（电子科学与技术专业论文）基于vr的gps仿真实训教学系统的研究与设计.pdf

v r b a s e dr e s e a r c ha n dd e s i g no ng pssi m u l a t i o na n dt r a i n i n g s y s t e m a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fm o d e me d u c a t i o n a l t e c h n o l o g y e s p e c i a l l y t h e d e v e l o p m e n to fm u l t i m e d i ac o m p u t e rs i m u l a t i o nt e c h n o l o g ya n dv i r t u a lt e c h n o l o g y p e o p l eh a v eg a i n e dad e e p e ru n d e r s t a n d i n go ft h e u s eo fc o m p u t e rs i m u l a t i o n t e c h n o l o g yi nt h ef i e l do fv o c a t i o n a le d u c a t i o n f o rs o m et e a c h i n gc o n t e n tw h i c hi s d a n g e r o u sa n dh a r d l yt ob ee x p r e s s e d t h et h r e e d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o no fat e a c h i n g e n v i r o n m e n ti sc r e a t e dw i t ht h eu s eo fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y i ts i g n i f i c a n t l yi m p r o v e d t h ee f f e c t i v e n e s so ft e a c h i n g t h e r e f o r e t h er e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o no ft h es i m u l a t i o no f t h r e e d i m e n s i o n a lt e a c h i n gi nc o m p u t e ri so fg r e a ts o c i a la n de c o n o m i cs i g n i f i c a n c e i nt h i se s s a y f r o mt h ep e r s p e c t i v eo ft h r e e d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o no ft e a c h i n g r e s e a r c hi se x e c u t e dt oa c h i e v et h e c o m p u t e rs i m u l a t i o n a n d t r a i n i n g o fg p s m e a s u r e m e n ts y s t e mi nac o m p u t e r f i r s to fa l l t h ea p p l i c a t i o no fg p ss y s t e mi s i n t r o d u c e di nt h ev a r i o u sf i e l d sa n dt h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo ft h es u b j e c ta r e e x p l a i n e di nd e t a i l i nt h i se s s a y t h ep r i n c i p l e so fg p sm e a s u r e m e n t sa n dt h et o p s u r v a r es t u d i e di nt h ea c t u a lm e a s u r e m e n t t h ea p p l i c a t i o no fs i m u l a t i o nm e t h o d so fg p s s y s t e ma n dw g s 8 4c o o r d i n a t em o d e la r ep r o p o s e da n dt h ec o m p o s i t i o na n dd e s i g no f t h es y s t e mi sc o n c r e t e l yp o i n t e d i nt h es o f t w a r ep a r t c o n s i d e r i n gt h ev a r i o u so b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n gl a n g u a g ef e a t u r e s t h et o p s u r vp r o g r a m m i n gc a nb er e a l i z e d u s i n gd e l p h il a n g u a g ea n df i n a l l yt h ev rv i r t u a lt e c h n o l o g yi sa p p l i e dt oa c h i e v et h e t r a i n i n go fg p ss y s t e m i nt