專利名稱：船舶駕駛與操作多通道多屏幕三維立體沉浸式仿真系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及船舶駕駛與艙室操作三維立體視景仿真模擬器系統(tǒng)裝置，屬于船舶與海洋工程領域。
背景技術：
目前，比較流行的船舶駕駛模擬器主要是利用商業(yè)化付費軟件Vega、PHIGS、Crystal Space、Java3D、0GRE3D、Vega Prime等,所使用的物理平臺要求高,費用大。本發(fā)明采用低端的PC設備架構立體顯示系統(tǒng)和分布式圖形處理與數(shù)學物理模型計算系統(tǒng)，利用移植性較強的OpenSceneGraph圖形引擎克服了傳統(tǒng)的OpenGL以及Direet3D開發(fā)周期長、難度大的缺點，解決了使用OpenGVS、Vega等商業(yè)引擎開發(fā)成本過高,須在高端的物理平臺上運行，不利于產品推廣的問題，具有更強的實用價值。三維開源引擎OpenSceneGraph (OSG)是一個基于工業(yè)標準OpenGL的跨平臺的三維開源場景圖形系統(tǒng)應用程序開發(fā)接口(API)，開源開發(fā)模型為3D程序開發(fā)者提供一個免費的開發(fā)庫資源。本發(fā)明顯示系統(tǒng)就是利用OSG渲染開發(fā)，并能在低端的PC架構分布式系統(tǒng)上運行，很大程度上降低了系統(tǒng)的開發(fā)成本。

發(fā)明內容
本發(fā)明裝置在分布式數(shù)學物理平臺模型和分布式船舶運行原理基礎上包含(I)動力系統(tǒng)和船舶運動數(shù)學物理模型建模模塊，(2)三維立體顯示模塊，(3)氣候環(huán)境變化顯示模塊，(4)地理信息環(huán)境變化顯示模塊，(5)數(shù)字手套交互操作模塊，(6)物理平臺模擬操作模塊等六個工作模塊。本發(fā)明研究試驗方法、技術路線以及工藝流程圖如圖I所示。本發(fā)明基于以上幾個模塊集成到一個物理平臺發(fā)明，主要解決各個模塊之間的集成問題。具體來說，要把三維立體顯示、數(shù)據(jù)庫交換技術、數(shù)字手套交互技術集成到一個軟件下，利用物理操作代替鍵盤事件響應，達到駕駛船舶和在機艙操縱船舶的目的。本發(fā)明具有如下特點I、采用開源的高性能三維圖像渲染工具包0SG，克服了傳統(tǒng)的OpenGL以及 Direet3D開發(fā)周期長、難度大的缺點，解決了使用OpenGVS、Vega等商業(yè)引擎開發(fā)成本過高，不利于產品推廣的問題，從實用的角度上更有意義。2、采用三維立體顯示技術，利用利用四臺投影儀分成左兩組，投射到大屏幕上，利用偏光立體眼鏡可以觀察到立體效果，使較低端的顯示設備產生了逼真的視覺效果。受訓者觀察到三維立體效果，產生強烈的沉浸感和逼真度。到目前為止，基于三維立體視景的船舶駕駛模擬器還沒見應用報道，而與三維立體視覺仿真虛擬機艙操縱模擬器相結合仿真系統(tǒng)亦未見報道，本發(fā)明的特色就是利用雙通道技術產生三維立體視景的船舶駕駛與機艙操縱模擬器，其最大優(yōu)點是環(huán)境重現(xiàn)的真實性高，能夠給操縱者一種身臨其境的感覺，在這樣的三維立體船舶駕駛與機艙操縱模擬器下，船員能夠真切的感受到在真實船舶上所具有效果，在這種環(huán)境下能夠有效的提高船員訓練效果。
