（机械电子工程专业论文）基于虚拟现实的机电设备仿真控制及设计自动化系统开发.pdf

摘要 摘要 众所周知，大型、重型机电设备具有体积庞大、价格昂贵、 设计和操作复杂、生产环境恶劣等缺点，随意搬运这样的设备非 常困难，而且不允许随便运行和操作这些设备，对设计人员的专 业素质要求也比较高由于上述原因，国内所有的工厂、院校都 无法普及针对大型、重型设备的职业化培训和教育本课题所研 发的大型、重型机电设备的设计自动化和三维仿真控制系统成功 解决了这些问题，利用该系统能够使设计者和操作者熟悉设备的 结构、性能和特点，掌握严格的操作技能，培训出专业的操作人 员 首先，针对当前模拟仿真技术的发展与应用现状，采用“以 人为本”的系统设计理念、提出了“三维仿真控制一体化”的概 念和“虚实一体化”的新方法 其次，在上述理论和方法基础上利用v r m l 、j a v a 、通信和 多媒体等技术开发出单机设计自动化和三维实时仿真控制系统： 利用产品概念设计d a r f a d 系统对产品进行建模，借助3 d m a x 转化成v r m l 文件，然后根据需要修改v r m l 文件并编写j a v a 程序，创造性地提出并研发了d a r f a d 系统与三维虚拟场景之间 所遵守的通信协议，所编写j a v a 程序能够读取这个协议文件并对 相关信息进行处理，体现出运动件和基础件之间相互运动以及装 配的关系，从而实现了基于i n t c r n e t 的机电设备的三维实时仿真 控制系统。借助本系统提供的较高互动性、真实感的三维虚拟空 间环境实现课堂理论学习与工厂现场实践的无缝链接利用该套 系统已经成功开发了汽车驾驶模拟培训系统、弹簧分拣机模拟仿 真，腹腔镜手术模拟培训系统、虎钳夹具和滚字夹具仿真程序的 实现 最后，以大型加工设备一一数控车削中心为实例进行了实 用、系统、详细的开发工作本文作者在平台的开发过程中，对 虚拟现实技术作了深入的研究，尤其对虚拟现实与外部数据接口 ( e a i ) 作了大量的工作文章着重介绍了该操作系统的体系结 山东大学硕士学位论文 构和实现机理，并给出了具体的实现方法、关键技术要点和优化 途径作者将该系统试探性的应用到设备远程监控领域，探索出 一条工厂设备的远程监控和故障诊断的途径 本系统具有成本低廉、开发周期短、跨平台、较高的可靠性 和安全性等特点，可广泛应用于计算机教育( c a i ) 、网络远程教 学和三维远程实时监控与检测等重大型、重型机电设备的设计 自动化及三维仿真控制系统开发出来后。已成功应用于设备的展 示、高等职业教育、工人的技术技能培训与考核中，得到用户的 一致好评 关键词v r m l ；j a v a ；d a r f a d ；c a i ；远程网络教学 l i a b s l r a c t a b s t r a c t a sw ea l lk n o wt h a tl a r g e s c a l ea n dh e a v ye q u i p m e n ta l w a y sh a s b i gs h a p e ，h i g hp r i c e ，c o m p l e xd e s i g na n do p e r a t i o n ，a n d a b o m i n a b l ep r o d u c tc o n d i t i o n i ti sd i f f i c u l tt o o p t i o n a l l yc a r r y t h i s e q u i p m e n ta n dr u ni t a tr a n d o m t h ed e s i g n e rm u s th a v e e x c e l l e n ts p e c i a l i t yd i a t h e s i s b e c a u s eo ft h o s er e a s o n s ，a l m o s t e v e r yf a c t o r ya n ds c h o o lc a nn o tw i nw i d e s p r e a dt r a i n i n ga n d e d u c a t i o no nl a r g e s c a l ea n dh e a v ye q u i p m e n t t h i sp a p e rd e v e l o p s as y s t e mo fp r o d u c td e s i g na u t o m a t i z a t i o na n dt h r e e d i m e n s i o n s i m u l a t i o na n dc o n t r o l ，w h i c hh a s s u c c e s s f u l l y r e s o l v e dt h o s e p r o b l e m s b yu s i n gt h i ss y s t e m ，t h ed e s i g n e ra n dm a n i p u l a t o rc o u l d e a s i l ya c q u a i n te q u