专利名称：一种基于力反馈的船舶辅锅炉虚拟操控仿真系统的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及一种基于力反馈的船舶辅锅炉虚拟操控仿真系统以及其工作方法。
背景技术：
船舶辅锅炉是目前远洋运输船舶必备的辅机设备之一，根据最新的国际公约“STCW78/95公约”要求，远洋运输船舶的轮机管理人员应熟练掌握辅锅炉的操作、维管和故障排除等。在科学技术飞速发展的今天，随着自动化程度的提高，船舶锅炉燃烧的自动调节、给水过程的自动调节以及过热蒸汽温度的自动调节等更为复杂，自动控制难度更大，这就对船舶管理人员的技术水平和熟练程度提出了更高的要求。鉴于现实条件如教学场地和实验场地的限制，实际培训费用高，训练过程中可能由于误操作引发事故等等的束缚，采用模拟训练成为摆脱时间、地点、人力、财力、物力等各种局限、快速、高效的培养现代轮机管理 人才的重要途径。然目前应用较多的模拟器在形式上以硬件为主，稳定性差、故障率高、二次开发困难，甚至由于误操作也可能引发事故。虚拟现实技术是一种有效的模拟人在自然环境中视、听、动等行为的高级人机交互技术。虚拟现实技术通过计算机图形构造虚拟环境，借助相应的硬件手段的帮助，如力反馈器等设备，提供视、触觉等感官刺激，可以使用户沉浸在虚拟环境中，产生亲临其境的临场感。近些年来，虚拟现实技术发展较为迅速，同时随着力反馈设备的发展，力反馈技术受到关注的程度也不断提高。在虚拟现实技术中，利用力反馈设备增强虚拟环境的沉浸效果在很多领域已得到广泛的应用，譬如航空航天、医疗、娱乐、教学等领域。然而，将力反馈设备和虚拟现实技术同时应用到船舶辅锅炉的仿真研究却是尚无先例。
发明内容
为解决现有船舶辅锅炉模拟器存在的问题，本发明的目的是，利用虚拟现实技术，采用PHANTOM Desktop力反馈设备作为人机交互的媒介,设计一种纯软件的可用于虚拟操作培训的基于力反馈的船舶辅锅炉虚拟操控仿真系统。为了实现上述目的，本发明的技术方案如下一种基于力反馈的船舶辅锅炉虚拟操控仿真系统，安装在一台计算机内，所述的计算机与一台PHANTOM Desktop力反馈设备连接,所述的PHANTOMDesktop力反馈设备作连接为人机交互的桥梁，由计算机驱动和控制；所述的虚拟操控仿真系统包括力反馈系统、船舶辅锅炉虚拟场景系统、水系统、燃烧系统、蒸汽系统以及数据保存和曲线绘制系统；所述的力反馈系统包含空间匹配模块和力/触觉渲染模块两个功能模块，所述的空间匹配模块将PHANTOM Desktop力反馈设备的控制设备接口点的位姿匹配到虚拟空间中代理点的位姿，所述的力/触觉渲染模块根据代理点与船舶辅锅炉虚拟场景系统中的模型的交互状态实时反馈力和力矩，并反馈给PHANTOM Desktop力反馈设备输出，将船舶辅锅炉虚拟场景系统中产生的反馈力作用于使用者；使用者通过PHANTOM Desktop力反馈设备，对船舶辅锅炉虚拟场景系统里的模型进行操作，力反馈系统检测到PHANTOM Desktop力反馈设备的动作，将信息发送到辅锅炉虚拟场景系统，辅锅炉虚拟场景系统实时渲染更新，并计算出反馈力，通过力反馈系统，反馈输出作用于使用者；同时，船舶辅锅炉虚拟场景系统将锅炉状态、汽包水位、蒸汽压力、锅炉燃烧状态等重要参数发送到数据保存和曲线绘制系统；所述的船舶辅锅炉虚拟场景系统中的虚拟场景及其三维实体模型都是采用三维建模软件3DS MAX和MultiGen Creator构建；借助PHANTOM Desktop力反馈设备，船舶辅锅炉虚拟场景系统实现场景漫游和人机交互的功能；所述的水系统、燃烧系统和蒸汽系统以二维图片的形式分别剖析辅锅炉水系统、燃烧系统和蒸汽系统的详细结构，所述的船舶辅锅炉虚拟场景系统里对应的三维模型部件采用全局变量关联；所述的水系统和燃烧系统里分别包含有船舶辅锅炉水系统和燃烧系统的数学模 型及其控制器，可实现水系统和燃烧系统的闭环控制；所述的数据保存和曲线绘制系统，以记事本格式保存重要参数，并在数据保存和曲线绘制系统对应的视图界面上根据汽包水位、蒸汽压力的变化情况绘制曲线；所述的水系统和燃烧系统里的控制器包括双位控制器、PID控制器或Bp神经网络控制器，在实现闭环控制时，可任意选择其中一种控制器。