретными 7 датчиками их положения, модуль имитации шума двигателя 10, группа выходов которого соединена с группой входов, формирователя звуковых сигналов 9, группа выходов которого соединена с группой входов акустической системы 8, блок имитации визуальной обстановки 15, первая группа входов которого соединена с первой группой выходов модуля моделирования грузоподъемного крана 14, вторая группа выходов которого соединена с группой входов модуля имитатора шума двигателя 10, а первая группа выходов блока имитации визуальной обстановки 15 соединена с группой входов устройства отображения визуальной информации 1, первая, вторая и третья группы выходов модуля управления программой 13 соответственно соединены с первой группой входов модуля калибровки 12, со второй группой блока имитации визуальной обстановки 15 и первой группой модуля моделирования грузоподъемного крана 14, вторая и третья группы входов которого соответственно соединена с первым выходом модуля калибровки 12 и с первой группой выходов устройства согласования 11, вторая группа выходов последнего соединена со второй группой входов модуля калибровки 12, вторая группа выходов которого соединена с третьей группой входов блока имитации визуальной обстановки 15, вторая группа выходов которого соединена с четвертой группой входов модуля моделирования грузоподъемного крана 14, четвертая группа выходов последнего соединена с четвертой группой входов блока имитации визуальной обстановки 15, выходы аналоговых датчиков положения органов управления 6 соединены с аналоговыми входами устройства согласования 11, дискретные входы последнего соединены с соответствующими выходами органов управления с переключающими элементами 4 и датчиков дискретных органов управления 7 отличающийся тем, что он дополнительно содержит имитатор прибора безопасности 16 и модуль модели прибора безопасности 17 первая группа выходов, которого соединена с третьей группой входов устройства согласования 11 третья группа выходов последнего соединена с первой группой входов модуля моделирования прибора безопасности 17, вторые группы входов и выходов которого соответственно соединены с третьей группой выходов и пятой группой входов модуля моделирования грузоподъемного крана 14, четвертая группа выходов устройства согласования 11 соединена с группой входов имитатора прибора безопасности 16, а его группа выходов соединена с группой дискретных входов устройства согласования 11.

Рабочее место 2 представляет собой несущую металлоконструкцию, на которой установлены аналоговые 3, дискретные 5 и с переключающимися элементами органы управления 4, датчики положения органов управления 6 и 7, Устройство отображения визуальной информации 1 и акустическую систему 8. Рабочее место 2 обеспечивает размещение органов управления как на реальном кране.

К аналоговым органам управления 3, относятся: рычаги управления поворотной платформой подъема стрелы, выдвижения стрела и управления грузовой лебедкой, педаль подачи топлива, все эти органы управления механически связаны с датчиками 6 их положения. Датчиками являются потенциометры оси, которых поворачиваются на угол пропорциональный перемещению органов управления.

Каждая орган управления оснащен загрузочным устройством, создающим сопротивление его перемещению, аналогичное сопротивлению в реальном грузоподъемном кране. Это загрузочное устройство представляет собой пружину изменяющую усилие на органах управления при их перемещении.

К дискретным органам управления 5, относится кнопка изменения скорости грузовой лебедки. Датчиками 7 таких органов управления 7 являются микропереключатели.

К органам управления с переключающими элементами 4 относятся различные электрические кнопки и переключатели.

Тренажер работает следующим образом.

В качестве примера работы тренажера рассматривается автокран.

Подготовительная часть. Инструктор включает тренажер и на экране монитора появляется главное окно задач. С помощью с помощью манипулятора «мышь» и клавиатуры инструктор может переходить на выполнение любой задачи, представленной в главном окне. Например, занести данные на обучаемых, выбрать рабочую площадку, вид груза и т.д. Провести тестирование работы датчиков всех органов управления все это обеспечивает программный модуль 13 управления программой в совокупности с остальными блоками тренажера. Обучаемый, находящийся на рабочем месте 2 тренажера, перед началом перемещения груза должен запустить двигатель. Это достигается тем, что на рабочем месте водителя установлены органы 4 управления с переключающими элементами (в данном случае замок с ключом пуска двигателя), сигнал с которых поступает через группу дискретных входов на устройство согласования 11, с помощью которого эти сигналы преобразуются в переменные необходимые для управления работой модуля моделирования шасси и кранового оборудования 22.

