CN103106817A - 一种基于增强式虚拟现实系统的航海科技仿真系统 - Google Patents

Abstract

一种基于增强式虚拟现实系统的航海科技仿真系统，该系统包含网络连接的教练员控制台、综合船桥仿真系统、船舶驾驶舱室和虚拟显示系统。首先以超大型集装箱船舶桥楼为原型，仿真最新航海科技设备，如雷达、电子海图及海上通讯设备，然后以大视角的全景虚拟显示系统展示世界各港口水域与不同船舶的运动，模拟多船舶在海上的行为，最后把虚拟现实环境叠加在真实的综合驾驶平台之上，形成面向航海的增强式航海科技仿真系统。本发明运用最新的当代科技成果让普通大众体验航海，通过该平台展示当代航海科技水平及航海之未来，让参与者都可以感受与体验不同船舶在各种气象、海况、交通环境条件下的驾驶，为每一民众展示航海科技的魅力。

Description

一种基于增强式虚拟现实系统的航海科技仿真系统

技术领域

本发明涉及一种基于增强式虚拟现实系统的航海科技仿真系统。

背景技术

在20世纪下半叶，伴随整个科学技术的迅猛发展，航海科学技术的进步日新月异，然而，在航海科学技术方面我国相对落后于西方国家，主要是学习、借鉴、引进、消化、吸收西方发达国家的航海科学技术成果，为我所用。我国原创性的航海科技成果较少，先进的船舶动力装置和系统大都凭籍外国专利制造，先进的航海仪器设备基本上依赖进口，新型特种专用船舶还需在国外船厂订造，在制订和修改国际航海法规和技术标准时中国还未掌握主动权和引导能力。这一状况与我国海洋运输业和船舶制造业在规模上下名列世界前列的状况还不相适应。因此，我们要深刻认识到，拥有自主发展的先进航海科学技术，中国才能真正成为世界航海强国。

因此航海科技受到各界的高度重视，充分意识到航海科技的发展对我国海上运输事业、海上资源开发、海上安全保障的发展有着深远的影响。在国家“十一五”规划发展过程，为了配合上海国际航运中心的建设，成立了中国航海博物馆。在中国航海博物馆不仅希望展示中国作为航海强国的历史，同时也希望展示当代及未来航海科技。在此背景条件下，研制与开发了航海科技仿真平台。航海科技方针平台研究及其在科普展览馆中的运用（以下简称本项目或航海模拟器体验系统）旨在于在现代化的科普展馆中运用最新的当代科技成果让普通大众体验航海。希望通过该平台展示当代航海科技水平及航海之未来，让参与者都可以感受与体验不同船舶在各种气象、海况、交通环境条件下的驾驶，为每一民众展示航海科技的魅力。

但是在研制航海科技仿真平台的时候，为了体现当代航海科技特征，无论是展馆的空间设计，还是仿真系统的研制都面临很多困难和挑战。其中航海仿真系统与平台研制涉及到虚拟现实技术、船舶操纵、计算机电子技术、通信导航技术、软件工程等多学科与专业。例如：为了体现真实的船舶驾驶，不得不集成并仿真大量真实的船用航海仪器，包括操舵装置、车钟遥控装置、雷达、罗经、计程仪、定位仪、电子海图等。另外为了感受船舶驾驶过程，引入虚拟现实系统叠加在真实世界环境中，增强参与者的互动性与沉浸感。因而先进船舶驾驶室的仿真与虚拟现实系统的研究是航海科技仿真平台的关键技术问题，集成与融合船舶驾驶先进仪器设备与虚拟现实系统是航海科技仿真平台的核心问题。

发明内容

本发明提供的一种基于增强式虚拟现实系统的航海科技仿真系统，集船舶操纵培训与航海科普教育、休闲、娱乐于一体，在物理仿真真实性、环境仿真真实性和行为仿真真实性三方面均能体现我国最新的模拟器技术水平。

为了达到上述目的，本发明提供一种基于增强式虚拟现实系统的航海科技仿真系统，该系统包含网络连接的教练员控制台、综合船桥仿真系统、船舶驾驶舱室和虚拟显示系统。

所述的综合船桥仿真系统包含计算机处理单元，以及分别与该计算机处理单元连接的操舵方式选择单元、自动舵调整单元、罗经指示器单元、模拟仪表、视点变换控键单元、锚缆控制单元、报警单元、信号灯控制单元、航行信息显示单元、电子海图显示与信息系统单元、雷达与ARPA单元、驾驶员操纵台。

所述的教练员控制台包括电路连接的教练员控制装置、视景监视器、模拟VHF和打印机。

所述的虚拟显示系统采用250度柱形立体投影，采用八通道大屏幕立体视景投影。

本发明运用最新的当代科技成果让普通大众体验航海，通过该平台展示当代航海科技水平及航海之未来，让参与者都可以感受与体验不同船舶在各种气象、海况、交通环境条件下的驾驶，为每一民众展示航海科技的魅力。

