船舶柴油机虚拟拆装仿真_潘玉平

1、船舶柴油机虚拟拆装仿真潘玉平万隆君徐轶群王永坚(集美大学轮机工程学院福建厦门361021摘要综合利用V C 的视窗程序与V R P -S D K 的组合方法,建构船舶柴油机三维场景及虚拟拆装仿真过程,是虚拟现实技术在船员培训领域的创新性应用。以潍坊柴油机厂6160A 型柴油机为原型,运用虚拟现实技术,以C +语言为基础,通过MV C 模式,完成船舶柴油机虚拟拆装过程。关键词船舶柴油机;拆装;虚拟现实中图分类号:U 664.121文献标志码:A D O I :10.3963/j06第一作者简介:潘玉平(1985,硕士生.研究方向:船舶柴油机.E -m a i l :1195782792q q.c

2、 o m 船舶柴油机具有装置较大、结构复杂、各元件配合精密及造价昂贵等特点,在柴油机拆装时,受训人员通常采用分工协作来完成整个拆装过程,操作完成后,拆装数据无法整合,受训人员不能了解整个过程,因此不能很好地考评操作人员的实际掌握程度。利用虚拟现实技术建立对柴油机的虚拟拆装,不仅可以借助计算机生成逼真的实物替代品,而且可以加入实时的人机交互操作。目前,国内外众多高校和研究机构开展拆装过程仿真研究1-7,尤其是在教育领域中的应用研究。本文主要对基于虚拟现实技术在船舶柴油机拆装方面进行的研究,涉及到主要零部件的实体建模,拆装平台的搭建,虚拟场景和装配关系的建立,虚拟拆装过程人机交互等方面的探讨与研究

3、。1虚拟拆装开发环境利用V C 的视窗程序与第三方软件V R P -S D K 的组合方法,实现虚拟拆装的人机交互平台。通过对现有仿真引擎的分析对比,建立适合于船舶上的虚拟系统的一体化平台V R M ,该平台通过M i c r o s o f t V i s u a l C +6.0,M i c r o s o f t D i r e c t X 9.0,S D K 、V R P 开发工具包(V R P -S D K ,声音引擎(F MO D -S D K 搭建实现。1.1三维建模工具简介目前有三维建模软件很多,如:A u t o d e s k 3d s M a x ,它的主要建模手段是多边

4、形网格(p o l y g o n m e s h ,并且拥有一个庞大的插件和扩展程序市场;A u t o d e s k M a ya ,具有非常著名的全能建模工具,强大的角色动画与特效制作能力,具有极强的协作开发能力和可扩展系统;M u l t i g e n C r e a t o r ,具有其独特的O p e n F l i g h t 数据格式,使得输入、结构化、修改、创建原型和优化模型数据库更容易,但C r e a t o r 在构造复杂高精度模型上有先天劣势。本文选用3d s M a x 作为建模工具,首先它操作方便,易学易用,特殊渲染效果,具有可视化的交互动画建立方法。A u

5、t o d e s k 3d s M a x 是游戏开发、电视、电影和数字出版行业的首选工具,目前统治着视频游戏工业领域。1.2仿真工具的选择商业引擎中有D o o m 3、U n r e a l E n g i n g e 3、V e g a P r i m e 和V R P 等。U n r e a l E n g i n g e 3引擎是一套为D i r c t X 9/10和X b o x 360平台准备的完整游戏开发构架,提供大量的核心技术阵列,支持高端开发团队的基础项目建设,但其价格太高;V e ga P r i m e 是一款复杂的仿真引擎,其模块化的设计,大大提高了开发效率,并且

6、拥有一些特定的功能模块,可以满足特定的仿真要求,但其存在渲染场景文件的图形精度不好,其建模工具C r e a t o r 在模型的表现上没有3d s M a x 强大;V R P 是专注于虚拟现实与仿真领域的软硬件研发的专业机构,提供有虚拟现实编辑器、物理模拟系统、三维网络平台、工业仿真平台和V R P -S D K 应用程序开发包,以及多通道环幕立体投影解决方案等,能满足不同层次的客户需求。本文采用V R P 渲染引擎,因为V R P 操作简便,运行速度快,V R P 跟3d s M a x 无缝接合,支持301船舶柴油机虚拟拆装仿真潘玉平万隆君徐轶群王永坚直接从MA X 里面把模型导出来,