h i se s s a y t h ea c t u a la p p e a r a n c ea n df u n c t i o no fg p ss y s t e mi sc o m p l e t l y d i s p l a y e d i nt h ep r o c e s so fa p p l i c a t i o n u s e r sc a nb es a t i s f i e da n dt h es y s t e mc a nb e o p e r a t e di na c c o r d a n c ew i t ht h er e a li n s t r u m e n t sf o rt h es i m u l a t i o nm e a s u r e m e n ti n c o n s t r u c t i o np r o c e s s s y s t e md e s i g nm e e t st h eu s e r s b a s i ct r a i n i n ga n de q u i p m e n t r e q u i r e m e n t si nt h ea s p e c to ft h et e a c h i n ge x p e r i m e n t sa n dg p ss y s t e mg a i nag r e a t e r p r o m o t i o ni nt h ev a l u eo ft h e o r ya n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o n c o m b i n a t i o no ft h et h e o r y a n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o nf o rt h eg p ss y s t e m am e a n i n g f u le x p l o r a t i o ni sa c h i e v e d t h r o u g hr e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o n k e yw o r d s g p s g p ss i m u l a t i o na n dt r a i n i n gs y s t e m v r m e a s u r e m e n t 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明 本论文是在导师的指导下 独立进行研究工作所取得的成果 撰写成博 硕士学位论文 茎主监塑互坠 查童壶 避鲨递必慷论 文中已经注明引用的内容外 对论文的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在 文中以明确方式标明 本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经 公开发表或未公开发表的成果 本声明的法律责任由本人承担 学位论文作者签名 墓兰堑垦e 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留 使用研究生学 位论文的规定 即 大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 也可采用影印 缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文 同意将本学位论文收录到 中国优秀博硕士 学位论文全文数据库 中国学术期刊 光盘版 电子杂志社 中国学位论 文全文数据库 中国科学技术信息研究所 等数据库中 并以电子出版物形式 出版发行和提供信息服务 保密的论文在解密后遵守此规定 本学位论文属于 保密口在 年解密后适用本授权书 不保密囹 请在以上方框内打 论文作者签名 赵巧庆f 导师签名 奇玖水 日期 如哆年6 月 7 日 基于v r 的g p s 仿真实训教学系统的研究与设计 第1 章绪论 1 1 课题研究背景与意义 仿真 s i m u l a t i o n 是2 0 世纪4 0 年代末以来伴随着计算机技术的发展而逐步 形成的一门新兴学科 所谓的仿真就是通过建立系统的实际模型并利用所建模型 对实际系统进行实验研究的过程 最初 仿真技术主要用于航空 航天 原子反 应堆等价格昂贵 周期长 危险性大 实际试验难以实现的少数领域 后来逐步 发展到电力 石油 化工 冶金 机械等一些主要工业部门 并进一步扩大到社 会系统 经济系统 交通运输系统 生态系统等一些非工程系统领域 可以说 现代仿真技术和综合性仿真系统已经成为任何复杂系统 特别是高技术产业不可 缺少的分析 研究 设计 评价 决策 训练 使用及维护的重要手段 其应用 范围在不断扩大 应用效益也日益显著 仿真技术大大地缩短科研的周期性 提 高检测的精确性 保证生产的安全性 降低科研经费 其发展必将对经济 社会 以及人们的观念产生巨大影响 近年来 随着经济建设的需求 高技能型人才的培养受到了普遍的重视 仿 真实训在实践教学领域中的应用已经得到了大力的推广 辽宁省政府办公厅 h t t p w w w 1 n z x b g o v c n n 2 8 6 c 6 0 a s p x 在关于推进教育信息化资源建设的通知 中指出 各高等院校要结合实际情况指定本校实践教学信息化资源建设的具体方 案 针对高等院校最需要提升和改进的实践教学领域 整合硬件 软件等关键要 素 形成整体高效的解决方案 并在实践中实施和推行 省教育厅筹备了2 2 个课 题 本论文承担了建筑施工技术手持式g p s 仪器的仿真实训教学这一课题 在这样 的前提下 本文提出了 基于v r 的g p s 仿真实训教学系统的研究与设计 这一课题 并对此课题进行了较为深入的研究 本文提出了一个基于v r 的g p s 仿真实训教学系统 该系统以g p s 在建筑测 