i p m e n t s s t r u c t u r e ，c a p a b i l i t y ，c h a r a c t e ra n d s t r i c to p e r a t i n gs k i l l f i r s t l y ，c o n s i d e r i n gt h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n o fc u r r e n t s i m u l a t i o nt e c h n i q u e ，t h eau t h e rha sad o p t e dt h ed e s i g n i n gi d e ao f “t a k i n gm a na st h ef o u n d a t i o n ”。t h ec o n c e p to f “t h r e e - d i m e n s i o n s i m u l a t i o ni n t e g r a t e dc o n t r o lt e c h n o l o g y ”a n dt h en e wm e t h o do f “i n t e g r a t i o n0 fv i r t u a l a c t u a l ” s e c o n d l y ，b a s e do nt h o s et h e o r i e s ，t h i sp a p e rd e v e l o p sl o c a l t h r e e d i m e n s i o ns i m u l a t i o na n dc o n t r o ls y s t e m ，w h i c hc o m b i n e s v r m l ，j a v a ，c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dm u l t i m e d i ai n v o c a l i t y ：t h ea u t h o r u t i l i z e p r o d u c t sc o n c e p t u a ld e s i g n d a r f a d s y s t e mt om o d e it h ep r o d u c t s ，a n dt r a n s f o r mi n t ov r m lf i l et h r o u g h 3 d m a x 。t h e nr e v i s ev r m lf i l ea n dw r i t ej a v ap r o c e d u r ea c c o r d i n gt ot h e n e e d t h ea u t h o re r e a t i v e l yp r o p o s ea n d d e v e l o p t h ec o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l sb e t w e e nd a r f a ds y s t e r na n dt h r e e - d i m e n s i o n f t c t i t i o u ss c e n e t h a tc a nb er e a da n dde i tw i t hre l e v a n ti n f o r m a t i o nb yt h ej a v ap r o c e d u r e w h i c he m b o d yt h em o v e m e n ta n da s s e m b l i n gr e l a t i o n sb e t w e e nt h e m o v e m e n ta n db a s i c p a r t s t h e a u t h o rh a ss u c c e e di n a c h i e y i n g n 山东大学硕士学位论文 t h r e e - d i m e n s i o nr e a l t i m e s i m u l a t i o na n dc o n t r o l s y s t e m o ft h e e l e c t r o m e c h a n i c a l e q u i p m e n t b a s e do ni n t e r n e t us i n gt h e v i r t u a l i n t e r a c t i v et e a c h i n ge n v i r o n m e n ti nt h r e e d i m e n s i o n c y b e r s p a c e t h a t p r o v i d e db yt h eo p e r a t i o ns y s t e mh a v ee x c e l l e n t l yr e a l i z eg a p l e s sl i n k f r o mc l a s s r o o m st of a c t o r i e s ，a n du t i l i z i n g i ti th a sa l r e a d ys u c c e e d e di n d e v e l o p i n ga r t i f i c i a lr e a l i z a t i o no fp r o c e d u r e ，w h i c hi n c l u d e sa u t o m a t i o n 0 s t e e r i n gs i m n l a t i o nt r a i n i n gs y s t e m 。