一種基于力反饋的船舶輔鍋爐虛擬操控仿真系統的制作方法

專利名稱：一種基于力反饋的船舶輔鍋爐虛擬操控仿真系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種基于力反饋的船舶輔鍋爐虛擬操控仿真系統以及其工作方法。
背景技術：
船舶輔鍋爐是目前遠洋運輸船舶必備的輔機設備之一，根據最新的國際公約“STCW78/95公約”要求，遠洋運輸船舶的輪機管理人員應熟練掌握輔鍋爐的操作、維管和故障排除等。在科學技術飛速發展的今天，隨著自動化程度的提高，船舶鍋爐燃燒的自動調節、給水過程的自動調節以及過熱蒸汽溫度的自動調節等更為復雜，自動控制難度更大，這就對船舶管理人員的技術水平和熟練程度提出了更高的要求。鑒于現實條件如教學場地和實驗場地的限制，實際培訓費用高，訓練過程中可能由于誤操作引發事故等等的束縛，采用模擬訓練成為擺脫時間、地點、人力、財力、物力等各種局限、快速、高效的培養現代輪機管理 人才的重要途徑。然目前應用較多的模擬器在形式上以硬件為主，穩定性差、故障率高、二次開發困難，甚至由于誤操作也可能引發事故。虛擬現實技術是一種有效的模擬人在自然環境中視、聽、動等行為的高級人機交互技術。虛擬現實技術通過計算機圖形構造虛擬環境，借助相應的硬件手段的幫助，如力反饋器等設備，提供視、觸覺等感官刺激，可以使用戶沉浸在虛擬環境中，產生親臨其境的臨場感。近些年來，虛擬現實技術發展較為迅速，同時隨著力反饋設備的發展，力反饋技術受到關注的程度也不斷提高。在虛擬現實技術中，利用力反饋設備增強虛擬環境的沉浸效果在很多領域已得到廣泛的應用，譬如航空航天、醫療、娛樂、教學等領域。然而，將力反饋設備和虛擬現實技術同時應用到船舶輔鍋爐的仿真研究卻是尚無先例。

發明內容
為解決現有船舶輔鍋爐模擬器存在的問題，本發明的目的是，利用虛擬現實技術，采用PHANTOM Desktop力反饋設備作為人機交互的媒介,設計一種純軟件的可用于虛擬操作培訓的基于力反饋的船舶輔鍋爐虛擬操控仿真系統。為了實現上述目的，本發明的技術方案如下一種基于力反饋的船舶輔鍋爐虛擬操控仿真系統，安裝在一臺計算機內，所述的計算機與一臺PHANTOM Desktop力反饋設備連接,所述的PHANTOMDesktop力反饋設備作連接為人機交互的橋梁，由計算機驅動和控制；所述的虛擬操控仿真系統包括力反饋系統、船舶輔鍋爐虛擬場景系統、水系統、燃燒系統、蒸汽系統以及數據保存和曲線繪制系統；所述的力反饋系統包含空間匹配模塊和力/觸覺渲染模塊兩個功能模塊，所述的空間匹配模塊將PHANTOM Desktop力反饋設備的控制設備接口點的位姿匹配到虛擬空間中代理點的位姿，所述的力/觸覺渲染模塊根據代理點與船舶輔鍋爐虛擬場景系統中的模型的交互狀態實時反饋力和力矩，并反饋給PHANTOM Desktop力反饋設備輸出，將船舶輔鍋爐虛擬場景系統中產生的反饋力作用于使用者；使用者通過PHANTOM Desktop力反饋設備，對船舶輔鍋爐虛擬場景系統里的模型進行操作，力反饋系統檢測到PHANTOM Desktop力反饋設備的動作，將信息發送到輔鍋爐虛擬場景系統，輔鍋爐虛擬場景系統實時渲染更新，并計算出反饋力，通過力反饋系統，反饋輸出作用于使用者；同時，船舶輔鍋爐虛擬場景系統將鍋爐狀態、汽包水位、蒸汽壓力、鍋爐燃燒狀態等重要參數發送到數據保存和曲線繪制系統；所述的船舶輔鍋爐虛擬場景系統中的虛擬場景及其三維實體模型都是采用三維建模軟件3DS MAX和MultiGen Creator構建；借助PHANTOM Desktop力反饋設備，船舶輔鍋爐虛擬場景系統實現場景漫游和人機交互的功能；所述的水系統、燃燒系統和蒸汽系統以二維圖片的形式分別剖析輔鍋爐水系統、燃燒系統和蒸汽系統的詳細結構，所述的船舶輔鍋爐虛擬場景系統里對應的三維模型部件采用全局變量關聯；所述的水系統和燃燒系統里分別包含有船舶輔鍋爐水系統和燃燒系統的數學模 型及其控制器，可實現水系統和燃燒系統的閉環控制；所述的數據保存和曲線繪制系統，以記事本格式保存重要參數，并在數據保存和曲線繪制系統對應的視圖界面上根據汽包水位、蒸汽壓力的變化情況繪制曲線；所述的水系統和燃燒系統里的控制器包括雙位控制器、PID控制器或Bp神經網絡控制器，在實現閉環控制時，可任意選擇其中一種控制器。