3、物基于組態(tài)軟件、PLC控制器和分布式計算機網(wǎng)絡構建了物理操作平臺，利用車鐘和舵柄，實現(xiàn)船舶駕駛，利用數(shù)據(jù)庫橋將船舶運行的位置參數(shù)和數(shù)學物理模型仿真船舶動力系統(tǒng)運行的物理參數(shù)在物理平臺的分布式計算機屏幕上顯示出來，真實模擬海上航行場景和駕控平臺場景，包括電子海圖、雷達、羅經、動力系統(tǒng)運行物理參數(shù)監(jiān)控界面以及海上場景、海上氣候環(huán)境變化。4、通過開發(fā)操縱手柄和數(shù)字手套的驅動程序，將操縱手柄與數(shù)字手套的輸入與通過OSG開發(fā)的三維立體漫游系統(tǒng)相融合，實現(xiàn)數(shù)字手柄對于三維立體數(shù)字船舶機艙場景的驅動漫游和數(shù)字手套與位置跟蹤器通過數(shù)字手套的無線傳感器的位置跟蹤，對船舶機艙三維視景中不同類型的虛擬設備的操縱臺進行操作、發(fā)出操作指令，該指令被系統(tǒng)傳遞給后臺的數(shù)學運算仿真器進行仿真運算，其運算的結果傳遞到船舶駕駛模擬器的系統(tǒng)監(jiān)控屏幕上的虛擬儀表，顯示系統(tǒng)的運行狀態(tài)。


圖I研究試驗方法、技術路線以及工藝流程圖。
技術流程圖說明I、導演控制平臺；2、船型數(shù)據(jù)庫和船型三維數(shù)字化模型數(shù)據(jù)庫；3、船舶動力系統(tǒng)數(shù)學物理模型數(shù)據(jù)庫仿真計算模型；4、電子海圖航行區(qū)域坐標數(shù)據(jù)庫；5、氣候環(huán)境數(shù)據(jù)庫；6、視景數(shù)據(jù)庫；7、硬件顯示模塊；8、硬件顯示模塊；9、船舶動力系統(tǒng)數(shù)學物理模型仿真計算模型+船型運行物理參數(shù)存貯數(shù)據(jù)庫；10、大屏幕投影顯示；11、大屏幕投影顯示；12、位置跟蹤器與數(shù)字手套操作模塊；13、物理平臺操作模塊(車鐘)。各環(huán)節(jié)關系說明a、先利用流程圖中1，對系統(tǒng)的運行進行導調，實現(xiàn)對2、3、7、10、12模塊構成的“虛擬試驗臺”和4、5、6、8、11、13模塊構成的“虛擬操縱臺”的導調控制，系統(tǒng)存在在一個統(tǒng)一的分布式網(wǎng)絡中；b、利用三維數(shù)據(jù)輕量化技術將用三維設計軟件設計的實體船型進行輕量化處理，形成*. ive格式文件和利用數(shù)據(jù)庫維護方法將對應的船舶基本船型及動力物理參數(shù)存入的數(shù)據(jù)庫，形成模塊2，供I調用；將各類船舶的動力系統(tǒng)，利用Matlab建立起對應船型的船舶動力系統(tǒng)數(shù)學物理仿真計算模型，并將模型文件的物理地址存入數(shù)據(jù)庫，形成模塊3，供I調用；利用地理信息系統(tǒng)GIS海圖，針對所選目標船舶運行的海域，建立船舶運行航跡數(shù)據(jù)庫，在目標船舶運行中，將模擬運行的航跡GIS信息存入航跡數(shù)據(jù)庫，供硬件平臺8上的海圖和雷達顯示本目標船和I調入系統(tǒng)運行的其它對象船只的GIS相對地理信息，形成模塊4 ;利用OSG開發(fā)氣候環(huán)境子程序，并利用可變參數(shù)在導演控制平臺I上通過控制按鈕，調節(jié)氣候視景特征，該程序存入相應的文件夾，形成模塊5 ;利用草圖大師sketchup建立I所選目標對象船舶航行的視景模型，形成模塊6 ；C、通過I導調調用2、3在7中通過視頻矩陣模塊顯示在兩個視覺融合的屏幕上，并通過四臺投影儀，形成立體視覺投影在10上顯示；d、I上接有通過MFC++開發(fā)的位置跟蹤器驅動程序與數(shù)字手套驅動程序以及程序操縱桿，形成的模塊12，利用程序操縱桿，可以實現(xiàn)觀察者在沉浸式視景中的主動漫游，在系統(tǒng)運行時接受數(shù)字手套指關節(jié)上傳感器發(fā)出的位置信號，并通過傳感器與沉浸視景虛擬對象的干涉碰撞檢測，通過數(shù)字手套的驅動程序，驅動虛擬對象，實現(xiàn)對虛擬對象的操縱，
通過c、d環(huán)節(jié)形成虛擬試驗臺立體成像沉浸式視景系統(tǒng)；e、通過I導調調用4、5、6在8中通過視頻矩陣模塊顯示在兩個視覺融合的屏幕上，并通過四臺投影儀，形成立體視覺投影在11上顯示；f、通過I導調調用，在13的分布式屏幕上，分別顯示海圖、雷達、羅經和主機動力系統(tǒng)運行過程中動態(tài)的位置與物理參數(shù)的變化；g、通過I導調調用形成的“虛擬試驗臺”和“虛擬操縱臺”兩個分布式視景系統(tǒng)，所調用的2、3模型和4、5、6模型分別由7和8生成對應的立體視景圖像通過投影儀，在各自的顯示大屏幕10和11上顯示，I所調用的2、3、4、5、6的數(shù)學物理模型分布式運算的結果均存入9，外部輸入設備12單向輸入位置信息，通過系統(tǒng)內部的程序的干涉運算，由大屏幕輸出虛擬對象位置變化的信息，13通過雙向的輸入與輸出，分別在13的分布式屏幕上顯示位置信息和物理參數(shù)，在12上顯示位置信息和氣候狀態(tài)；h、3與9、4與9和13與9之間均有數(shù)據(jù)庫之間的位置信息雙向調用和物理參數(shù)信息的雙向調用。
具體實施例方式本發(fā)明提供一種船舶駕駛與機艙操作三維立體視景仿真模擬器系統(tǒng)裝置。它由船舶動力系統(tǒng)和船舶運動數(shù)學物理模型建模庫、三維場景模型庫、船型庫、三維數(shù)字化船舶虛擬模型庫、船舶航行區(qū)域電子海圖庫、船舶航行氣候模型庫、三維立體顯示系統(tǒng)以及數(shù)字手套、位置跟蹤系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、物理操作平臺等組成。本發(fā)明的技術方案為三維立體顯示技術是利用多通道立體顯示系統(tǒng)和OSG三維渲染技術組成；利用仿真車鐘與舵輪以及各種開關按鈕構成的物理操作平臺輸入對船舶的操縱信號，利用數(shù)據(jù)采集卡和PLC控制器采集這些信號，組態(tài)軟件構成虛擬儀表，通過調用存貯在數(shù)據(jù)庫中實時更新的某一車鐘和舵輪狀態(tài)下，船舶動力仿真和運動仿真計算輸出的物理參數(shù)和位置參數(shù)，在物理平臺分布式計算機屏幕上顯示這些信息，組成船舶駕駛物理操縱平臺，通過調用船舶動力系統(tǒng)數(shù)學物理仿真模型庫、三維場景模型庫、船型庫、船舶航行區(qū)域電子海圖庫、船舶航行氣候、海況模型庫將物理平臺對船舶操縱的船舶運行狀態(tài)通過OSG三維渲染，在立體屏幕上動態(tài)地反映出來；船舶艙室沉浸式顯示操縱技術是通過調用船舶動力系統(tǒng)數(shù)學物理仿真模型庫、船型庫、三維數(shù)字化船舶虛擬模型庫，在三維立體屏幕上沉浸式顯示船舶機艙的虛擬空間，利用位置跟蹤器跟蹤數(shù)字手套操作的位置，確定其在沉浸式虛擬機艙中對目標設備的操縱；受訓船員在機艙及船舶上各個艙室的值班漫游利用手持式操縱器進行。