s p r i n gs o r t i n gm a c h i n es i m u l a t i o n ， p e r i t o n c o s c o p eo p e r a t i o ns i m u l a t i o nt r a i n i n gs y s t e m ，v i c ej i ga n dr o l l w o r dj i g l a s t l y ，t h e a u t h o r t a k e sn u m e r i c a lc o n t r o l t u r n i n g c e n t e r ， l a r g e s c a l em a c h i n ge q u i p m e n ta st h ee x a m p l et oc a r r y0 npr a c t i c a l ， s y s t e ma n dd e t a i l e dd e v e l o p m e n tw o r k i nt h ec o u r s eo fd e v e l o p i n gt h i s s y s t e m ，t h ea u t h o rh a sd e e p l yi n v e s t i g a t e do nv r m le s p e c i a l l yd o i n g l o t o fw o r ko nt h ei n t e r f a c e sb e t w e e nv r m la n de x t e r n a ld a t a ( e a i ) t h i s p a p e rp r e s e n t ss y s t e m ss t r u c t u r ea n dr e a l i z i n gm e c h a n i s ma n da l s og i v e s r e a l i z i n gm e t h o d s ，k e yt e c h n o i o g ya n do p t i m i z a t i o na p p r o a c h e s t h e a u t h o rh a s d o n et e n t a t i v ew o r kt om a k et h i ss y s t e ma c h i e v er e m o t ec o n t r o l a n df a u l tdi a g n o s i saf t e ras e r i e s0fke y t e c h n i cbr e a k t h r o u g h s t h es y s t e r nh a sl o wc o s ta n dd e v e l o p i n gp e r i o d ，s p a n i n go p e r a t i n g s y s t e m sa n dh i g hr e l i a b i l i t ya n ds e c u r i t y i tc a nb ew i d l yu s e di nc o m p u t e r a i d e di n s t r u c t i o n ，r e m o t ee d u c a t i o n ，r e m o t et h r e e d i m e n s i o nr e a l t i m e c o n t r o la n ds oo n w eh a v ea ir e a d ys u c c e e d e di na p p l i n gt h es y s t e mt o h i g h e re d u c a t i o na u d t r a i n i n ga n de x a m i n i n gs k i l l e d w o r k s k e y w o r d s ：v r m l ；j a v a ；d a r f a d ；c a i ；n e t w o r k e d u c a t i o ni na d i s t a n c e 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明弓l 露的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：二盛丝 网期：2 q 