本發明所述的力反饋系統、船舶輔鍋爐虛擬場景系統、水系統、燃燒系統、蒸汽系統、數據保存和曲線繪制系統都是采用Visual C++語言開發。本發明所述的的船舶輔鍋爐虛擬場景系統是在Vega平臺下驅動虛擬場景及三維實體模型。與現有技術相比，本發明的優點和有益效果是I、由于本發明利用虛擬現實技術，能夠采用純軟件實現。基于虛擬現實技術，本發明構建了船舶輔鍋爐虛擬場景系統展現的虛擬場景，真實再現了實際船舶輔鍋爐結構，并在此虛擬場景內實現了場景漫游和人機交互功能，使用者可以不受時間和地點的限制，參觀船舶輔鍋爐，并在虛擬場景內模擬實際操作，達到實際訓練的效果，且運行安全可靠，不會對使用者發生任何危險，也不會由于誤操作損壞機器或引起爆炸，更能進行某些在船舶上難以實現的特殊訓練項目，完全不存在運行管理和停用保養的費用。2、由于本發明采用PHANTOM Desktop力反饋設備作為使用者和計算機交互的媒介，使用者通過PHANTOM Desktop力反饋設備在船舶輔鍋爐虛擬場景系統所呈現的虛擬場景內漫游和對虛擬場景內的三維實體模型進行操作；使用者在操作PHANTOM Desktop力反饋設備在虛擬場景內漫游或者操控三維實體模型時，能獲得如同操作真實物體一樣的力度感和方向感，極大地提高了使用者的沉浸感和臨場感，能更加有效地加深使用者的操作感，快速幫助使用者熟悉各種操作。3、由于本發明構建了水系統、燃燒系統和蒸汽系統的數學模型，并就水系統和燃燒系統分別設計了雙位、PID和Bp神經網絡三個不同的控制器，使用者可以在水系統和燃燒系統對應的視圖界面上選擇任意控制器進行仿真控制實驗。本發明利用虛擬現實技術，構建船舶輔鍋爐虛擬場景。使用者借助PHANTOM Desktop力反饋設備實現與輔鍋爐虛擬場景的交互，可以實現在虛擬場景里漫游和操控虛擬場景里的三維實體模型，同時，使用者可以感受到通過PHANTOM Desktop力反饋設備反饋輸出的作用力。


本發明僅有附圖I張，其中圖I是本發明一種基于力反饋的船舶輔鍋爐虛擬操控仿真系統。圖中1、力反饋系統,2、船舶輔鍋爐虛擬場景系統，3、水系統，4、燃燒系統，5、蒸汽系統，6、數據保存和曲線繪制系統。
具體實施例方式下面結合圖I對本發明做進一步詳細地描述一種基于力反饋的船舶輔鍋爐虛擬操控仿真系統，安裝在一臺計算機內，所述的 計算機與一臺PHANTOM Desktop力反饋設備連接,所述的PHANTOMDesktop力反饋設備作連接為人機交互的橋梁，由計算機驅動和控制；所述的虛擬操控仿真系統包括力反饋系統I、船舶輔鍋爐虛擬場景系統2、水系統3、燃燒系統4、蒸汽系統5以及數據保存和曲線繪制系統6 ;所述的力反饋系統I包含空間匹配模塊和力/觸覺渲染模塊兩個功能模塊，所述的空間匹配模塊將PHANTOM Desktop力反饋設備的控制設備接口點的位姿匹配到虛擬空間中代理點的位姿，所述的力/觸覺渲染模塊根據代理點與船舶輔鍋爐虛擬場景系統2中的模型的交互狀態實時反饋力和力矩，并反饋給PHANTOM Desktop力反饋設備輸出，將船舶輔鍋爐虛擬場景系統2中產生的反饋力作用于使用者；使用者通過PHANTOM Desktop力反饋設備，對船舶輔鍋爐虛擬場景系統2里的模型進行操作，力反饋系統I檢測到PHANTOMDesktop力反饋設備的動作，將信息發送到輔鍋爐虛擬場景系統，輔鍋爐虛擬場景系統實時渲染更新，并計算出反饋力，通過力反饋系統1，反饋輸出作用于使用者；同時，船舶輔鍋爐虛擬場景系統2將鍋爐狀態、汽包水位、蒸汽壓力、鍋爐燃燒狀態等重要參數發送到數據保存和曲線繪制系統6;所述的船舶輔鍋爐虛擬場景系統2中的虛擬場景及其三維實體模型都是采用三維建模軟件3DS