7、在MA X 里面的渲染也能完好的延续到V R P 里面,并且相比国外软件而言,有价格上的优势。1.3柴油机虚拟拆装平台架构首先用3d s M a x 建立柴油机主要零部件的三维模型,并根据各种材质进行渲染;然后通过V R P 仿真平台,进行脚本编辑,碰撞检测后,可实现在计算机上对柴油机进行拆装过程的训练。其总体设计流程见图1 。图1总体设计流程图F i g .1F l o w c h a r t o f d e s i gn 2柴油机虚拟拆装三维场景的设计与建构2.1设计思路根据实际情况,对船舶柴油机的零部件进行有针对性的建模,再通过进一步的处理和渲染,最后导入到渲染引擎中,其总体设计流程见图

8、2 。图2船舶柴油机建模流程F i g .2F l o w c h a r t o f m o d e l i n g a b o u t m a r i n e d i e s e l 2.2柴油机主要零部件三维实体建模用3d s M a x 软件绘制图形,通过贴图等方法对实体图形进行处理,以实现柴油机主要零部件的不同材质。图3为建模后的柴油机气缸盖的三维模型图,图4是通过将所有已建模完成柴油机零部件三维模型组合形成的虚拟柴油机三维模型图 。图3气缸盖F i g .3C y l i n d e r h e a d 图4柴油机全景图F i g .4P a n o r a m a gr a m

9、o f d i e s e l 3柴油机虚拟拆装仿真过程的设计与实现3.1 柴油机拆装过程的设计图5柴油机拆装设计图F i g .5S c h e m e o f d i s m o u n t i n g a n d i n s t a l l a t i o n 采用M i c r o s o f t V i s u a l C +6.0和V R P -S D K 等A P I 建立了适于船舶虚拟拆装的通用平台,实现过程如图5所示,主要函数如下。L o a d V r pF i l e (是加载V R P 场景函数;E x e -c u t e V r p S c r i pt (函数是是

10、应用程序向V R P 场景对象发送脚本的接口,各种不同的脚本经过程序处理,数字转换为字符,最后串接为一个字符串,然后使用这个函数将脚本以命令的方式发送到V R P 渲染场景对象中,V R P 场景对象会得到用户发送的脚本并加以解释执行;G e t V r p M s g D e s c (函数是获取V R P 场景对象信息的函数。在柴油机拆装场景中鼠标跟踪是最常出现的消息,在被图形化的渲染场景中,用户只需要在这个三维场景中的物体或是点击二维面板就可以实现丰富的交互操作。v r p _m s g_i d 是场景发生事件的消息I D ,p 1是相关三维物体的名称。生成的平台界面见图6 。图6拆装平

11、台界面F i g .6T h e i n t e r f a c e o f d i s m o u n t i n g a n d i n s t a l l a t i o n 401交通信息与安全2012年2期第30卷总167期3.2柴油机拆装仿真过程的实现柴油机拆装实现过程见图7 。图7柴油机拆装实现过程F i g .7T h e pr o c e s s o f d i s m o u n t i n g a n d i n s t a l l i o n a b o u t e n gi n e 通过对V R P -S D K 软件工具包和拆装平台的分析,设计了柴油机拆装在虚拟现实

12、场景中的实现过程,这里只分析柴油机的虚拟拆卸过程的实现。具体的设计及实现过程如图8 。图8拆装运行界面F i g .8O p e r a t i o n i n t e r f a c e o f d i s m o u n t i n g a n d i n s t a l l i o n 再进行过程交互操作。先拆卸气缸盖,当鼠标移入场景,按下鼠标左击时,就会通过射线算法检测到鼠标处所对应的模型,通过V R P 脚本与引擎间的通信,就会在平台“各部件说明”位置给出提示信息,包括选定物体的名称、用途和拆装时的注意事项等内容。当有鼠标右击事件消息时,会弹出相应的对话框窗口,询问操作人员所选合适的