丛生垒旦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解由东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅：本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 海容编入有关数据库进行检索，可以采霜影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) “一一：韭翩签如期：一 第l 章绪论 1 1 概述 第1 章绪论 随着虚拟现实、网络，计算机图形和实时控制等技术的发展， 对现有的仿真、控制技术提出了更高的要求传统仿真使用的平 面动画实时模拟技术，已无法满足人们的需要，人们迫切希望看 到一个三维的、具有高度沉浸感和交互性的实时仿真环境综合 了计算机图形学、图像处理学、模式识别、智能接口、人工智能 传感与测量技术，网络和并行处理等多学科知识的虚拟现实的出 现，彻底解决了这一问题本课题把虚拟现实技术应用到教育和 工业控制领域，开发出了三维仿真控制及设计自动化系统，该系 统具有广阔的应用前景和现实意义。 仿真与控制随着现代计算机和网络技术的发展，越来越受到 人们的重视，并且成为了一项多学科的综合技术全文将围绕开 发机电设备仿真控制及设计自动化系统的过程进行阐述，论文的 重点会放在开发过程中所涉及的核心技术、开发经验上在本章 节，从课题的提出和实际意义，国内外研究现状和本课题主要研 究内容三个方面加以阐述 1 2 课题的提出及实际意义 1 2 1 课题的来源和提出 伴随着社会信息化的发展，利用计算机进行辅助教育 ( c o m p u t e rb a s e de d u c a t i o n ，缩写为c b e ) 成为新时代的特征 借助计算机帮助或代替教师执行部分教学任务，为学生传授知识 和提供技能训练，直接为学生服务的计算机辅助教学“1 ( c o m p u t e ra s s i s t e di n s t r u c t i o n ，缩写为c a i ) 成为最重要的方 面国内职业教育、岗前培训迫切需要具有交互性强、能够个别 化教学，学习效率高、科学性强等特点的c a i 软件来实现针对机 电行业的计算机辅助教育工业监控领域也在探寻一条实现远程 山东大学硕士学位论文 i l l 仿真与控制的路线，积极探索新技术和新方法多年来，产品概 念设计自动化一直停留在理论阶段并没有实际应用的典型例 子虚拟现实技术v r m l h l l ( v i r t u a lr e a l i t ym o d e l i n gl a n g u a g e ) 和j a v a 以其独特的优点，逐渐显示其重要地位，并成功解决了上 述问题。依靠以上技术开发出了机电设备仿真控制及设计自动化 系统，开辟了计算机辅助教育、工业监控和产品概念设计自动化 的新途径 。 本课题是由济南星科经贸有限公司委托山东大学c a d 省重 点实验室开发，其目标是开发一套完整的教学系统，从而避免目 前课堂学习( 理论) 与工厂现场( 实践) 脱节的问题该课题以 山东大学c a d 省重点实验室出色完成的国家8 6 3 项目( 机械产 品设计自动化软件系统一一d a r f a d ) 为基础，成功实现了系统 开发，并把该系统扩展到工业监控领域 仿真技术、计算机控制技术是实现本课题的核心技术，利用 先进的虚拟仿真技术，完成机电设备仿真控制系统的开发下一 节将对仿真与控制的概念、原理进行简单表述 1 2 2 仿真控制技术概述及发展 仿真技术概述 仿真( s i m u l a t i o n ) 又称为模拟，原指对客观事物的模仿 随着技术的发展和需要，人们原始的模仿行为才演化为系统的技 术手段和方法1 9 6 1 年，g w m o r g e n t h a t e r 首次对“仿真”进行 了技术性定义，即“仿真意指在实际系统尚不存在的情况下对系 统或活动本质的实现7 1 9 8 4 年，o r e n 在给出了仿真的基本概念 框架“建模一实验一分析”的基础上，提出了“仿真是一种基于 模型的活动”的定义，被认为是现代仿真技术的一个重要概念 实际上，随着科学技术的进步，“仿真”的技术含义不断地得以 发展和完善，从a a l a n 和b p r i n t s k e r 撰写的“仿真定义汇编” 一文和牛津英文字典中仿真定义的变化( 初期为：“t oi m i t a t e c o n d i t i o n so fs i t u a t i o nw i t ham o d e lf o rc o n v e n i e n c eo rt r a i n i n g ” 到“t h et e c h n i q u c0 fi m i t a t i n gt h eb e h a v i o ro fs o m es i t u a t i o no r 2 第l 章绪论 s y s t e m ( e c o n o m i c ，m e c h a n i c a l ，e t c ) b ym e a n so f a na n a l o g o u s m o d e l ，s i t u a t i o n ，o ra p p a r a t u s ，e i t h e rt og a i ni n f o r m a t i o nm o r e c o n v e n i e n t l yo rt ot r a i np e r s o n n e l ”c 7 1 ) 中可以清楚地观察到这 种演变过程今天，仿真的一个比较流行于工程技术界的定义是： 仿真是以控制论、计算技术和相似原理为基础，以计算机和各种 物理效应设备( 它模拟再现真实世界环境) 为工具，借助系统模 型对真实的或设想的系统进行试验研究的一门综合性技术】 现代仿真技术均 是在计算机支持下进 行的，因此，系统仿真 也称为计算机仿真系 统仿真有三个基本的 活动。