本发明所述的力反馈系统、船舶辅锅炉虚拟场景系统、水系统、燃烧系统、蒸汽系统、数据保存和曲线绘制系统都是采用Visual C++语言开发。本发明所述的的船舶辅锅炉虚拟场景系统是在Vega平台下驱动虚拟场景及三维实体模型。与现有技术相比，本发明的优点和有益效果是I、由于本发明利用虚拟现实技术，能够采用纯软件实现。基于虚拟现实技术，本发明构建了船舶辅锅炉虚拟场景系统展现的虚拟场景，真实再现了实际船舶辅锅炉结构，并在此虚拟场景内实现了场景漫游和人机交互功能，使用者可以不受时间和地点的限制，参观船舶辅锅炉，并在虚拟场景内模拟实际操作，达到实际训练的效果，且运行安全可靠，不会对使用者发生任何危险，也不会由于误操作损坏机器或引起爆炸，更能进行某些在船舶上难以实现的特殊训练项目，完全不存在运行管理和停用保养的费用。2、由于本发明采用PHANTOM Desktop力反馈设备作为使用者和计算机交互的媒介，使用者通过PHANTOM Desktop力反馈设备在船舶辅锅炉虚拟场景系统所呈现的虚拟场景内漫游和对虚拟场景内的三维实体模型进行操作；使用者在操作PHANTOM Desktop力反馈设备在虚拟场景内漫游或者操控三维实体模型时，能获得如同操作真实物体一样的力度感和方向感，极大地提高了使用者的沉浸感和临场感，能更加有效地加深使用者的操作感，快速帮助使用者熟悉各种操作。3、由于本发明构建了水系统、燃烧系统和蒸汽系统的数学模型，并就水系统和燃烧系统分别设计了双位、PID和Bp神经网络三个不同的控制器，使用者可以在水系统和燃烧系统对应的视图界面上选择任意控制器进行仿真控制实验。本发明利用虚拟现实技术，构建船舶辅锅炉虚拟场景。使用者借助PHANTOM Desktop力反馈设备实现与辅锅炉虚拟场景的交互，可以实现在虚拟场景里漫游和操控虚拟场景里的三维实体模型，同时，使用者可以感受到通过PHANTOM Desktop力反馈设备反馈输出的作用力。
本发明仅有附图I张，其中图I是本发明一种基于力反馈的船舶辅锅炉虚拟操控仿真系统。图中1、力反馈系统,2、船舶辅锅炉虚拟场景系统，3、水系统，4、燃烧系统，5、蒸汽系统，6、数据保存和曲线绘制系统。
具体实施例方式下面结合图I对本发明做进一步详细地描述一种基于力反馈的船舶辅锅炉虚拟操控仿真系统，安装在一台计算机内，所述的 计算机与一台PHANTOM Desktop力反馈设备连接,所述的PHANTOMDesktop力反馈设备作连接为人机交互的桥梁，由计算机驱动和控制；所述的虚拟操控仿真系统包括力反馈系统I、船舶辅锅炉虚拟场景系统2、水系统3、燃烧系统4、蒸汽系统5以及数据保存和曲线绘制系统6 ;所述的力反馈系统I包含空间匹配模块和力/触觉渲染模块两个功能模块，所述的空间匹配模块将PHANTOM Desktop力反馈设备的控制设备接口点的位姿匹配到虚拟空间中代理点的位姿，所述的力/触觉渲染模块根据代理点与船舶辅锅炉虚拟场景系统2中的模型的交互状态实时反馈力和力矩，并反馈给PHANTOM Desktop力反馈设备输出，将船舶辅锅炉虚拟场景系统2中产生的反馈力作用于使用者；使用者通过PHANTOM Desktop力反馈设备，对船舶辅锅炉虚拟场景系统2里的模型进行操作，力反馈系统I检测到PHANTOMDesktop力反馈设备的动作，将信息发送到辅锅炉虚拟场景系统，辅锅炉虚拟场景系统实时渲染更新，并计算出反馈力，通过力反馈系统1，反馈输出作用于使用者；同时，船舶辅锅炉虚拟场景系统2将锅炉状态、汽包水位、蒸汽压力、锅炉燃烧状态等重要参数发送到数据保存和曲线绘制系统6;所述的船舶辅锅炉虚拟场景系统2中的虚拟场景及其三维实体模型都是采用三维建模软件3DS