После пуска двигателя обучаемый крановщик воздействует, определенным образом, в зависимости от поставленной задачи, на органы управления. В результате чего, датчики 6, механически связанные с аналоговыми органами управления 3 перемещаются и на их выходах формируются аналоговые напряжения, пропорциональные величине перемещения органов управления 3. Эти напряжения поступают на аналоговые входы устройства согласования 11, с помощью которого они преобразуются в численные значения переменных, пропорциональных положению органов управления 3. В связи с тем, что потенциометрические датчики в процессе работы могут сбиваться, поэтому в процессе эксплуатации осуществляется контроль работы всех органов управления и при необходимости осуществляется калибровка органов управления. Для этого служит модуль калибровки 12, с помощью которого определяются минимальные и максимальные значения того или иного датчика и затем эти значения нормируются в диапазоне от 0 минимум до 1 максимум, в результате исключается снижения качества моделирования в процессе эксплуатации тренажера. Эти аналоговые переменные поступают через вторую группу входов блока 14 моделирования крана на модуль моделирования 22 шасси и кранового оборудования (см. фиг.3), а через третью группу входов на этот же модуль поступают переменные от дискретных датчиков, которые обеспечивают полное моделирование управления грузоподъемным краном. Через первую группу входов модуля 14 с модуля управления программой 13 поступают переменные характеризующие параметры конкретного крана (для каждого крана хранится набор таких параметров). Поэтому пользователь может выбрать любой тип крана, заложенный в программе.

Основу модели крана составляют дифференциальные уравнения, как правило, с нелинейными правыми частями, описывающие движение агрегатов и узлов реального крана во взаимодействии с внешней средой. На основе этих уравнений создан программный модуль, моделирующий работу крана, который в совокупности с персональной ЭВМ представляет собой модуль 14 моделирования крана. В результате решения (интегрирования) дифференциальных уравнений вычисляются значения выходных переменных модели крана, основными из них являются:

1. крутящий момент двигателя;

2. частота вращения вала двигателя;

3. угловая скорость и угол поворота платформы;

4. линейная скорость и величина выдвижения стрелы;

5. угол наклона стрелы;

6. вертикальное перемещение шасси автомобиля на выдвижных опорах;

7. углы тангажа и крена автомобильного шасси с установленным на нем крановым оборудованием;

8. величина и скорость подъема груза.

Для обеспечения воздействия на крановое оборудование факторов внешней среды, таких как форма и масса груза, сила и направление ветра, а также различных ограничений препятствующих перемещению груза на строительной площадке, в блоке 14 используются два дополнительных модуля 24 вычисления текущих координат груза и модуль 25 определения параметров внешней среды. На первой группе выходов модуля 24 формируются координаты, описывающие пространственное положение груза и оголовка стрелы, эти переменные с помощью модуля 27 (фиг.4) управляют положением виртуальной камеры 30 на моделируемой местности 31, т.е. определяется однозначное положение груза на моделируемой местности. Эти параметры через вторую группу выходов блока 15 поступают на четвертую группу входов блока 14 моделирования движения, в котором в модуле 25 определяются значения сил и моментов, действующих на крановое оборудование в зависимости от указанных выше внешних воздействий.

Выходные переменные 1-2 через вторую группу выходов блока 14 поступают на входы модуль имитатора шума двигателя 10, который в совокупности с формирователем 9 (звуковая плата компьютера), преобразующим цифровой код в сигнал звуковой частоты и, при необходимости, усилитель для создания необходимого уровня шума. В результате обучаемый крановщик слышит в наушниках или через динамики (акустическая система 8), установленные на рабочем месте 2, шум двигателя в зависимости от режима работы моделируемого крана.