即系统建模、仿 真建模和仿真实验，实 图i - i 计算机仿真三要素及基本活动 现这三个活动联系的是系统仿真的三要素，即系统、模型、计算 机( 包括硬件和软件) ，它们的关系可用图1 1 描述现代仿真技 术将仿真活动扩展到上述三个方面，并将其统一到同一环境中： 在系统建模中使基本定律及系统辨识等方法计算机程序化，用仿 真方法确定实际系统的模型，采用基于模型库的结构化建模和面 向对象建模( o b j e c t o r i e n t e dm o d e l ) 方法，并且在类库的基础 上实现模型拼合与重用；在仿真建模中涌现了许多新算法和新软 件，它们采用模型与实验分离技术；在仿真实验中将实验框架与 仿真运行控制区分开来 仿真技术的应用与虚拟仿真 由于仿真技术具有良好的可控性，无破坏性、安全、不受气 象条件和空间场地的限制，可多次重复使用，以及经济性等特点， 可广泛应用于系统规划、方案论证，设计、研制、试验评估、运 行维护、系统改进、人员训练等方面1 国际上一致认为：“仿真 是迄今为止最有效、最经济的综合集成方法，是推动科技进步的 战略技术”“” 近年来信息技术的发展，特别是高性能并行处理技术、可视 山东大学硕士学位论文 化技术、分布处理技术，多媒体技术和虚拟现实技术的发展，使 得建立人机一体化的，分布的、多维信息交互的仿真模型和仿真 环境成为可能，虚拟现实仿真成为仿真技术新的发展方向。” 本课题就是依靠虚拟现实仿真技术来实现的 控制技术概述 控制科学是在本世纪中形成和发展起来的一门新兴学科，至 今已走过大约6 0 年的历程大体上看，前3 0 年是以经典控制理 论为基础，而后3 0 年是以现代控制理论为基础，是与计算机技 术的成熟，人类对航天技术的需求以及受控系统的数学模型相对 确定密切相关的n ” 计算机控制是指采用数字计算机对一个动态系统进行的控 制在计算机控制系统中，由数字计算机代替自动控制中的常规 控制设备，对动态系统进行调节和控制，这是对自动控制系统技 术装备的根本性变革，由于数字计算机具有采集、传送、存贮、 处理大量数据的能力，使自动控制进入了以计算机为主要控制设 备的新阶段计算机控制实质上是计算机技术与自动控制理论相 结合，对生产机械和生产过程进行控制的一门技术现代化的生 产系统具有多变量、时变、非线性的特点，应用经典的控制理论 己不能满足现代化的工业生产要求应用现代控制理论再加上计 算机的快速运算、强大的信息存储能力以及逻辑判断能力，使得 计算机控制系统能解决通常自动控制技术所不能解决的问题，使 生产过程达到优异的指标计算机实时控制系统对控制对象物理 量的采集，作出实时控制对策，并进行实时控制等过程，周而复 始地重复进行，而且这些过程要及时地进行 i 2 3 课题产生的实际意义 本课题开发的仿真控制及设计自动化操作系统主要目的是 为了促进中国电化教育的实施，完善素质教育体系，满足职业教 育、公司员工岗前培训等需要，而开发的一套完整教学系统通 过采用计算机仿真、多媒体互动等现代化信息技术手段，通过操 4 第l 章绪论 作，模拟、仿真三个培训层面，解决了以往专业培训理论，实验、 实习和实际应用脱节问题该系统有以下几个特点： ，、1 经济性： ， 传统机电设备的教学需要借助于具体的机电设备，但是 一些机电设备( 如：数控加工中心) 价格昂贵，损耗大、实 验成本高，这对于经费不足的地方院校丽言，是难以承受的 采用虚拟设备不存在磨损，破坏，可反f 复使用这样既满足 了教学要求，又能提高办学效益 2 安全性： 以往在现场培训过程中，由于操作者的误操作很容易发 生操作事故，会给价格昂贵的机电设备造成不可估量的损失， 甚至会危及操作者的生命使用本课题开发的系统利用虚拟 现实技术构建生产现场环境，展现在操作者面前一个虚拟的 操作设备，这样操作者可以反复操作和训练，避免了操作过 程中的安全隐患，促进了培训效果 3 开放性： 机电设备的仿真与控制系统打破了传统的教学模式，操 作者不再受到时间、空间上的制约，可随时、随地操作虚拟 的机电设备，实现因材旄教和个性化教学 由于本系统具有经济性、安全性、开放性等特点，并做到了 与工厂的无缝链接，非常适合于计算机辅助教学课题受委托的 初衷即为尝试、探索利用虚拟现实技术开发一套面向桌面的计 算机辅助教学系统 1 3 国内外研究现状综述 1 3 1 国内对本课题的研究现状 近年来我国已经开始关注三维仿真的研究及开发应用，国内 许多研究单位和部门已经开展这方面的工作 北京航空航天大学是国内最早进行v