MAX和MultiGen Creator构建；借助PHANTOM Desktop力反馈设备,船舶辅锅炉虚拟场景系统2实现场景漫游和人机交互的功能；所述的水系统3、燃烧系统4和蒸汽系统5以二维图片的形式分别剖析辅锅炉水系统3、燃烧系统4和蒸汽系统5的详细结构，所述的船舶辅锅炉虚拟场景系统2里对应的三维模型部件采用全局变量关联；所述的水系统3和燃烧系统4里分别包含有船舶辅锅炉水系统3和燃烧系统4的数学模型及其控制器，可实现水系统3和燃烧系统4的闭环控制；所述的数据保存和曲线绘制系统6，以记事本格式保存重要参数，并在数据保存和曲线绘制系统6对应的视图界面上根据汽包水位、蒸汽压力的变化情况绘制曲线；所述的水系统3和燃烧系统4里的控制器包括双位控制器、PID控制器或Bp神经网络控制器，在实现闭环控制时，可任意选择其中一种控制器。所述的力反馈系统I、船舶辅锅炉虚拟场景系统2、水系统3、燃烧系统4、蒸汽系统5、数据保存和曲线绘制系统6都是采用Visual C++语言开发。
所述的的船舶辅锅炉虚拟场景系统2是在Vega平台下驱动虚拟场景及三维实体模型。本发明的工作方法，包括以下步骤A、启动应用程序,进入启动界面。本发明的界面大小限制为1024*768像素。本发明界面的主菜单上包括场景漫游、人机交互 和仿真控制三个功能。通过鼠标可以选择不同的功能操作，具体操作如下所述。此外，在菜单栏下有一排工具栏。在工具栏上是对应着船舶辅锅炉虚拟场景系统2、水系统3、燃烧系统4、蒸汽系统5以及数据保存和曲线绘制系统6的视图界面的图标，用鼠标单击相应的图标，即可切换到这几个系统对应的视图界面。B、选择场景漫游功能后，视图界面直接被切换到船舶辅锅炉虚拟场景系统2对应的视图界面。使用者可以通过PHANTOM Desktop力反馈设备查看船舶辅锅炉虚拟场景系统2中的虚拟场景和三维模型。使用者通过移动PHANTOMDesktop力反馈设备的手柄，改变PHANTOM Desktop力反馈设备的控制设备接口点的位姿，力反馈系统I接收到此信息后，将处理后的数据发送到船舶辅锅炉虚拟场景系统2，船舶辅锅炉虚拟场景系统2即将此刻PHANTOM Desktop力反馈设备的控制设备接口点所在的位姿的虚拟场景以合适的位姿移动到该视图界面的中心。当某个模型周围出现红色线框时，按下PHANTOM Desktop力反馈设备手柄上的按钮，即可拾取该模型。该模型将以合适的大小被放大到该视图界面中心，这时候再移动HANTOM Desktop力反馈设备的手柄，即可从不同方位细致查看该模型。通过鼠标选择菜单上的场景漫游功能，即可回复到模型被拾取前的视图界面。C、选择人机交互功能后，使用者通过PHANTOM Desktop力反馈设备只能对船舶辅锅炉虚拟场景系统2中特定的部件的模型进行操作。使用者利用PHANTOM Desktop力反馈设备选中部件模型，该模型即被放到到眼前，此时，使用者可以通过PHANTOM Desktop力反馈设备操纵该模型，比如，打开/关闭按钮，将阀门打开一定开度等等。这些操作信息和数据都会被发送到船舶辅锅炉虚拟场景系统2，经过数据处理后，更新场景，会产生诸如水位上升、指示灯点亮、压力表显示示数等相应动作，模拟真实辅锅炉运行工况。但使用者操作有误时，船舶辅锅炉虚拟场景系统2会提示出错并报警，根据错误的严重性，播放有可能造出的后果的动画，之后给出正确的操作方法。同时，水系统3、燃烧系统4和蒸汽系统5保持同步更新。使用者在操作PHANTOM Desktop力反馈设备的过程中，也会感受到PHANTOMDesktop力反馈设备反馈输出的作用力。D、选择仿真控制功能后，在该菜单的子菜单下选择不同的控制器。若未选中仿真控制菜单前或选择此功能后，又切换到其他功能后，本发明都默认为开环控制。