MAX和MultiGen Creator構建；借助PHANTOM Desktop力反饋設備,船舶輔鍋爐虛擬場景系統2實現場景漫游和人機交互的功能；所述的水系統3、燃燒系統4和蒸汽系統5以二維圖片的形式分別剖析輔鍋爐水系統3、燃燒系統4和蒸汽系統5的詳細結構，所述的船舶輔鍋爐虛擬場景系統2里對應的三維模型部件采用全局變量關聯；所述的水系統3和燃燒系統4里分別包含有船舶輔鍋爐水系統3和燃燒系統4的數學模型及其控制器，可實現水系統3和燃燒系統4的閉環控制；所述的數據保存和曲線繪制系統6，以記事本格式保存重要參數，并在數據保存和曲線繪制系統6對應的視圖界面上根據汽包水位、蒸汽壓力的變化情況繪制曲線；所述的水系統3和燃燒系統4里的控制器包括雙位控制器、PID控制器或Bp神經網絡控制器，在實現閉環控制時，可任意選擇其中一種控制器。所述的力反饋系統I、船舶輔鍋爐虛擬場景系統2、水系統3、燃燒系統4、蒸汽系統5、數據保存和曲線繪制系統6都是采用Visual C++語言開發。
所述的的船舶輔鍋爐虛擬場景系統2是在Vega平臺下驅動虛擬場景及三維實體模型。本發明的工作方法，包括以下步驟A、啟動應用程序,進入啟動界面。本發明的界面大小限制為1024*768像素。本發明界面的主菜單上包括場景漫游、人機交互 和仿真控制三個功能。通過鼠標可以選擇不同的功能操作，具體操作如下所述。此外，在菜單欄下有一排工具欄。在工具欄上是對應著船舶輔鍋爐虛擬場景系統2、水系統3、燃燒系統4、蒸汽系統5以及數據保存和曲線繪制系統6的視圖界面的圖標，用鼠標單擊相應的圖標，即可切換到這幾個系統對應的視圖界面。B、選擇場景漫游功能后，視圖界面直接被切換到船舶輔鍋爐虛擬場景系統2對應的視圖界面。使用者可以通過PHANTOM Desktop力反饋設備查看船舶輔鍋爐虛擬場景系統2中的虛擬場景和三維模型。使用者通過移動PHANTOMDesktop力反饋設備的手柄，改變PHANTOM Desktop力反饋設備的控制設備接口點的位姿，力反饋系統I接收到此信息后，將處理后的數據發送到船舶輔鍋爐虛擬場景系統2，船舶輔鍋爐虛擬場景系統2即將此刻PHANTOM Desktop力反饋設備的控制設備接口點所在的位姿的虛擬場景以合適的位姿移動到該視圖界面的中心。當某個模型周圍出現紅色線框時，按下PHANTOM Desktop力反饋設備手柄上的按鈕，即可拾取該模型。該模型將以合適的大小被放大到該視圖界面中心，這時候再移動HANTOM Desktop力反饋設備的手柄，即可從不同方位細致查看該模型。通過鼠標選擇菜單上的場景漫游功能，即可回復到模型被拾取前的視圖界面。C、選擇人機交互功能后，使用者通過PHANTOM Desktop力反饋設備只能對船舶輔鍋爐虛擬場景系統2中特定的部件的模型進行操作。使用者利用PHANTOM Desktop力反饋設備選中部件模型，該模型即被放到到眼前，此時，使用者可以通過PHANTOM Desktop力反饋設備操縱該模型，比如，打開/關閉按鈕，將閥門打開一定開度等等。這些操作信息和數據都會被發送到船舶輔鍋爐虛擬場景系統2，經過數據處理后，更新場景，會產生諸如水位上升、指示燈點亮、壓力表顯示示數等相應動作，模擬真實輔鍋爐運行工況。但使用者操作有誤時，船舶輔鍋爐虛擬場景系統2會提示出錯并報警，根據錯誤的嚴重性，播放有可能造出的后果的動畫，之后給出正確的操作方法。同時，水系統3、燃燒系統4和蒸汽系統5保持同步更新。使用者在操作PHANTOM Desktop力反饋設備的過程中，也會感受到PHANTOMDesktop力反饋設備反饋輸出的作用力。D、選擇仿真控制功能后，在該菜單的子菜單下選擇不同的控制器。若未選中仿真控制菜單前或選擇此功能后，又切換到其他功能后，本發明都默認為開環控制。