Программный модуль имитатора шума 10 выполняется следующим образом. На реальном кране производится запись шумов на нескольких характерных режимах, например, начиная с минимально устойчивой частоты вращения вала двигателя и кончая максимальной через равные промежутки по частоте вращения вала двигателя. Далее такая же запись осуществляется только при другой нагрузке на двигатель. В результате получается конечное число фрагментов записи шума на месте крановщика. Затем эти фрагменты оцифровываются на компьютере, и с помощью выходных переменных блока 14 моделирования крана, эти фрагменты выбираются и с помощью звуковой платы преобразуются в аналоговый сигнал шума двигателя. Промежуточные значения между фиксированными частотами вращения вала двигателя, при которых производилась запись шума, интерполируется за счет сдвига основных частот спектра оцифрованного шума. Таким образом, имитируемый шум в заявляемом тренажере практически соответствует реальному шуму и чем больше оцифрованных фрагментов, тем он ближе к реальному.

Выходные переменные 3-8 характеризуют параметры движения элементов кранового оборудования в локальных для каждого элемента системе координат. Эти переменные формируются в блоке 14 с помощью модуля 23 взаимодействия кранового оборудования с внешней средой, затем в модуле 24 вычисляются текущие (в каждый момент времени) координаты перемещения конечных элементов кранового оборудования (оголовка стрелы и крюка с грузом) в мировой системе координат со всеми степенями свободы. Такие переменные вычисляются с помощью направляющих косинусов. Затем они через первую группу выходов блока 14 моделирования движения, поступают на группу входов блока 15 имитации визуальной обстановки. Эти переменные управляют положением виртуальных камер на моделируемой местности. Местность воспроизводится программным способом с помощью 3D графики.

Вариантов исполнения блока 15 имитации визуальной обстановки известно довольно много, их можно видеть практически во всех компьютерных играх, в которых используется 3D графика. Как вариант исполнения блока 15 имитации визуальной информации в совокупности с устройством отображения визуальной информации 1, представлен на фиг.4.

Модуль 27 управления видеокамерами управляет положением основной 30 виртуальной видеокамерой «установленной на уровне глаз оператора» и виртуальной камерой 33 зеркала заднего вида. Эти камеры совместно с модулем 29 интерфейсов программы (программно) и формирователем 26 сигналов видео изображения (аппаратно) обеспечивают на выходах последнего сигналов видеоизображения. Эти сигналы обеспечивают отображение на мониторе (устройство 1 отображения визуальной информации) изображение строительной площадки, наблюдаемое с места крановщика. Кроме того блок 15 имитации визуальной обстановки содержит модель 28 внутренней обстановки которая в общем случае представляет собой 3D модель внутренней обстановки крановщика. Под внутренней обстановкой понимаются те элементы крана которые видит крановщик как внутри кабины так и снаружи которые попадают в поле зрения основной видеокамеры 30. К таким элементам, например, относятся приборные щитки, видимая часть стрелы, трос с полиспастом и крюком. На модель 28 через четвертую группу входов поступают переменные с модуля 22 моделирования шасси и кранового оборудования, характеризующие показания приборов на приборной панели крановщика, различных сигнальных лампочек и параметры, характеризующие текущую длину стрелы и высоту подъема крюка, если это необходимо.

В соответствии с требованием Ростехнадзора на каждом грузоподъемном кране должен быть установлен прибор безопасности, который обеспечивает защиту крана от опрокидывания. Естественно, что крановщик должен уметь работать с данным прибором, поэтому этот прибор (его имитатор) вводится в состав тренажера.

