[發明專利]一種基于力反饋的船舶輔鍋爐虛擬操控仿真系統

無效

• 申請號: 201210144501.8
• 申請日: 2012-05-10
• 公開（公告）號: CN102707989A
• 公開（公告）日: 2012-10-03
• 發明（設計）人: 沈智鵬;王玉婷;郭晨
• 申請（專利權）人: 大連海事大學
• 主分類號: G06F9/455
• 分類號: G06F9/455;G06F3/01
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 李洪福

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：