附图说明

图1是本发明的结构框图。

图2是综合船桥仿真系统的结构框图。

具体实施方式

以下根据图1和图2，具体说明本发明的较佳实施例。

如图1所示，本发明提供一种基于增强式虚拟现实系统的航海科技仿真系统，该系统包含网络连接的教练员控制台101、综合船桥仿真系统102、船舶驾驶舱室103（型号为SMU-SHIPHANDLING-ROOM1000）和虚拟显示系统104。

所述的教练员控制台101供教练员设置展示项目，控制展示与互动过程，监控参与者操作情况以及回放操作过程等，利用以电子海图为背景的管理信息系统来完成水域的选择、船舶类型的选择、天气状况的设置、海况的设置、交通环境的设置等，然后对整个系统进行状态监视。

该教练员控制台101包括电路连接的教练员控制装置（型号为SMU-INSTRUCTOR 200）、视景监视器、模拟VHF（甚高频电话）和打印机等设备。

所述的教练员控制台101能够完成各种情景的设置与管理、模拟船舶的组织控制以及情景的模拟等，因此教练员控制台具有但不限于以下特征功能：

正确显示训练区域的电子海图，支持S57数据的更新；

海域浮标编辑；

航道、警戒区、锚区等的编辑，并且具有地图全局发布功能；

潮汐与流场编辑与管理；

气象环境编辑与管理；

航行计划编辑与管理；

本船控制（船舶操纵、信号灯、拖轮、锚缆等操作）；

本船航行信息监控；

目标船控制（添加、修改、删除目标船、操纵目标船、信号灯）；

目标船航行信息监控；

本船与目标船具有真实的水动力数学模型；

本船与目标船支持随动与自动两种模式，其中自动模式包括航向导航与航迹导航；

设定VTS（船舶交通管理系统）终端目标属性，可以模拟AIS（船舶自动识别系统）目标与雷达回波目标；

设定本船故障，包括碰撞、火灾等；

训练过程视频记录；

训练过程音频记录；

训练过程打印。

所述的综合船桥仿真系统102包含计算机处理单元10212，以及分别与该计算机处理单元10212连接的操舵方式选择单元1021（型号为SMU-PILOTMODE1000）、自动舵调整单元1022（型号为SMU-AUTOPILOT1000）、罗经指示器单元1023（型号为SMU-GYRO1000）、模拟仪表1024（型号为SMU-METER1000）、视点变换控键单元1025（型号为SMU-VIEWCONTROL1000）、锚缆控制单元1028（型号为SMU-ACHOR1000）、报警单元1026（型号为SMU-ALARM1000）、信号灯控制单元1027（型号为SMU-SIGNALCONTROL1000）、航行信息显示单元1029（型号为SMU-CONNING1000）、电子海图显示与信息系统单元10210（型号为SMU-NAVIPILOT1000）、雷达与ARPA单元10211（型号为SMU-RADAR1000）、驾驶员操纵台10213（型号为SMU-SHIPHANDLING1000）。

所述的操舵方式选择单元1021可进行操舵方式选择：配有双随动舵轮、简单操手柄和相关按钮，可进行自动舵、随动舵和简单舵的切换和操作。操纵方式（1）自动：灯亮，面板配置了较完整的自动舵调整控钮；（2）随动：灯亮，用舵轮操舵；（3）简单：灯亮，用手柄操舵。

所述的自动舵调整单元1022用于初始航向设定和自动舵设置，包括：自动舵航向数据设定、灵敏度调节、微分调节和自动舵偏航、罗经故障、失电报警等。

所述的罗经指示器单元1023配有罗经指示器实时显示船舶航向。

所述的模拟仪表1024配有舵轮指示表和舵角指示表，指示舵轮位置、舵角：-35~+35度。

所述的视点变换控键单元1025可以改变观察者的视点位置与方向，进行全方位的操纵，实现360度漫游，设计直观的指示灯提示视点位置。

所述的报警单元1026用于对各种船舶故障进行声光显示。

所述的信号灯控制单元1027用于开关船舶上的各种导航信号灯。

所述的锚缆控制单元1028用于仿真船舶上控制锚机缆机的控制单元。

所述的航行信息显示单元1029为19英寸液晶显示器，用于显示模拟训练的有关仪表和信息，包括：航向、航速、主机转速、回旋角速度、水深、航程和运行时间等，为操作人员提供本船与环境信息，且能进行必要的设置和操作等，当被模拟船型仪表与现有仪表差别较多时，适当显示需增添的指示仪表，同时在船舶靠离码头期间，提供以显示船舶操纵情况的二维图象。

所述的电子海图显示与信息系统单元10210用于运行电子海图显示与信息系统程序并显示电子海图进行船舶导航。

所述的雷达与ARPA（自动雷达标绘仪）单元10211用于运行雷达与ARPA程序并显示雷达图像进行船舶导航。

所述的船舶驾驶舱室103用于模拟船桥驾驶室布局，包括驾驶室内部构造与设备布局。

所述的虚拟显示系统104采用250度柱形立体投影，采用八通道大屏幕立体视景投影(水平视角250°，环形幕)、投影半径7.6米；采用专业级被动立体投影系统，每个通道2台专业级广角投影机，采用被动立体系统配件，视景计算机选用高性能专业图形工作站，具有立体投影效果，使环境气氛更加逼真。

