基于VR技术的船舶管路装配虚拟仿真系统设计
时间：2020-12-18 20:00:47 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
[摘 要]拟现实技术（VR）是一种利用计算机建立模拟环境，使用户“沉浸”于虚拟环境中并实现用户与模拟环境信息交互的技术。近年来，将虚拟现实技术应用到工程领域，比如航空航天、船舶等成为一种趋势。船舶管路十分复杂，是船舶的重要区域，为了提高船舶的运行稳定性、安全性，对船舶管路装配至关重要。本文主要对基于VR技术的船舶管路装配虚拟仿真系统设计进行了简要的分析。
[关键词]VR技术；船舶管路；装配
中图分类号：TP594 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）42-0042-01
1虚拟现实技术的阐释
虚拟现实（VirtualReality，VR）技术及其思想发展了很多年，但“VirtualReality”这一词，作为一个完整的学术名称，是在1989年，由美国VPL公司的创始人拉尼尔（JaronLanier）首次提出并在相关刊物上使用，引起了公众以及学术界的认可与重视。拉尼尔认为，“VirtualReality”指的是由计算机生成的三维交互环境，用户参与到这些环境中，获得相应的角色，从而得到体验。在拉尼尔提出“VirtualReality”之后，又有许多学者专家对此概念进行了不同层次的探讨。在1994出版的《虚拟现实初阶》一书中，虚拟现实被表述为：“潜在地提供了一种新的人机接口方式，通过用户在计算机创造的世界中扮演积极的参与者角色，虚拟现实正在试图消除人机之间的差别。”我国著名的科学家钱学森教授认为，“VirtualReality”是指用科学技术手段向接受方输送视觉的、听觉的、触觉的以至嗅觉的信息，使接受者感到如身临其境一般，但这临境感不是真的身临其境，只是感受而已，是虚幻的。为了使人们便于理解和接受该技术的概念，钱学森教授按中国传统文化的语义称虚拟现实技术为灵境技术。这个灵境概念正越来越多地被中国科技界的人士所引用。我国著名的计算机科学家汪成为教授认为，虚拟现实技术是指在计算机系统和硬件配置及各类数据传感器（如图形图像生成系统、加速传感器、跟踪定位单元、反馈系统以及特制可穿戴设备等）的支持下构建的一个真实的、三维立体的，具有一定的视觉、听觉、触觉、嗅觉、痛觉等感知反馈能力的虚拟环境。让使用者在这类软硬件装置与可穿戴设备的支持下，能自然的与这一通过虚拟现实技术所构建的“虚拟”世界中对象进行交互。它是现代高性能计算机系统、人工智能、计算机图形学、人机接口、传感器技术、立体影像技术、立体声响、测量控制、计算机仿真技术等高新技术相互融合的成果。目的是建立起一个更为和谐自然的人工环境，消除人机之间的差别。我国虚拟现实领域的资深学者、中国仿真学会理事长，工程院院士赵沁平教授认为：虚拟现实是以计算机技术为核心，结合相关科学技术，生成与一定范围真实环境在视、听、触、感等方面高度近似的数字化环境。用户借助必要的装备与数字化环境中的对象进行交互作用、相互影响，可以产生亲临其境的感受和体验。
综上所述，虚拟现实技术是以计算机技术为核心，辅以其他多项高新技术，生成逼真的视觉、听觉、嗅觉、触觉甚至于痛觉等集成式的交互性虚拟环境，使用者可以佩戴必要的可穿戴装置，如头戴式显示器（HMD）、数据手柄等，以还原自然的方式与计算机所生成的三维虚拟环境中的物体进行互动交流，并相互影响，从而获得身临其境的逼真体验。
2船舶管系虚拟仿真装配分析
2.1管系三维实体模型的优化
船舶管路系统三维实体模型的建立和模型质量的优劣，将直接影响到后续实现该系统虚拟装配和漫游的仿真效果，故优良的三维实体模型是保障该系统实现其功能的基础。大部分船舶设计软件都可以导出3DsMax格式，本文使用3DsMax软件进行动力舱管路系统的三维实体建模。图1显示了部分管系的三维实体模型图，其中（a）是冷却淡水管系模型，（b）是燃油输送管系模型，（c）是压载水管系模型。为了保证模型完整性和仿真度，还要对模型进行优化，主要是减少三角面，降低模型段数和数量，避免因模型文件而影响虚拟装配的仿真流畅度。另外对模型渲染要适度，将渲染效果以图片形式保存，提高运行效率。
将建成的实体模型统一以*.FBX文件格式导出，这样不会造成轴向旋转和重合问题。另外，在导出时可以按管路系统或管路模块分别导出，以保证计算输出效果；但不应改变模型的位置坐标，防止出现位置重叠不易区分。*.FBX文件可以导入Unity3D软件。
2.2 管系的布局优化
管路系统布局优化是指：在管路布局所在区域的两点或者多点之间，依据现有的布局方案，通过相关的物理、生产、安全、经济等方面的约束，根据实际所需情况弱化相关的非必要条件，以选择能够满足管路系统正常运行的最优或次优的布局优化的方法。布局优化的实现方法众多，目前主要使用的方法有：网络优化法、遗传算法、单元产生法和基于操作维修的布局优化法等。其中基于操作维修的布局优化法更侧重于管路系统的实际操作情况，约束的条件相对容易得到，优化布局比较容易确定，有利于后期管路系统虚拟装配的研究。
2.3 漫游控制
虚拟装配过程中需要随时对管系进行漫游检查，不仅有助于用户更好地了解管系模型，还能对其中关鍵部位进行有效地调整。该功能的实现采用的JavaScript脚本编程，设计人机交互控制，采用键盘和鼠标可以自由选择漫游路径。
2.4 空间关系对比
由于管路系统在布置空间存在干涉、交叉、关联等影响，再结合船舶生产、运营、安全、操作、维护等方面的要求，船舶的管路布置存在着多方面的约束。在管路系统装配过程中，常需要在系统中确定管路系统与主要设备、船体以及其他管路间的位置关系，因此在系统设计时增加了相应的模型控制。
2.5模型碰撞检测
动力舱管路碰撞检测，能有效避免在虚拟装配过程中发生管路间和管路与周围环境间的干涉情况，同时也可以对虚拟装配路径的合理性进行检查，碰撞检测还能够增强操作者在系统内漫游时的参与感与真实感。本文在虚拟装配模型中，采用碰撞器检测的方式（即在两个物体上添加碰撞器组件和刚体组件），通过脚本程序获取和调用记录碰撞事件发生的各种信息，来实现对碰撞事件的处理和相应的动作执行，通过选用规则碰撞器可以提升计算机的运行速率。
2.6 管路分段预装法的实现
管路分段预装法首先是对管路系统与所在区域的船体组件完成小组件安装，形成小组件，如图2（a）所示；然后将各小组件组装形成大组件，并完成小组件间管路的连接，如图2（b）所示；再接着是对大组件进行组装分段，如图2（c）所示；最后将分段及管路部件组装成总段，如图2（d）所示。
结语
随着虚拟现实和视景仿真技术的发展，采用三维虚拟现实技术进行船舶管路装配仿真系统给你设计，在虚拟现实环境中进行船舶管路装配工况模拟，能有效控制风险，降低成本开销。
参考文献
[1]陈炉云，易宏，张裕芳.基于虚拟现实的船舶装配仿真分析[J].武汉理工大学学报，2004（02）：62-65.