數(shù)字手套、位置跟蹤器，手持式操縱器通過相應的驅動程序與分布式計算機系統(tǒng)間進行操縱通訊。本發(fā)明一是將三維渲染和立體顯示結合在一起，利用立體顯示眼鏡觀看大屏幕，產生立體效果；二是將仿真的物理操縱平臺通過數(shù)據(jù)采集與通訊的方式和系統(tǒng)相結合，對虛擬的視景進行操縱；三是將數(shù)字手套和感知數(shù)字手套操縱的位置跟蹤器集成到場景交互操作系統(tǒng)中，使人和虛擬場景中的設備能感知式的交互操作，更加直觀的仿真船舶機艙中的虛擬操縱過程；四是將以上各個模塊集成到一個數(shù)學物理運算器仿真計算平臺上，對交互數(shù)據(jù)進行處理，并將其結果反映到視景模型的動態(tài)顯示中，使系統(tǒng)更加接近真實船舶駕駛。其工作原理在分布數(shù)學物理模型仿真計算平臺和分布式船舶運行物理參數(shù)存儲數(shù)據(jù)庫框架下，主要完成以下三個方面的工作I、利用分布式立體顯示原理和OSG三維渲染引擎實現(xiàn)場景的顯示，兩個獨立的顯示系統(tǒng)各自利用四臺投影儀，兩臺PC電腦實現(xiàn)一套分布式立體顯示，利用VC2005編程軟件和OSG渲染引擎開發(fā)的系統(tǒng)分別在兩個立體顯示系統(tǒng)中顯示港口、船舶和沉浸式虛擬機艙等仿真場景。進行被動立體顯示。如系統(tǒng)邏輯圖所示。2、物理操作平臺主要利用船舶車鐘和舵輪操作船舶運動，在運行前將三維視景參數(shù)調入系統(tǒng)中，并接收來自外部物理操縱平臺的操縱參數(shù)，使視景運行，形成具有真實船舶駕駛的效果，同時還可以將接收到導演控制臺設定的風、浪、潮等氣候、海況參數(shù)，通過分布式船舶動力系統(tǒng)數(shù)學物理模型的仿真運算，實時地在顯示系統(tǒng)中反映出船舶的橫搖、加速等情況。動力系統(tǒng)操縱的異常數(shù)據(jù)的變化反映到監(jiān)控計算機上，操作有問題時發(fā)出聲光報
敬禁隹自
m寸IR尼、o3、數(shù)據(jù)手套的主要功能是實現(xiàn)虛擬場景中對設備的閥、開關與按鈕的操縱過程。數(shù)據(jù)手套的5個手指上具有5個彎曲傳感器，可以根據(jù)不同手指關節(jié)的彎曲情況定義不同的動作，通過數(shù)據(jù)手套的不同的彎曲角度可以在虛擬場景中定義不同的閥門開度、開關的閉合、按鈕的按下與彈起等動作。位置跟蹤設備的主要功能是在系統(tǒng)中用于數(shù)據(jù)手套操縱的空間定位跟蹤，用于識別數(shù)據(jù)手套在虛擬三維空間中的位移信息和運動跟蹤捕捉，使參與者在空間上能夠自由移動、旋轉，不局限于固定的空間位置，操作更加靈活、自如、隨意。本發(fā)明的圖形處理部分采用開源的高性能三維圖像渲染工具包0SG，完全由C++和OpenGL編寫而成。由于其免費開放特征和版本信息不斷豐富，系統(tǒng)的可移植性強的特點，因此，具有開發(fā)成本低、能不斷獲取業(yè)界最新開發(fā)方法和思想，使系統(tǒng)不斷完善合理的特點。本發(fā)明采用立體顯示技術，采用四臺投影儀向屏幕投影的方式。平臺可以分為兩類三個模塊，一類是左右眼模塊，分別用兩臺計算機控制，另一類是后臺控制模塊，由一臺服務器計算機控制。本發(fā)明把物理操縱平臺、數(shù)字手套交互操作數(shù)據(jù)信息采集技術、分布式數(shù)學物理模型仿真運算技術、三維立體顯示技術、分布式圖形數(shù)據(jù)庫控制技術等集成在一起，系統(tǒng)集成度提高，功能強大，只要建立相應領域模型，功能稍加修改完善，完全可應用于其他模擬器的開發(fā)操作，比如汽車駕駛、航天航空飛行、海上石油平臺操縱、港口吊車操作等等。