选择控制器后，根据所选的控制器，会弹跳出不同的参数设置对话框，设置好相应的参数后，使用者可以通过PHANTOM Desktop力反馈设备操纵蒸汽阀门等模型，任意添加外部扰动。E、使用者可以在任何时候通过鼠标切换到数据保存和曲线绘制系统6对应的视图界面。本发明各子系统的实施方式如下I、力反馈系统I的实施方式本发明采用的是美国SensAble公司生产的PHANTOM Desktop力反馈设备,这也是目前应用最广的力反馈设备。它有6个自由度的位姿输入和3个自由度的反馈力，其结构类似6自由度关节型机械手臂。当使用者移动PHANTOMDesktop力反馈设备末端的手柄时，各个关节和手臂随末端手柄一起协同运动。使用者通过操作PHANTOM Desktop力反馈设备的末端手柄，控制PHANTOMDesktop力反馈设备接口点在设备工作空间中运动。本发明中主要是用PHANTOM Desktop力反馈设备控制阀门等可操控部件的开或关。使用者通过PHANTOM Desktop力反馈设备，可以对船舶辅锅炉虚拟仿真场景系统2中的三维模型进行操控。一旦某个可操控部件被拾取，则认为对该部件进行操作。船舶辅锅炉虚拟场景系统2将根据力反馈系统I输入的位姿信息，决定该部件的开或关，并在船舶辅锅炉虚拟仿真场景系统2中实时渲染，并更新场景。而当该部件已被关闭或者打开到最大时，若仍继续相同的操作，船舶辅锅炉虚拟仿真场景系统2会通过PHANTOM Destkop力反馈设备输出一个较大的反馈力，模拟现实中的“无法再操作”。
2、船舶辅锅炉虚拟仿真场景系统2的实施方式船舶辅锅炉虚拟仿真场景系统2的实施方式可分为构建虚拟场景和驱动虚拟场景两部分。船舶辅锅炉虚拟仿真场景系统2中的虚拟仿真场景是根据大连海事大学育鲲号辅锅炉布局图，经过数据获取、整理和处理后，逐级对船舶辅锅炉的组成部分、各组成部分中的零部件进行分割，根据部件的形状和工作特征，选择不同的建模方法，结合3DS MAX和MultiGen Creator完成构建模型的整个过程。在构建虚拟场景和模型的过程中，主要是在3DS MAX建模部分工作，在Creator里对模型进行优化和格式转化。本发明针对船舶辅锅炉不同部件对象的结构和外特性，一般都采用一种建模方法为主，多种建模方法相结合的混合建模方法，构建其三维模型。对物体行为的建模，是人机交互的关键，为此，本发明使用了 DOF技术。DOF节点可控制它的所有子节点按照设置的自由度范围进行移动或者旋转运动，从而使模型对象具有活动的能力。另外，为了防止出现类似视点穿透建筑物这样不符合物理规律的情形，本发明在建立对象模型时，采用了矩形边界检测的方法。在已构建的虚拟场景的基础上，本发明在Vega平台下驱动虚拟场景及其三维模型。由于三维模型加载和渲染时数据量大，本发明在主线程之外，另开辟了一个新的线程，用于初始化和渲染更新虚拟场景。在Vega通过继承MFC中的CView类派生的子类zsVegaView已经以以虚函数的形式定义了特定的应用程序要进行操作的通用接口，因此用户的应用程序只需从zsVegaView派生出新类并根据需要重载必要的虚函数即可。其接口声明及功能，如下所示virtual void postlnit (void ) ;//初始化模块virtual void postDef ine (void ) ;//添加一些 adf 中没有定义的对象virtual void postConfig(void ) ;//初始化变量，添加回调函数virtual void postSync (void ) ;//添加每一巾贞的更新函数virtual void postFrame (void) ;//接受外界输入等3、水系统3的实施方式为了实现水系统3和船舶辅锅炉虚拟场景系统2中同一个部件的同步变化，本发明在应用程序里定义了全局变量来关联船舶辅锅炉虚拟场景系统2和水系统3里的各个部件。
权利要求