采用16台投影仪分成8个通道产生水平视角250度的立体投影系统，通过几何校正与融合技术实现无缝拼接与融合；

以超大型集装箱船舶的综合船桥系统为主要仿真对象，让游客对现代船舶有直观的真实感觉。

在空间上，把香港、洋山港和黄浦江的立体视景融为一体，其间用短暂的虚幻过渡分隔，把我国三个迷人的海港景色联系在一起。

在时间上，可以展示任何港口一天不同时间的海洋气象及景象。

在视觉上，250度立体视觉虚拟现实环境,提高模拟器的真实感和沉浸感。

在展示方式上，根据不同的观众对象，设置自动航行和人工驾驶二种方式。

本发明中所述的超大型集装箱船舶的综合船桥系统是指仿真对象是超大型集装箱船舶的驾驶舱室与驾驶台；

本发明中所述的超大型集装箱船舶是指能够载运1万标准集装箱的船舶；

本发明中所述的在空间上，把香港、洋山港和黄浦江的立体视景融为一体是指通过虚拟现实技术，把运动船舶从一个港口自动无缝地切换到另外一个港口，避免切换港口花费时间，满足游客可以欣赏更多的三维港口海域；

本发明中所述的在时间上，可以展示任何港口一天不同时间的海洋气象及景象是指在虚拟场景中，可以根据需要设置水文气象条件，同时也可以设置不同的海况，并且可以观察到不同时间段，如白天晚上显示不同的景色；

本发明中所述的在视觉上，250度立体视觉虚拟现实环境是指大角度（水平视角范围达到250度）的弧形立体投影系统；

本发明中所述的在展示方式上，根据不同的观众对象，设置自动航行和人工驾驶二种方式是指，其一自动航行模式：主要针对非航海专业群体，采用自动航行的形式，结合语音解说，浏览相关港口风光及有趣的港口知识。其二人工驾驶模式：主要针对航海专业群体，观众可以亲自操纵大型海轮航行在相关港口，船舶操纵的六自由度运动特性数学模型基本与实船一致，展示我国航海模拟器的仿真技术水平。

本发明具有以下特点：

视景驱动引擎: OpenGL；

数字非线性图像映射，图像显示流畅，帧速率：>= 25帧；

视景系统能显示水平视角45度的景物（根据实际的投影屏幕决定），垂直视角30度；

实时渲染模拟航行水域三维真实场景模型，视景中的景物具有丰富的纹理；

岸线、航标等主要碍航物或航标的位置准确，船舶尺度准确且与岸线等的显示比例一致，主要显著标志建筑的外形、纹理色彩等尽可能与实物一致；

显示全部导航标志，能见距离、闪烁规律严格按有关规则确定；

设置的各种航行信号灯可以真实的反映在视景中；

在航船舶具有与船速相应的船尾尾迹效果；

气象环境模拟：雾（浓度0～100级可调）、雨、雷、闪电、雪花；

海浪（1～12级风流可调），风浪方向可调；

模拟全天候航行环境（白天、夜晚、晨昏等）；

本船船首图形：船首图形与其他景物协调运动，能体现本船的纵摇、横摇以及随运动波浪的运动；

本船船首浪花：船首浪花与船舶运动速度、航向相对应，并随波浪运动。

本发明运用最新的当代科技成果让普通大众体验航海，通过该平台展示当代航海科技水平及航海之未来，让参与者都可以感受与体验不同船舶在各种气象、海况、交通环境条件下的驾驶，为每一民众展示航海科技的魅力。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (4)

1.一种基于增强式虚拟现实系统的航海科技仿真系统，其特征在于，该系统包含网络连接的教练员控制台（101）、综合船桥仿真系统（102）、船舶驾驶舱室（103）和虚拟显示系统（104）。

2.如权利要求1所述的基于增强式虚拟现实系统的航海科技仿真系统，其特征在于，所述的综合船桥仿真系统（102）包含计算机处理单元（10212），以及分别与该计算机处理单元（10212）连接的操舵方式选择单元（1021）、自动舵调整单元（1022）、罗经指示器单元（1023）、模拟仪表（1024）、视点变换控键单元（1025）、锚缆控制单元（1028）、报警单元（1026）、信号灯控制单元（1027）、航行信息显示单元（1029）、电子海图显示与信息系统单元（10210）、雷达与ARPA单元（10211）、驾驶员操纵台（10213）。

3.如权利要求1所述的基于增强式虚拟现实系统的航海科技仿真系统，其特征在于，所述的教练员控制台（101）包括电路连接的教练员控制装置、视景监视器、模拟VHF和打印机。

4.如权利要求1所述的基于增强式虚拟现实系统的航海科技仿真系统，其特征在于，所述的虚拟显示系统（104）采用250度柱形立体投影，采用八通道大屏幕立体视景投影。

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