r 研究、最有权威的单 位之一，利用虚拟现实成功开发出用于飞行员训练的虚拟现实系 统；另外利用v i s u a lc + + 、o p e n g l 图形库作为虚拟数控机床开 山东大学硕士学位论文 发工具的有哈尔滨工业大学的虚拟加工检测一体化系统、四川大 学制造科学与工程学院开发的数控车、铣、钻加工三维仿真系统 等 上述几个三维仿真的例子特点有：采用虚拟现实技术，不需要 低层开发，但是需要昂贵的辅助设备( 特殊的数字头盔和一副数 据手套，用于感觉和操纵虚拟世界中的各种对象) 才能实现，应 用在计算机辅助教育中是不可取的；采用o p e n g l 图形库，虽然 开发软件的成本低，易于商品化，但是由于是基于低层图形开发 平台，对实体的渲染着色、动画及消隐都要另行编程实现，开发 工作量很大，难度高本文采用的面向桌面式虚拟现实，具有结 构简单、价格低廉，易于普及推广等特点，但缺少完全的沉浸感， 操作者可能会受环境干扰等，但对于实现本课题目标网络教学和 三维仿真控制足矣 一， 1 3 2 国外对本课题的研究现状 国外对本课题研究较早，把虚拟现实技术应用到各个领域， 积累了坚实的基础如：美国m a r s h a l l 空间飞行中心研制载人航 天器的v r 座舱，指导座舱布局设计并训练航天员熟悉航天器的 舱内布局、接口和位置关系，演练飞行程序从1 9 6 1 年，美国 p h i l o o 公司首创了头盔式立体显示器( h m d ) 以来，利用虚拟现 实技术进行仿真突飞猛进的发展第一套多感知仿真体验系统 s e n s o r a m a 是在1 9 6 2 年由美国电影摄影师m o r t o nh e i l i n g 研制出 来的人坐在拱顶装置下，手操纵摩托车把，仿佛穿行于纽约闹 市，能听到立体声响，感到行车的颠簸、扑面的风，甚至能闻到 相应的芳香1 9 7 1 年，f r e d e r i c kb r o o k s 研制了具有力反馈的原 型系统g r o p i i ，通过操纵一个实际的机械手，来控制屏幕中的图 形机械手去“抓取”一个立体图像表示的物体，而且人手能感觉 到它的重量1 9 8 6 年，研制成功了第一套基于h m d 及数据手套 的v r 系统v i e w ( v i r t u a li n t e r a c t i v ee n v i r o n m e n tw o r k s t a t i o n ) 这是世界上第一个较为完整的多用途、多感知的v r 系统，它使 用了头盔式显示器、数据手套、语言识别与跟踪技术等，并应用 6 第l 章绪论 于空间技术、科学数据可视化、远程操作等领域，被公认为当前 v r 技术的发源地”美国北卡罗莱纳大学研制了一种研究分子 运动的v r 系统，用户只需戴上头盔和数据手套即可对分子运动 进行控制”美国m a r y l a n d 大学开发了用于培训数控人员的虚 拟机床仿真器 综上所述，国外虚拟现实技术在仿真、控制领域应用非常广 泛，但是他们也是依赖于头盔和数据手套，。本文主要从经济性的 原则来选择虚拟现实语言，开发出了面向桌面的仿真控制和产品 设计自动化系统 1 4 主要研究内容 。 本课题的研究目标 开发针对机电系统的仿真控制系统，利用该系统能够实现对 机电设备实对动态三维模拟、仿真利用该系统进行辅助教学时， 要求能够做到学校与工厂无缝链接，并尝试将虚拟现实技术应用 于d a r f a d 系统，开发出产品概念设计自动化的通信协议 本课题的主要内容 综合利用计算机图形学、实时控制技术、网页技术、仿真技 术、三维造型技术及多媒体技术，开发一个全新、跨平台、基于 w e b 的仿真控制系统具体内容如下： 1 开发前需要阅读大量国内外文献资料，要对相关技术进行 深入了解，为开发此平台作好准备 2 对各种三维建模技术进行分析比较，选择合适的建模技术， 并对建模过程中产生的问题进行了研究 3 对复杂机电设备零部件运动的时间进行分配与控制，使机 电设备运行与实际相符合 4 实现仿真控制系统与d a r f a d 系统之间的通信( 制定相关 通信协议、解决实现技术) 5 尝试开发基于i n t e r n e t 远程三维仿真控制和故障诊断 7 山东大学硕士学位论文 6 系统稳定性能的提高与测试，并寻找解决方案 7 深入地探讨如何利用j a v a 的强大网络编程能力及其和 v r m l 的接口技术，来实现对v r m l 行为进行控制的机制， 对e a i ( 外部创作接口) 也作了比较详细的分析 在文章最后，为了课题的更进一步的深入研究，作者对现阶 段的研究工作进行总结，并对今后的工作进行了展望 本课题操作平台的总体规划 被 控 机 电 设 鲁 利用该平台进行电子电 工、机电设备的教学培调 敏向通信 计算机辅助教学 蚓嚣 硬件实时仿真 控制台 远程仿真控澍 c u 卧r r 远 程 故 障 诊 断 图1 2 仿真控制一体化操作平台规划 仿真控制一体化操作平台如图1 2 所示采用c s 网络体系结 构、利用j a v a 安全机制实现对信任、授权用户( 前台客户机) 的 远程控制后台服务机运行组态系统并充当服务器保证组态系 统与s e r v e r 和机电设备之间的通信实现d a r f