Принцип работы прибора безопасности заключается в следующем. Контроллер прибора по показаниям датчиков и в соответствии с заложенным в его программу алгоритмом вычисляет основные показатели нагружения крана - массу поднятого груза Qг, вылет крюковой подвески, грузоподъемность Qн крана с учетом рабочей конфигурации и степень загрузки крана Qг/Qн, выраженную в процентах. При превышении 90% загрузки на пульте должны загореться желтая лампа (светодиод) и включиться прерывистый звуковой сигнал. Красный светодиод на пульте загорается при превышении 100% загрузки. Когда загрузка превышает 103105%, прибор безопасности срабатывает и останавливает механизмы крана. При этом включается непрерывный звуковой сигнал. После останова механизмов крана прибор разрешает исполнение команд крановщика, направленных на снижение загрузки крана (опускание груза, уменьшение грузового момента за счет подъема стрелы).

На рабочем месте 2 крановщика устанавливается имитатор прибора безопасности 16, представляющий собой индикаторную панель с кнопками управления сигналы с которых поступают через группу выходов имитатора 26 на дискретные входы устройство согласования 11, в котором они преобразуются в переменные необходимые для работы модели прибора безопасности 17. Эти переменные через третью группу выходов устройства согласования 11 поступают на вход модуля моделирования прибора безопасности 17. На вторую группу входов этого блока 17 поступают переменные, описанные выше в пунктах 3-5. На основании этих переменных и в соответствии с указанным алгоритмом вычисляются переменные необходимые для отображения на имитаторе прибора безопасности 16. Эти переменные поступают через третью группу входов на устройство согласования 11 с помощью которого эти переменные преобразуются в сигналы необходимые для управления визуальными и акустическими индикаторами имитатора прибора безопасности 16.

Таким образом, данное техническое решение позволяет осуществлять качественное обучение оператора (крановщика) грузоподъемного крана на предложенном тренажере, т.е. достигается технический результат указанный выше.

Источники информации:

1 Свидетельство на полезную модель 24032 Мкл G09B 9/04

2 Патент на полезную модель 70030 Мкл G09B 9/04 (прототип).

Тренажер для обучения оператора грузоподъемного крана, содержащий рабочее место с акустической системой и с аналоговыми и дискретными органами управления, механически связанными соответственно с аналоговыми и дискретными датчиками их положения, модуль имитации шума двигателя, группа выходов которого соединена с группой входов формирователя звуковых сигналов, группа выходов которого соединена с группой входов акустической системы, блок имитации визуальной обстановки, первая группа входов которого соединена с первой группой выходов модуля моделирования грузоподъемного крана, вторая группа выходов которого соединена с группой входов модуля имитатора шума двигателя, а первая группа выходов блока имитации визуальной обстановки соединена с группой входов устройства отображения визуальной информации, первая, вторая и третья группы выходов модуля управления программой соответственно соединены с первой группой входов модуля калибровки, со второй группой входов блока имитации визуальной обстановки и первой группой модуля моделирования грузоподъемного крана, вторая и третья группы входов которого соответственно соединена с первым выходом модуля калибровки и с первой группой выходов устройства согласования, вторая группа выходов последнего соединена со второй группой входов модуля калибровки, вторая группа выходов которого соединена с третьей группой входов блока имитации визуальной обстановки, вторая группа выходов которого соединена с четвертой группой входов модуля моделирования грузоподъемного крана, четвертая группа выходов последнего соединена с четвертой группой входов блока имитации визуальной обстановки, выходы аналоговых датчиков положения органов управления соединены с аналоговыми входами устройства согласования, дискретные входы последнего соединены с соответствующими выходами органов управления с переключающими элементами и датчиков дискретных органов управления, отличающийся тем, что он дополнительно содержит имитатор прибора безопасности и модуль моделирования прибора безопасности, первая группа выходов которого соединена с третьей группой входов устройства согласования, третья группа выходов последнего соединена с первой группой входов модуля моделирования прибора безопасности, вторые группы входов и выходов которого соответственно соединены с третьей группой выходов и пятой группой входов модуля моделирования грузоподъемного крана, четвертая группа выходов устройства согласования соединена с группой входов имитатора прибора безопасности, а его группа выходов соединена с группой дискретных входов устройства согласования.