權利要求
1.ー種采用多視屏技術，分別利用兩個雙通道立體屏幕模擬出船舶航行中周邊的三維立體視景和船舶機艙虛擬沉浸式三維立體場景的系統(tǒng)，通過分布式的構架，將兩個場景的仿真控制平臺的運行仿真通過數(shù)學物理運算器集成在一起，當船舶駕駛模擬器平臺發(fā)出操作指令時，系統(tǒng)也將指令發(fā)送到船舶機艙虛擬仿真平臺，在虛擬機艙平臺內的受訓船員可以利用操縱桿控制視景形成船員在虛擬機艙巡回值班，并可以在行走的過程中用數(shù)據(jù)手套與位置跟蹤器對視景中不同類型的虛擬設備操縱手柄、閥門、開關進行操作，向虛擬設備平臺發(fā)出操作指令，該指令被系統(tǒng)傳遞給后臺的數(shù)學物理運算器進行仿真運算，其運算的結果傳遞到船舶駕駛模擬器的系統(tǒng)監(jiān)控的虛擬儀表屏幕上，顯示系統(tǒng)的運行狀態(tài)，對指令和操縱的出錯發(fā)出聲光報警，從而對虛擬船舶進行駕駛、操縱與控制，該系統(tǒng)具有良好的三維沉浸效果，而且還具有環(huán)境感知能力。
2.根據(jù)權利要求I所述的船舶駕駛與艙室操作三維立體視景仿真模擬器裝置系統(tǒng)，其特征是利用被動立體顯示技術，顯示三維場景，借助偏振立體眼睛使之產生立體效果。
3.根據(jù)權利要求I所述的船舶駕駛與艙室操作三維立體視景仿真模擬器裝置系統(tǒng)，其特征為(1)利用物理車鐘平臺，通過對車鐘油門手柄的操作，實現(xiàn)船舶的推進和首側推的推進操縱；利用舵輪的操作，實現(xiàn)對仿真船舶在視景內的轉向控制。利用物理車鐘平臺上的開關按鈕，實現(xiàn)對虛擬船舶駕駛航行燈的控制以及對主機和首側推的操縱控制。利用物理車鐘平臺上的四塊液晶屏幕，實現(xiàn)對船舶駕駛過程中的海圖示、航海雷達、舵角指示顯示和主機運行物理參數(shù)的監(jiān)控顯示；(2)利用操縱手柄，控制機艙三維立體仿真視景在屏幕中的運動軌跡，通過操縱手柄的上、下、左、右鍵的操縱，實現(xiàn)船員在操縱手柄的驅動下，在船艙的三維立體虛擬環(huán)境中值班行走，攀登扶梯等漫游功能；(3)利用位置跟蹤器和數(shù)字手套，實現(xiàn)對船舶機艙三維立體場景中的虛擬設備的閥柄、開關、按鈕的操作。
4.根據(jù)權利要求I所述的船舶駕駛與艙室操作三維立體視景仿真模擬器裝置系統(tǒng)，其特征為利用多臺計算機構成分布式計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)，分別管理駕駛模擬器運行的場景數(shù)據(jù)庫、船型數(shù)據(jù)庫、船型數(shù)字化虛擬模型數(shù)據(jù)庫、船型動カ系統(tǒng)運行數(shù)學物理模型數(shù)據(jù)庫以及船舶航行的海區(qū)電子海圖數(shù)據(jù)庫、氣候及海況數(shù)據(jù)庫，并利用分布式SQL數(shù)據(jù)庫管理這些數(shù)據(jù)。