1.一种基于力反馈的船舶辅锅炉虚拟操控仿真系统，安装在一台计算机内，所述的计算机与一台PHANTOM Desktop力反馈设备连接,所述的PHANTOM Desktop力反馈设备作连接为人机交互的桥梁，由计算机驱动和控制；其特征在于所述的虚拟操控仿真系统包括力反馈系统(I)、船舶辅锅炉虚拟场景系统(2)、水系统(3)、燃烧系统(4)、蒸汽系统(5)以及数据保存和曲线绘制系统(6)； 所述的力反馈系统(I)包含空间匹配模块和力/触觉渲染模块两个功能模块，所述的空间匹配模块将PHANTOM Desktop力反馈设备的控制设备接口点的位姿匹配到虚拟空间中代理点的位姿，所述的力/触觉渲染模块根据代理点与船舶辅锅炉虚拟场景系统(2)中的模型的交互状态实时反馈力和力矩，并反馈给PHANTOM Desktop力反馈设备输出，将船舶辅锅炉虚拟场景系统(2)中产生的反馈力作用于使用者；使用者通过PHANTOM Desktop力反馈设备，对船舶辅锅炉虚拟场景系统(2)里的模型进行操作，力反馈系统(I)检测到PHANTOMDesktop力反馈设备的动作，将信息发送到辅锅炉虚拟场景系统，辅锅炉虚拟场景系统实时渲染更新，并计算出反馈力，通过力反馈系统(1)，反馈输出作用于使用者；同时，船舶辅锅炉虚拟场景系统(2)将锅炉状态、汽包水位、蒸汽压力、锅炉燃烧状态等重要参数发送到数据保存和曲线绘制系统(6)； 所述的船舶辅锅炉虚拟场景系统(2 )中的虚拟场景及其三维实体模型都是采用三维建模软件3DS MAX和MultiGen Creator构建；借助PHANTOM Desktop力反馈设备,船舶辅锅炉虚拟场景系统(2)实现场景漫游和人机交互的功能； 所述的水系统(3)、燃烧系统(4)和蒸汽系统(5)以二维图片的形式分别剖析辅锅炉水系统(3)、燃烧系统(4)和蒸汽系统(5)的详细结构，所述的船舶辅锅炉虚拟场景系统(2)里对应的三维模型部件采用全局变量关联； 所述的水系统(3)和燃烧系统(4)里分别包含有船舶辅锅炉水系统(3)和燃烧系统(4)的数学模型及其控制器，可实现水系统(3)和燃烧系统(4)的闭环控制； 所述的数据保存和曲线绘制系统(6)，以记事本格式保存重要参数，并在数据保存和曲线绘制系统(6)对应的视图界面上根据汽包水位、蒸汽压力的变化情况绘制曲线； 所述的水系统(3)和燃烧系统(4)里的控制器包括双位控制器、PID控制器或Bp神经网络控制器，在实现闭环控制时，可任意选择其中一种控制器。
2.根据权利要求I所述的一种基于力反馈的船舶辅锅炉虚拟操控仿真系统，其特征在于所述的力反馈系统(I)、船舶辅锅炉虚拟场景系统(2)、水系统(3)、燃烧系统(4)、蒸汽系统(5)、数据保存和曲线绘制系统(6)都是采用Visual C++语言开发。
3.根据权利要求I所述的一种基于力反馈的船舶辅锅炉虚拟操控仿真系统，其特征在于所述的的船舶辅锅炉虚拟场景系统(2)是在Vega平台下驱动虚拟场景及三维实体模型。
全文摘要
本发明公开了一种基于力反馈的船舶辅锅炉虚拟操控仿真系统，安装在一台计算机内，所述的计算机与一台力反馈设备连接，所述的力反馈设备作连接为人机交互的桥梁，由计算机驱动和控制；所述的虚拟操控仿真系统包括力反馈系统、船舶辅锅炉虚拟场景系统、水系统、燃烧系统、蒸汽系统以及数据保存和曲线绘制系统。由于本发明基于虚拟现实技术，构建了船舶辅锅炉虚拟场景系统展现的虚拟场景，真实再现了实际船舶辅锅炉结构，并在此虚拟场景内实现了场景漫游和人机交互功能，使用者可以不受时间和地点的限制，参观船舶辅锅炉，并在虚拟场景内模拟实际操作，达到实际训练的效果，且运行安全可靠，完全不存在运行管理和停用保养的费用。
文档编号G06F3/01GK102707989SQ20121014450
公开日2012年10月3日 申请日期2012年5月10日 优先权日2012年5月10日
发明者沈智鹏, 王玉婷, 郭晨 申请人:大连海事大学