[发明专利]一种基于力反馈的船舶辅锅炉虚拟操控仿真系统

说明书

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：