5.根據(jù)權利要求I所述的船舶駕駛與艙室操作三維立體視景仿真模擬器系統(tǒng)裝置，其特征為系統(tǒng)具有導演控制臺，可以根據(jù)訓練的需要調用4所描述的各種數(shù)據(jù)庫，進行不同船型、不同場景、不同氣候及海況條件下的訓練要求組合。
6.根據(jù)權利要求I所述的船舶駕駛與艙室操作三維立體視景仿真模擬器裝置系統(tǒng)，其特征為利用數(shù)據(jù)采集卡將物理車鐘平臺對船舶駕駛的操縱數(shù)據(jù)進行采集，并傳輸?shù)椒抡娲皠鹰到y(tǒng)運行的數(shù)學物理模型進行運算，計算出船舶的航行速度，舵輪的轉角以及船舶與風浪、海況間的作用關系，并對船舶虛擬航行中周邊的虛擬場景產生互動反應，從而達到操船訓練的目的。
7.根據(jù)權利要求I所述的船舶駕駛與艙室操作三維立體視景仿真模擬器系統(tǒng)裝置，其特征為數(shù)據(jù)采集卡采集的駕駛物理車鐘平臺上的車鐘油門手柄操作信號、舵輪信號和主機等相關備車控制按鈕信號、航行燈按鈕信號等均傳輸?shù)椒从炒皠鹰b置仿真運行的數(shù)學物理模型的輸入數(shù)據(jù)端與機艙沉浸式仿真屏幕通過位置跟蹤器與數(shù)據(jù)手套共同對機艙虛擬仿真物理設備上的閥門、按鈕或開關進行操縱采集到的轉角開度信號、按鈕開關信號共同計算，并將計算的動カ設備運行的物理參數(shù)信號輸出顯示在船舶駕駛仿真物理操縱平臺的動カ設備監(jiān)控屏幕的虛擬儀表上。
8.根據(jù)權利要求I所述的船舶駕駛與艙室操作三維立體視景仿真模擬器系統(tǒng)裝置，其特征為導演臺可以指定船舶航行的區(qū)域，船舶在仿真航行時可以自動計算航速、航向等位置關系，并在電子海圖、航海雷達屏幕上顯示航跡位置，同時，導演臺還可設置本船周邊多艘虛擬船舶的航速、航向等信息，并自動計算這些虛擬船舶與本船之間的航跡關系，并對進入危險區(qū)域的船舶進行提示報警。
9.根據(jù)權利要求I所述的船舶駕駛與艙室操作三維立體視景仿真模擬器裝置統(tǒng)系，其特征為是利用此套虛擬操作設備，可以更改顯示模型和操作原理，從而達到模擬其它場景操作的目的，譬如在多個沉浸式屏幕下多艘船舶的全船對抗操縱訓練、船舶火災應急反應操作、鉆井平臺模擬器、特種汽車駕駛模擬器、特種工程機械操縱模擬器、航空航天模擬器等等，只要建立相應的模型并做出相應的邏輯運算就可以得到相應的模擬器操作平臺。
全文摘要
本發(fā)明涉及船舶駕駛與艙室操作三維立體視景仿真模擬器系統(tǒng)裝置，屬于船舶與海洋工程領域。本發(fā)明裝置在分布式數(shù)學物理平臺模型和分布式船舶運行原理基礎上包含(1)動力系統(tǒng)數(shù)學物理方程建模模塊，(2)三維立體顯示模塊，(3)氣候環(huán)境變化顯示模塊，(4)地理信息環(huán)境變化顯示模塊，(5)數(shù)字手套交互操作模塊，(6)物理平臺模擬操作模塊等六個工作模塊。將以上模塊集成到一個物理平臺，主要解決各模塊之間的集成問題。具體來說，要把三維立體顯示、數(shù)據(jù)庫交換技術、數(shù)字手套交互技術集成到一個平臺中，利用物理操作代替鍵盤事件響應，利用場景變化代替船舶航行和機艙操縱，達到模擬駕駛船舶和在機艙操縱船舶的目的。
文檔編號G09B9/06GK102663921SQ20121007377
公開日2012年9月12日 申請日期2012年3月20日 優(yōu)先權日2012年3月20日
發(fā)明者薛峰, 陳寧 申請人:鎮(zhèn)江科大船苑計算機網(wǎng)絡工程有限公司