a d 系统与仿真 系统的通讯协议 1 5 论文的组织结构 论文的组织结构如图1 3 所示：首先探讨实现的理论基础， 第l 章绪论 最后再给出应用实例加以论证其正确性本课题采用v r m l 和 j a v a 编程语言实现的机电系统仿真控制平台，具有通用性、仿 真效果逼真，可扩展性等良好的特点基于本文研究成果开发出 的仿真软件，可降低机电行业的培训成本，特别是价格昂贵、操 作复杂、容易损坏、维护费用高的机电设备的培训，使培训交得 方便、简单对机械行业生产中机电设备进行仿真与控制，成功 实现计算机辅助教学、网络教学和远程仿真控制与故障诊断本 机电系统仿真控制和设计自动化系统已经被济南星科经贸有限 公司成功投放到社会，推广到教学中 图1 3 论文的组织结构 山东大学硕士学位论文 第2 章机电系统的虚拟仿真开发技术 本课题采用的是虚拟仿真，其基本原理是：把仿真和虚拟现 实相结合，这样虚拟现实场景中运动实体的基本行为可划分为3 类：产生实体模型，消除实体模型，控制寒体模型运动将这3 类基本行为进行不同组合。就能实现我们所需的三维仿真效果， 这要借助于j a v a 和v r m l 进行分工合作v r m l 负责针对不同 的模型进行场景和运动实体的描述，而j a v a 负责发布具体的坐 标，触发条件以及起动时间等，a p p l e t 与v r m l 文件及页面数据 进行通信并实现实时显示虚拟仿真的核心采用了按事件推进机 制，通过仿真系统中各类事件的发生来推进时钟、并更改相应系 统状态，完成仿真在引入了对v r m l 世界的联系后，针对仿真 事件的出现发送出消息到v r m l 世界使其产生相应的行为，另一 方面，此虚拟世界的状态也可以被仿真程序由v r m l 场景中实时 读入以确定当前状态而进行下一步安排。而通过在虚拟世界的特 定对象上绑定传感器或指定特定事件的方法，仿真系统可以直接 响应用户的浏览和决策动作以改变系统进程从而实现了用户和 系统的交互影响在w e b 页中利用j a v a a p p l e t 开辟了一个区域， 提供相应的控制以驱动仿真的进行，而其中的文本区内则能够实 时动态地显示各种仿真信息以及相关参数和数据的变化，使浏览 者获取所需的仿真结果i 】 2 1 研发过程中依据的理论 2 1 1。以人为本”的开发理念 “以人为本”的哲学定义为：是与“以物为本”相对立的， 用一句最简洁的话来解释就是“一切依靠人，一切为了人”把 “人”作为考虑问题的出发点和落脚点“以人为本”这个词起 源于西方近代的“人本主义”，“人本主义”来自文艺复兴产生的 思潮，以歌颂人、推崇人为中心“以人为本”就是要满足人民 1 0 第2 章机电系统的虚拟仿真开发技术 的心理和生理需求，为人所用、调动人的积极性 本系统的研发融入了“以人为本”的设计思想。这里的“人” 是指平台的操作者、使用者，可为职业院校的学生、被培训的工 人、远程仿真控制管理员或诊断专家比如：系统的设计与开发 要考虑到计算机辅助教学领域中“人”的因素所以这里的“以 人为本”，就是要求系统设计的出发点和最终落实点在操作者技 能的提高上系统把操作者学好知识、发展能力有机结合起来， 注重操作者的创新精神和实践能力的培养系统设计要真正视操 作者为系统的主人，实现大型，重型机电设备操作的全过程，能 够让操作者有独立探索、自主学习的空间系统还应尊重操作者 的自主性，能够激发操作者的灵感和活性，注重开发操作者的个 性潜能系统的设计还应遵循操作者的身心发展规律和认知水 平，注重因材施教教学要注重学科之间的联系，培养学生综合 知识的能力：注重课内外教学之间联系，培养学生持久的学习兴 趣，让学生在实践中运用知识，发展潜能 所以说“以人为本”的设计理念体现了本系统对人的关怀， 满足了人的生理、心理需要本系统在保证实现功能的基础上， 抓住了“对人的关注”这一根本点，傲到了。人性至上”，即： 在满足系统实现设计自动化和三维仿真控制的基础上，也要使系 统符合人机工程学的尺度，令操作者的身体处于舒适、安全的工 作状态，并且通过外部形态、色彩等视觉感受来获得心理上的愉 悦本系统是按照操作者的意愿设计的，可以延伸人体器官的功 能人有性别、年龄、健康等个体的差异，也由种族、宗教、职 业、阶级等群体的区别，系统的研发自然而然的要受到这种差别 的影响，根据人的需要进行不同的设计，以此来满足人的需求 原有的二维模拟，已经在视觉、听觉、触觉等方面不能满足 人们的需要，故本次开发采用“以人为本”理念，利用虚拟现实 技术构造一个更加与实际环境相一致的场景，最大化的减少虚拟 与现实的差距，建模颜色严格使用实际设备的颜色，场景的立体 声来自于工业加工现场，控制面板的空问布局，形状都和实际相 吻合另外界面的设计也符合人们的习惯，针对不同“人”分为 网络远程学习界面，仿真界面、控制界面和故障诊断界面。 