13、工具进行拆除或是组装的操作过程。如果选择:“是”,将执行相应的拆装动画;“否”,返回渲染场景,不做任何处理。操作过程还有声音提醒,这个功能主要是实现一些解说作用。声音效果占有很好的优势,像试车和热磨合的操作,在虚拟现实平台下无法实现的,或是实现起来比较困难,因无法看到整个磨合的过程,此时就可以用声音的方式给出提示。实时的语音特效是对渲染场景中仅采用文本的方式不足的补充。其拆装流程框图及部分源代码如图9。v o i d C D i s e l D l g :A I D i s a s s y (C S t r i n g &p a r t s ,i n t s t e p _d i s

14、a s s yC S t r i n g s t r S t e p ;m _S t e p +;/a l l d i s a a s s y s t e ps t r S t e p .F o r m a t (_T ("第%d 步",m _S t e p ;s w i t c h (s t e p _d i s a s s y c a s e 1:/高压空气瓶手轮E x e A I V r p S c r i p t (pa r t s ;b r e a k ;A f x M e s s a g e B o x ("请选用合适的拆装工具!"br e

15、a k ;i f (m _E r r o r N u m >E r r o r N u m b e r A f x M e s s a ge B o x ("对不起,您已经错了3次!"O n C l o s e V r p (;O n L o gi n I n (; 图9拆装流程图F i g .9F l o w c h a r t o f d i s m o u n t i n g a n d i n s t a l l i o n 4结束语船舶柴油机在海事主管部门的评估中,占有重要的地位。目前,没有针对船舶柴油机的虚拟拆装训练及评估系统,本文通过大量的理论学习和实践

16、的结合,利用M F C 和V R P -S D K 及F O -M D 组建了船舶虚拟拆装的过程。在分析现有平台的基础上,运用V C 、V R P -S D K 、F MO D 和数据库系统搭建了拆装平台系统,并将语言系统引入拆装过程中,根据操作给出相应的提示。参考文献1G a d h G ,S r i n i v a s a n H ,N u g ge h a l l i S ,e t a l .V i r t u a l d i s a s s e m b l y -A s of t w t o o l f o r d e v e l o p i ng p r o d u c t d i

17、s m a n t l i n g a n d m a i n t e n a n c e s y s t e m s J .P r o c e e d -i n g s o f I E E E :A n n u a l R e l i a b i l i t y a n d M a i n t a n i n -a b i l i t yS y m p o s i u m ,1998(1:120-150.2J i a D ,B h a t t i A ,N a h a v a n d i .D e s i gn a n d e v a l u a t i o n o f a h a p t

18、i c a l l y e n a b l e v i r t u a l e n v i r o n m e n t f o r o b j e c t a s -s e m b l y t r a i n i n g J .I E E E H a p t i c A u d i o v i s u a l E n -v i r o m e n t s a n d G a m e s ,2009,30(3:75-80.(下转第109页501船舶柴油机虚拟拆装仿真潘玉平万隆君徐轶群王永坚工节省而且比传统的M S S 移模有明显的优越性,解决了M S S 移模存在的安全性和经济性问题,因此在大跨

19、径连续梁中推广“八七”桁架C M S S 工法是具有良好的推广前景。参考文献1景强,黄成造.广州珠江黄埔大桥M S S 62.5m 上行式移动模架关键技术研究J .桥梁建设,2007(S 1:113-114.2杜健.白马河特大桥边跨上部结构64m 混凝土简支箱梁施工技术J .桥梁建设,2006(S 1:63-64.3刘家锋.我国移动支架造桥机的发展综述J .铁道标准设计,2002,46(2:11-13.4张璟,吴加云,徐海燕,等.肇庆大桥北引桥上部结构施工工艺J .建筑技术开发,2005(3:2-3.5张平.大跨梁桥移模分块施工新技术D .南昌:华东交通大学土木建筑学院,2008.6林运唐.连