選擇控制器后，根據所選的控制器，會彈跳出不同的參數設置對話框，設置好相應的參數后，使用者可以通過PHANTOM Desktop力反饋設備操縱蒸汽閥門等模型，任意添加外部擾動。E、使用者可以在任何時候通過鼠標切換到數據保存和曲線繪制系統6對應的視圖界面。本發明各子系統的實施方式如下I、力反饋系統I的實施方式本發明采用的是美國SensAble公司生產的PHANTOM Desktop力反饋設備,這也是目前應用最廣的力反饋設備。它有6個自由度的位姿輸入和3個自由度的反饋力，其結構類似6自由度關節型機械手臂。當使用者移動PHANTOMDesktop力反饋設備末端的手柄時，各個關節和手臂隨末端手柄一起協同運動。使用者通過操作PHANTOM Desktop力反饋設備的末端手柄，控制PHANTOMDesktop力反饋設備接口點在設備工作空間中運動。本發明中主要是用PHANTOM Desktop力反饋設備控制閥門等可操控部件的開或關。使用者通過PHANTOM Desktop力反饋設備，可以對船舶輔鍋爐虛擬仿真場景系統2中的三維模型進行操控。一旦某個可操控部件被拾取，則認為對該部件進行操作。船舶輔鍋爐虛擬場景系統2將根據力反饋系統I輸入的位姿信息，決定該部件的開或關，并在船舶輔鍋爐虛擬仿真場景系統2中實時渲染，并更新場景。而當該部件已被關閉或者打開到最大時，若仍繼續相同的操作，船舶輔鍋爐虛擬仿真場景系統2會通過PHANTOM Destkop力反饋設備輸出一個較大的反饋力，模擬現實中的“無法再操作”。
2、船舶輔鍋爐虛擬仿真場景系統2的實施方式船舶輔鍋爐虛擬仿真場景系統2的實施方式可分為構建虛擬場景和驅動虛擬場景兩部分。船舶輔鍋爐虛擬仿真場景系統2中的虛擬仿真場景是根據大連海事大學育鯤號輔鍋爐布局圖，經過數據獲取、整理和處理后，逐級對船舶輔鍋爐的組成部分、各組成部分中的零部件進行分割，根據部件的形狀和工作特征，選擇不同的建模方法，結合3DS MAX和MultiGen Creator完成構建模型的整個過程。在構建虛擬場景和模型的過程中，主要是在3DS MAX建模部分工作，在Creator里對模型進行優化和格式轉化。本發明針對船舶輔鍋爐不同部件對象的結構和外特性，一般都采用一種建模方法為主，多種建模方法相結合的混合建模方法，構建其三維模型。對物體行為的建模，是人機交互的關鍵，為此，本發明使用了 DOF技術。DOF節點可控制它的所有子節點按照設置的自由度范圍進行移動或者旋轉運動，從而使模型對象具有活動的能力。另外，為了防止出現類似視點穿透建筑物這樣不符合物理規律的情形，本發明在建立對象模型時，采用了矩形邊界檢測的方法。在已構建的虛擬場景的基礎上，本發明在Vega平臺下驅動虛擬場景及其三維模型。由于三維模型加載和渲染時數據量大，本發明在主線程之外，另開辟了一個新的線程，用于初始化和渲染更新虛擬場景。在Vega通過繼承MFC中的CView類派生的子類zsVegaView已經以以虛函數的形式定義了特定的應用程序要進行操作的通用接口，因此用戶的應用程序只需從zsVegaView派生出新類并根據需要重載必要的虛函數即可。其接口聲明及功能，如下所示virtual void postlnit (void ) ;//初始化模塊virtual void postDef ine (void ) ;//添加一些 adf 中沒有定義的對象virtual void postConfig(void ) ;//初始化變量，添加回調函數virtual void postSync (void ) ;//添加每一巾貞的更新函數virtual void postFrame (void) ;//接受外界輸入等3、水系統3的實施方式為了實現水系統3和船舶輔鍋爐虛擬場景系統2中同一個部件的同步變化，本發明在應用程序里定義了全局變量來關聯船舶輔鍋爐虛擬場景系統2和水系統3里的各個部件。
權利要求
