1.4 起重机虚拟操作系统的关键技术简介
1.4.1 起重机动态特性及其在虚拟操作系统中的实现
起重机由起升机构、大车（桥、回转）机构、小车（变幅）机构组成，通过运行机构运动驱动小车借助于起升钢丝绳这个扰性机械环节拉动货物实现货物的运输，而不是推动货物运动，这就导致了起重机的特殊动力学特性——货物随着小车运动的同时做空间摆运动，从而导致了三大运行机构的运动和货物摆动相互耦合，而且，起重机结构都是钢结构件焊接和铆接而成，由于惯性力和风载荷引起的货物摆动，这三种运动相互耦合，加大了起重机整体动力学特性的复杂性。为此，本书基于Lagrange动力学方程建立桥门式起重机、塔式起重机的三大运行机构和货物摆动的非线性动力学模型，分析各种工况下起升运动、大车（桥、回转）运动、小车（变幅）运动的动力学特性以及货物摆动特性，在平衡位置附近将非线性模型线性化，分析起重机的三大运行机构的运动特性和货物摆动特性，分析起吊偏摆、风载荷和空气阻力对货物摆动特性，推导运行机构运动惯性力引起最大货物摆动角度计算公式，计算货物随起升运动、大车（桥、回转）、小车（变幅）运动产生的运动与摆动情况。
在虚拟操作系统中根据联动台操作杆的操作命令计算运行机构的运动特性和货物摆动特性，写成了算法，将这些算法加入Vega应用程序的主循环中，实时模拟运行机构的运动和货物的摆动情况。
1.4.2 三维实体模型建模技术
视景仿真系统是开发虚拟操作培训系统的基础，逼真的环境可以提高用户沉浸感，针对起重机视景仿真系统需要真实再现起重机的工作过程及其场景环境的问题，本书根据Multigen Creator和Vega这两种软件在虚拟现实技术中应用的特点，确定应用Creator软件建立起重机及其场景三维实体模型，建模的关键技术如下：
（1）场景模型
根据起重机工作环境和起重机的可视范围确定场景的大小，在Creator中建出地面多边形，创建起重机工作环境里的路面、建筑物、树木、山体、路灯、集装箱、集装箱运输车和集装箱船等，以及远处的山体、田地的三维模型。利用Creator提供的增强选项Terrain Pro来创建地理环境、建筑物特征等场景，把地理环境、建筑物的照片处理成Vega可用的纹理，通过纹理贴图技术，生成逼真的工作场景。
（2）起重机模型
整个模型数据库的建立都是在Creator软件中完成的，起重机视景仿真系统中的起重机可以分成金属结构、起升机构、大车（桥、变幅）运行机构、小车运行机构、吊具等五大部分来建模。其中大车（变幅、桥）运行机构、小车运行机构以及吊具分别在单独的模型数据库中建立，再利用图形缓存的建模技巧将模型进行组合装配，形成起重机的三维几何模型。
（3）模型的优化技术
实时仿真系统对模型数据库进行各种计算、遍历和渲染，如果模型面数过多势必会影响系统的运行速度和降低渲染逼真度。所以在建立三维实体模型之后需要进一步简化模型数据库，本书依据起重机的结构特点采用了纹理技术和实例化技术两种优化技术。纹理技术不但可以增加模型的细节水平，提高建模效率及视景真实感，更重要的是还可以减少视景多边形数量，提高系统运行速率，对形状、纹理相同但位置不同的部件进行模型优化，比如起重机轮子，采用实例化技术来简化模型数据库，提高系统资源的利用率。实例化技术就是指模型对象的实例化。将模型对象实例化后，对其复制，只是复制模型对象的指针，并没有复制模型对象的几何形体。
（4）创建模型的自由度
起重机是通过三大运行机构的运动来运输货物的，本文利用Creator中的DOF技术设置起升运动、大车（桥、回转）运动、小车运动的自由度节点，进而通过调用Vega函数控制自由度节点和绳长变化来达到模拟起重机运动的真实效果。自由度节点在图层数据库里定义和限制模型运动，可以控制它所有子节点按照设置的自由度范围进行移动或旋转。
1.4.3 三维虚拟视景仿真技术
选择某市的奥体中心的自行车赛馆QTZ160塔式起重机和某市港口岸边集装箱起重机作为虚拟操作系统的建模对象，采用三维建模软件Multigen Creator，根据起重机的图纸、建筑工地、港口码头以及周边环境的建筑物、道路等实地测量数据，分别建立逼真的起重机三维模型和真实场景及周边环境模型。在Vega的图形用户界面LynX中导入建好的模型文件.flt，设置相关参数后，保存成.adf格式文件，在VC++编辑环境中，通过Vega编程实现起重机模型和场景模型的实时驱动，实现场景模型和起重机三维模型的驱动，实现用户和场景及起重机的实时交互性能，真实再现起重机的工作过程和场景变化，模拟动态海洋、虚拟人、白天、黑夜、雾等三维视景的生成和变化。
1.4.4 三维实体模型的碰撞检测及碰撞响应
起重机虚拟操作系统开发研究的目的是模拟起重机运输货物的工作过程，为起重机司机考前操作培训提供一个逼真的虚拟环境。在起重机实践操作过程中，当起重机吊装、运输货物的同时，吊具与起重机，吊具与货物之间难免会发生碰撞，一旦发生碰撞，司机应该做出倒车或者是停止作业的反应。在虚拟操作系统中，当吊具与虚拟物体发生碰撞时，如果吊具不停止运动，而是产生误穿越现象，这将会大幅度降低整个起重机虚拟操作系统的真实性和沉浸感。为此本书研究了在起重机虚拟操作系统中吊具与起重机、吊具与周围环境碰撞检测以及碰撞响应。基于Vega软件中提供的碰撞检测原理，应用Vega中提供的相交矢量方法设置吊具与虚拟物之间的碰撞检测，防止了吊具与货物、吊具与起重机、吊具与周围环境的碰撞，保证了虚拟环境的真实感和用户的沉浸感。
本章简单介绍了起重机的基本类型和基本参数，以塔式起重机司机安全操作考核为实例，详细介绍了起重机司机安全操作技术的培训与考核要求，根据作者多年的研究经验总结了虚拟操作系统的研究与开发背景以及虚拟操作系统的先进性，分析了起重机虚拟操作系统在国内外的研究现状及发展趋势，说明了开发起重机虚拟操作系统的关键理论和技术，确定本书的重点内容。