20、续梁“移模分块”浇筑工法系列化研究D .南昌:华东交通大学土木建筑学院,2009.7徐文源,张旭容.“八七”式军用梁支架在大跨度连续梁施工中的应用J .城市道路与防洪,2007,99(10:46-47.8戴玉明.大跨梁桥跨中挠度控制措施D .南昌:华东交通大学土木建筑学院,2007.A N e w T e c h n o l o g y o f P C C o n t i n u o u s G i r d e r B r i d g e f o r M o v a b l e M o u l d B l o c k C a s t i n g b y H o l e C o n s t r

21、u c t i o n D I N G X i a n g D A I G u a n g p e n g S H A N G G U A N X i n g(S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n d A r c h i t e c t u r e ,E a s t C h i n a J i a o t o n g U n i v e r s i t y ,N a n c h a n g 330013,C h i n a Ab s t r ac t :T h e m o v a b l e f o r m w o r k b

22、y h o l e c a s t i n gc o n s t r u c t i o n m e t h od (M S S h a s be e n u s e d i n p r e s t r e s s e d c o n c r e t e c o n t i n u o u s b e a m i n C h i n af o r 20y e a r s .T h r o ugh t h e C hi n e s e e n g i n e e r s 'd i g e s t i o n a n d a b s o r pt i o n ,i t h a s f o

23、r m e d a s e t o f i n -n o v a t i o n d e v e l o p m e n t w i t h C h i n e s e c h a r a c t e r i s t i c s ,t h a t i s "b l o c k c a s t i n g b y h o l e c o n s t r u c t i o n "n e w t e c h n o l o g y (n a m e d C M S S .A f t e r m a n y y e a r s o f r e s e a r c h ,E a s

24、 t C h i n a J i a o t o n g U n i v e r s i t y h a s a c h i e v e d t h e i n t e r n a t i o n a l a d v a n c e d l e v e l r e -s u l t s i n C M S S .K e y w o r d s :m o v a b l e m o u l d b l o c k c o n s t r u c t i o n ;C M S S b r i d g i n g m a c h i n e ;m i l i t a r y 檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾

25、檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾t r u s sm o v a b l em o u l d (上接105页3Y u a n X i a o b u ,Y a n g S X.V i r t u a l a s s e m b l y w i t h b i -o l o g i c a l l y i n s p i r e d i n t e l l i g e n c e J .I E E E T r a n s a c -t i o n s o n S y s t e m s M a n a n d C y b e r n e t i c s -

26、P a r t C :A p -pl i c t i o n s a n d R e v i e w s ,2003,33(2:159-167.4J u n g B ,L a t o s c h i k M ,W a c h s m u t h I .K n o w l e d g e -b a s e d a s s e m b l y s i m u l a t i o n f o r v i r t u a l p r o t o t y p e m o d e l i n g J .I E E E I n d u s t r i a l E l e c t r o n i c s S

27、o c i e t y ,1998,4(31:2152-2157.5刘振宇,谭建荣,张树有,等.虚拟环境中装配设计语义的表达、传递与转化研究J .计算机学报,2000,23(11:1208-1214.6J a y a r a m S ,W a n g Y o n g ,J a y a r a m U.A v i r t u a l a s -s e m b l y d e s i g n e n v i r o n m e n t J .I E E E C o m p u t e r S o -c i e t y,1999,4(10:1-8.7高明向,陈昆,陈定方.射线算法在碰撞检测中的应用J

28、 .湖北工学院学报,2004,19(3:94-97.8中视典数字科技.V R P -S D K -V C 开发教程M .北京:中视典数字科技,2008.V i r t u a l D i s a s s e m b l y S i m u l a t i o n o f M a r i n e D i e s e l E n g i n e P A N Y u p i n g W A N L o n g j u n X U Y i q u n W A N G Y o n g ji a n (M a r i n e E n g i n e e r i n g I n s t i t u t e ,J i m e i U n