1.一種基于力反饋的船舶輔鍋爐虛擬操控仿真系統，安裝在一臺計算機內，所述的計算機與一臺PHANTOM Desktop力反饋設備連接,所述的PHANTOM Desktop力反饋設備作連接為人機交互的橋梁，由計算機驅動和控制；其特征在于所述的虛擬操控仿真系統包括力反饋系統(I)、船舶輔鍋爐虛擬場景系統(2)、水系統(3)、燃燒系統(4)、蒸汽系統(5)以及數據保存和曲線繪制系統(6)； 所述的力反饋系統(I)包含空間匹配模塊和力/觸覺渲染模塊兩個功能模塊，所述的空間匹配模塊將PHANTOM Desktop力反饋設備的控制設備接口點的位姿匹配到虛擬空間中代理點的位姿，所述的力/觸覺渲染模塊根據代理點與船舶輔鍋爐虛擬場景系統(2)中的模型的交互狀態實時反饋力和力矩，并反饋給PHANTOM Desktop力反饋設備輸出，將船舶輔鍋爐虛擬場景系統(2)中產生的反饋力作用于使用者；使用者通過PHANTOM Desktop力反饋設備，對船舶輔鍋爐虛擬場景系統(2)里的模型進行操作，力反饋系統(I)檢測到PHANTOMDesktop力反饋設備的動作，將信息發送到輔鍋爐虛擬場景系統，輔鍋爐虛擬場景系統實時渲染更新，并計算出反饋力，通過力反饋系統(1)，反饋輸出作用于使用者；同時，船舶輔鍋爐虛擬場景系統(2)將鍋爐狀態、汽包水位、蒸汽壓力、鍋爐燃燒狀態等重要參數發送到數據保存和曲線繪制系統(6)； 所述的船舶輔鍋爐虛擬場景系統(2 )中的虛擬場景及其三維實體模型都是采用三維建模軟件3DS MAX和MultiGen Creator構建；借助PHANTOM Desktop力反饋設備,船舶輔鍋爐虛擬場景系統(2)實現場景漫游和人機交互的功能； 所述的水系統(3)、燃燒系統(4)和蒸汽系統(5)以二維圖片的形式分別剖析輔鍋爐水系統(3)、燃燒系統(4)和蒸汽系統(5)的詳細結構，所述的船舶輔鍋爐虛擬場景系統(2)里對應的三維模型部件采用全局變量關聯； 所述的水系統(3)和燃燒系統(4)里分別包含有船舶輔鍋爐水系統(3)和燃燒系統(4)的數學模型及其控制器，可實現水系統(3)和燃燒系統(4)的閉環控制； 所述的數據保存和曲線繪制系統(6)，以記事本格式保存重要參數，并在數據保存和曲線繪制系統(6)對應的視圖界面上根據汽包水位、蒸汽壓力的變化情況繪制曲線； 所述的水系統(3)和燃燒系統(4)里的控制器包括雙位控制器、PID控制器或Bp神經網絡控制器，在實現閉環控制時，可任意選擇其中一種控制器。
2.根據權利要求I所述的一種基于力反饋的船舶輔鍋爐虛擬操控仿真系統，其特征在于所述的力反饋系統(I)、船舶輔鍋爐虛擬場景系統(2)、水系統(3)、燃燒系統(4)、蒸汽系統(5)、數據保存和曲線繪制系統(6)都是采用Visual C++語言開發。
3.根據權利要求I所述的一種基于力反饋的船舶輔鍋爐虛擬操控仿真系統，其特征在于所述的的船舶輔鍋爐虛擬場景系統(2)是在Vega平臺下驅動虛擬場景及三維實體模型。
全文摘要
本發明公開了一種基于力反饋的船舶輔鍋爐虛擬操控仿真系統，安裝在一臺計算機內，所述的計算機與一臺力反饋設備連接，所述的力反饋設備作連接為人機交互的橋梁，由計算機驅動和控制；所述的虛擬操控仿真系統包括力反饋系統、船舶輔鍋爐虛擬場景系統、水系統、燃燒系統、蒸汽系統以及數據保存和曲線繪制系統。由于本發明基于虛擬現實技術，構建了船舶輔鍋爐虛擬場景系統展現的虛擬場景，真實再現了實際船舶輔鍋爐結構，并在此虛擬場景內實現了場景漫游和人機交互功能，使用者可以不受時間和地點的限制，參觀船舶輔鍋爐，并在虛擬場景內模擬實際操作，達到實際訓練的效果，且運行安全可靠，完全不存在運行管理和停用保養的費用。
文檔編號G06F3/01GK102707989SQ20121014450
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月10日 優先權日2012年5月10日
發明者沈智鵬, 王玉婷, 郭晨 申請人:大連海事大學