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船舶设备虚拟拆装系统-虚拟拆装VR教学软件

发布时间:2023-06-30

编辑人:灵图互动

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船舶设备虚拟拆装系统基于实际拆装过程,利用仿真和虚拟现实技术在计算机上对相应设备、拆装工具及拆装过程进行1:1建模,映射真实工作场景,可用于拆装演示和交互训练,使操作人员熟练正确地掌握拆装操作步骤及注意事项。本文以船舶辅机设备为例来进行详细说明。

1. 船舶辅机设备虚拟拆装系统建设

1.1 船舶辅机设备虚拟拆装系统框架

船舶辅机设备虚拟拆装训练系统主要应用于船员拆装训练培训及高校辅助教学,因此系统可实现拆装演示及自主训练功能。在演示功能下,系统可向用户演示拆装试验、调节过程。在自主训练功能下,用户可在三维虚拟环境中通过输入设备进行设备的拆装、调节、实验,了解设备的组成结构、装配关系及运行原理等。

船舶辅机设备虚拟拆装系统用户(船员、学生、教师等)通过输入设备(键盘、鼠标)向系统表达自己的操作意图,系统根据输入及当前的状态解释用户的输入,确定并执行交互任务,然后将执行结果通过输出设备反馈给用户。其中,三维引擎可视化主要包括摄像机控制、三维虚拟场景管理、实时渲染及三维拾取等;物理仿真引擎包含碰撞检测、重力模拟等;脚本系统包括脚本解释器、脚本编辑器等;UI系统包括菜单栏、消息提示及状态栏提示等;数据库包括用户信息、场景资源、脚本资源、模型资源及登录记录等。

船舶辅机设备虚拟拆装系统建设

1.2 拆装内容

船舶辅机设备虚拟拆装系统涵盖船舶机舱“实操评估项目”中的所有辅助设备主要包括空压机、分油机、锅炉、油水分离器、生活污水处理装置、齿轮箱、离心泵、齿轮泵、往复泵、螺杆泵、阀门等设备。可实现在虚拟场景下展示船舶辅机各部件、组件的组成结构装配关系、运作原理及拆装流程;在三维环境下可对零部件进行拉近/远离、场景360°旋转、移动等操作。

1.3 实训考核

实训考核是检验学习成果的重要工具,结合船舶设备实际拆装流程,建立考核机制,让学员能够在训练的基础上进行测试,加深印象,进一步巩固学习内容。

实训考核系统依照角色访问控制模型设计了身份认证与权限管理系统,主要功能由用户、权限、角色和回话S四类元素互动完成,所需系统资源及产生的数据由后台数据库进行支持。实训考核系统所涉及的操作人员分为考官/评估员、工作人员、现场评估对象三类,每一类对应着不同的角色及相关权限。实训系统的启动、环境设置、结束等有评估员负责,现场评估对象为评估系统的考核对象,工作人员为评估系统支持及操作人员,负责完成考核系统的场景编辑、试题编辑与管理、用户管理、软件更新等功能。

船舶辅机设备虚拟拆装系统构建的关键技术

2. 船舶辅机设备虚拟拆装系统构建的关键技术

2.1 几何建模

船舶辅机设备虚拟拆装系统采用3dsMax三维建模软件对船舶辅机设备和专用工具进行三维模型构造,在建模过程中,在保留辅机设备基本形状特征和材质特征的前提下,对模型进行必要而合理的简化(如控制模型的三角面片数、删除不可见面片、采用贴图技术、使用多层次细节及纹理映射技术等)以避免场景模型资源太大而影响软件的加载时间、运行速度、实时渲染的速度和质量等;同时模型搭建好后需导出为nmo格式文件以供虚拟仿真引警使用。

2.2 碰撞检测

碰撞检测是确保在虚拟场景中漫游具有真实感和实时性的重要依据。目前广泛使用的碰撞检测算法主要有有空间分解法与层级包围盒算法,由于船舶机舱环境复杂,且用户精度适当,故船舶辅机设备虚拟拆装系统采用轴对齐包围盒算法(其相交测试简单且在变形对象的碰撞检测方面具有优势),以免采用高精度算法而造成系统资源消耗过大而影响拆装系统的性能。

2.3 拆装过程建模

为保证设备虚拟拆装过程的真实性和有效性,需对设备的拆装过程进行建模,主要包括拆装信息模型、配合约束模型以及拆装结构模型等。目前针对拆装结构模型的建模方法主要包括层次关系模型和关联关系模型以及两者的综合运用,如在拆装过程建模中应用的装备树模型,其实质是一种层次关系模型。

船舶辅机设备虚拟拆装训练系统采用基于层次关系模型和关联关系模型综合运用的拆装过程建模方法,在其基础上引人跳跃拆卸路径的概念对基于层次关系模型和关联关系模型的拆装结构模型进行完善和优化。以船用分油机分离筒本体的拆卸为例, 在拆装过程中,若是拆装训练演示则依照层次关系模型和关联关系模型进行整体拆卸。若是进行拆装训练,则可根据实际情况,判断拆卸模型中是否存在跳跃拆卸路径,若存在则调用目标拆卸算法进行目标拆卸。

2.4 交互行为建模

虚拟现实中的交互性指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度(包括实时性)。虚拟拆装中的交互模型用于描述虚拟场景下人机交互时的运动与行为,是完成拆装仿真的基础。良好的交互性可以精确地实现虚拟场景中视点、设备及零部件的选择、移动。

船舶辅机设备虚拟拆装系统中的交互行为主要包括零件及整体的移动和转动、设备的手动拆装及自动拆装、设备工作原理、动画播放及拆装过程中的提示与帮助等,其实现方式主要依靠鼠标和键盘。

2. 船舶辅机设备虚拟拆装系统拆装训练

船舶设备虚拟拆装VR教学软件作为一个集教学演示、拆装实训、考核于一体的虚拟仿真实训系统,具有沉浸感强、交互界面友好、功能齐全、使用简单等优点,不仅能能让学员学习设备拆装的方法,提高学习和实践能力,还能可以避免安全事故发生。此外,虚拟拆装系统还可以通过协同工作的模式来实现设备的拆装设计分析、拆装过程的规划与验证及虚拟拆装结果评估等。

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