山东大学硕士学位论文 2 1 2三维仿真控制一体化的定义 “三维仿真控制一体化的定义”的概念国内外尚没有定义， 本文作者经过课题的研发工作后总结如下：所谓三维仿真控制一 体化作者认为是指在当今计算机技术高度发展的情况下综合利 用虚拟现实技术( v r m l 等) 、传感器技术、图形图像处理技术、 计算机网络技术和信息技术等的系统工程，v 能够实现三维仿真并 具有实时性、动态性、真实性等特点，三维仿真不但能实时反映 仿真对象的当前状态，还能够实时控制仿真对象的运行三维仿 真控制一体化彻底改变二维仿真模式，利用先进的虚拟现实技术 实现了三维仿真模式，并利用j a v a 强大的网络技术把虚拟场景 与现行的监控组态相连接 2 1 37 虚实一体化的方法 一4一 “虚”与“实”在自然辩证法中是相互对立和统一的，在平 台的设计中“虚”指的是可观不可触的虚拟场景( 或虚拟电气控 制面板) ，“实”指的是可观可触的电器控制部分( 或实际的场景) 开发中特别处理好“虚”与“实”的关系，对于“虚”、“实”部 分作了全面把握和分析，做到“虚”中有“实”、“实”中有“虚”， 提出了“虚”、。实”结合的设计思想“虚拟场景”( 或。虚拟电 气控制面板”) 与“实际电气控制部分”( 或“实际设备”) 是相 互依赖、相辅相成的，无论是“虚拟场景”还是“实际电器控制 部分”都不是孤立的“虚拟场景的设备”代替了实际大型、重 型机电设备，与“实际电器控制部分”有机的结合，从这个角度 上来讲就是“虚拟场景”必须以“实际电器控制部分”为本，“实 际电器控制部分”把“虚拟场景”作为基础；“虚拟的电气控制 面板”代替了实际的电气控制部分，与“实际设备”有机的结合， 产生了另一种方式的“虚”与“实”结合上述两种方式“虚” 都能分别对“实”有很大的辅助作用，可以以“虚”隐“实”， 使“实”更“实”。 把大兴、重型机电设备作为教学设备即纯“实”的教学思想 是完全没有必要的，这些设备高昂的价格、庞大的体积，运行和 第2 章机电系统的虚拟仿真开发技术 维护费用在教育领域是不可能接受的对于需要手工操作的部分 不能是用纯_ 虚”的方式展现，同样纯。虚”的教学模式也是不 可取的该系统“虚”、鼍实”一体化的方式，大大缩小设备占地 空间，节省了成本、人力、物力和时间 2 2v r m l 和j a v a 实现三维交互机理 采用v r m l 结合j a v a 语言等构建可交互、简约而友好的实 时机构仿真系统，用i e 浏览时，v r m l 插件的自带功能使得用户 可以通过鼠标拖放，在虚拟环境中自由地缩放、移动、旋转各模 型及场景”，这样参与者通过鼠标或其他外围设备，实现对模拟 环境的考察与操作，力图使参与者在计算机所创建的三维虚拟环 境中处于一种全身心投入的感觉状态，有身临其境的感觉，同时 最大限度发挥创造性和想象力本小节从虚拟现实的执行模式、 基于事件的驱动方法iv r m l 结点与三维场景和s c r i p t 结点与 j a v a 四个方面来阐述v r m l 和j a v a 实现三维交互的机理 虚拟现实技术( v r m l ) 和j a v a 技术”川是实现本平台的核 心技术，在本小节中将对这两种技术简单介绍 一 2 2 1 虚拟现实技术( v r m l ) 虚拟现实技术( v r m l ) 的特点和功能 v r m l 采用面向对象技术在网上创建充满真实感的三维虚拟 世界，用户可在其中任意漫游，提供一种自然的、身临其境的体 验方式，包括交互性、动态效果，连续性以及参与感，而这正是 未来教学的主要形式目前已在工程、娱乐、电子商务、医学等 方面得到应用其主要特点： 1 使用方便性：v r m l 既可表示静态或动态三维实体对象和 多媒体对象，又可超级链接其他文本、声音、图片等对象； 2 可交互性：v r m l 支持动画并可定义各类对象以及对象之 间相互作用的多种行为，可通过多种机制动态修改图形， 听觉等对象，从而实现与虚拟世界的互动； 3 可扩展性：v r m l 支持基于基本标准的三维动态对象的扩 山东大学硕士学位论文 展定义，利用j a v a 、j a v a s c r i p t 语言编写脚本，可进一步 扩展功能，从而实现更为复杂的交互等功能； 4 与平台无关性：可在多种平台下进行创作和浏览由v r m l 所 定义的场景； 5 文件体积小，信息量大： 6 良好的接口一致性：v r m l 对象与通用3 d 图形编程接口间 有良好的对应关系，可通过j a v a 3 d o p e n g l 等图形编程 接口调用v r m l 模型，创建更为复杂的三维世界； 创作工具 优化工具 布r 磊丽 图2 1 v r m l 的工作方式 客户端 v r m l 浏 览嚣解释 执行程序 从技术上看虚拟现实技术本身是现代科技的集大成者，它涉 及到图形图像处理、实时分布系统、数据库、立体环绕音响、跟 踪定位装置等诸多技术领域，是计算机图形学、图像处理学、模 式识别、智能接口、人工智能传感器、网络和并行处理等多学 科的综合v r m l 有三个最突出的特征：交互( i n t e r a c t i v i t y ) 、沉 浸感( i m m e r s i o n ) 和想象性( i m a g i n a t i o n ) 可以说虚拟现实最 根本特征是人机交互，沉浸特性使它与一般交互式的三维计算机 图形不同，一般的交互方法只能通过计算机的显示器从外到内观 察数据空间，而v r 技术却可以使用户沉浸到数据空间中，即将 用户在一定时间内与现实环境相隔离，然后投入到可实时交互的 虚拟环境中。并且驾驭其中的数据” v r m l 的工作方式