量中的使用过程为设计基础 运用仿真技术的实时性 高交互性创建了一个逼真 的三维仿真教学环境 不仅将教学过程直观化 形象化 而且最重要的是运用虚 拟现实技术实现的g p s 系统模拟了建筑测量过程中的每一个环节 使g p s 使用者 绪论 沉浸到虚拟的测量环境中 在使用系统的同时构想测量的每一个步骤及其涉及的 原理 操纵手簿对大地坐标进行测量或放样 构成了使用者 虚拟测量环境之间的 交互性 实现了虚拟的测量过程 从而认识 体验和掌握现实世界中的测量过程 本文设计的g p s 仿真实训教学系统具有效果逼真 安全 经济 易普及等特 点 使学习测量的过程不再受时间 地点 天气等条件的限制 大大地增加了学 习的趣味性和学习效率 很好地提高了使用者的实践和运用能力 1 2 虚拟现实技术及其应用 虚拟现实技术 又称灵境技术 是以沉浸性 交互性和构想性为基本特征的 计算机高级人机界面 它综合利用了计算机图形学 仿真技术 多媒体技术 人 工智能技术 计算机网络技术 并行处理技术和多传感器技术 模拟人的视觉 听觉 触觉等感觉器官功能 使人能够沉浸在计算机生成的虚拟境界中 并能通 过语言 手势等自然的方式与之进行实时交互 创建一种人性化的多维信息空间 使用者不仅能够通过虚拟现实系统感受到客观世界中身临其境的逼真性 而且能 够突破空间 时间以及其他客观限制 感受到真实世界中无法亲身经历的体验1 1 j v r 技术具有超越现实的虚拟性 虚拟现实系统的核心设备仍然是计算机 它 的一个主要功能是生成虚拟世界的图形 故此又成为图形工作站 图像显示设备 是用于产生立体视觉效果的关键外设 目前常见的产品为三维投影仪 眼睛等 其他外设主要用于实现与虚拟现实的交互功能 包括三维鼠标 运动跟踪器 力 反馈装置 语音识别与合成系统等等1 2 虚拟现实技术的应用前景十分广阔 它 始于军事和航空航天领域的需求 但近年来 虚拟现实技术的应用已大步走进工 业 建筑设计 教育培训 文化娱乐等方面 它正在改变着我们的生活 虚拟与现实两词具有相互矛盾的含义 科学技术的发展把这两个词放在一起 却赋予了它新的含义 虚拟现实的明确定义不太好说 按最早提出虚拟现实概念 的学者j l a n i a r 的说法 虚拟现实 意味着 用电子计算机合成的人工世界 从 此可以清楚地看到 这个领域与计算机有着不可分离的密切关系 信息科学是合 成虚拟现实的基本前提 生成虚拟现实需要解决以下三个主要问题 基于v r 的g p s 仿真实训教学系统的研究与设计 1 以假乱真的存在技术 即怎样合成对观察者的感官器官来说与实际存在相 一致的输入信息 也就是如何可以产生与现实环境一样的视觉 触觉 嗅觉等 2 相互作用 观察者怎样积极和能动地操作虚拟现实 以实现不同的视点景 象和更高层次的感觉信息 实际上也就是怎么可以看得更像 听得更真等等 3 自律性现实 感觉者如何在不意识到自己动作 行为的条件下得到栩栩如 生的现实感 在这里 观察者 传感器 计算机仿真系统与显示系统构成了一个 相互作用的闭环流程 当今的虚拟现实技术主要应用于以下几个方面 首先 虚拟现实应用在医疗 上的应用大致上分为两类 一类是虚拟人体 也就是数字化人体 这样的人体模 型使医生更容易了解人体的构造和功能 另一类是虚拟手术系统 可用于指导手 术的进行 其次 在军事上利用虚拟现实技术模拟战争过程已成为最先进的多快 好省的研究战争 培训指挥员的方法 战争实验室在检验预定方案用于实战方面 也能起巨大作用1 3 j 1 9 9 1 年海湾战争开始前 美军便把海湾地区各种自然环境和 伊拉克军队的各种数据输入计算机内 进行各种作战方案模拟后才定下初步作战 方案 后来实际作战的发展和模拟实验结果相当一致 此外 娱乐上应用是虚拟 现实最广阔的用途 在英国出售的一种滑雪模拟器 使用者身穿滑雪服 脚踩滑 雪板 手拄滑雪棍 头上载着头盔显示器 手脚上都装着传感器 虽然在斗室里 只要做着各种各样的滑雪动作 便可以通过头盔式显示器 看到堆满皑皑白雪的 高山 峡谷 悬崖陡壁 一一从身边掠过 其情景就和在滑雪场里进行真的滑雪 所感觉的一样 近些年来 各大高校争先恐后的将虚拟现实技术引入高校教学 利用多媒体技术 有实物介入的仿真与虚拟现实相结合的方法 建造虚拟演练的 现代化实验实训基地 其设备或部件多是虚拟的 可根据发展需要重新生成新设 备 也可使设备和教学内容在虚拟环境中不断更新 使实践训练及时跟上技术的 发展 以培养高素质的毕业生 保证知识型的技术人才和管理人才能满足经济发 展的要求 由此可见 虚拟现实技术已经和理论分析 科学实验一起 成为人类探索客 观世界规律重要手段 作为一项重要技术 虚拟现实的价值将不断地得到发现和 绪论 拓展 在各行各业中得到广泛应用 可以预见 在不久的将来 虚拟现实技术将 会深入到人们的日常工作与生活 影响乃至改变人们的观念与习惯 1 3 虚拟现实技术在国内外的研究现状 131 国外虚拟现实技术的研究现状 在v r 研究的某些方面 美国 欧盟 日本和韩国已经在某些领域上建立了台 作关系 在模拟制造舰船方面 国外有关研究表明 基于虚拟现实技术的仿真研 制方法对缩短海军舰船的研制过程 研制周期和降低成本费用是完全可行的 在 大型海军舰船设计中 总的开发时间将缩短3 0 同时也促进了研制过程的变革 图l1 为仿真的舰船模型 图1 1 舰船横型 f i g1 1 s h i p m o d e l 最近几年 虚拟现实的费效比已经降低了 美国海军新一代l p d 1 7 舰与 弗 吉尼亚 潜艇的设计和韩国三星船厂开展的 数字化造船 的研究都采用了v r 技 基于v r 的g p s 仿真实训教学系统的研究与设计 术 将建造全过程仿真化 船舶建造过程仿真化提供了 在计算机中制造 的能 力 使用舰船产品模型 造船过程和制造设备模型 生产出数字化的舰船 在船 舶设计阶段 实时地 并行地模拟出船舶未来建造的全过程及其对舰船产品设计 的影响 预测舰船性能 造船成本 可制造性 从而更快捷地组织造船生产 使 船厂和车间的资源得到更合理的配置 以达到舰船产品的研制周期和成本最小化 舰船性能最优化和建造效率最高化 为船舶建造的策略 制造 装配等环节提供 了强有力的支持 第1 6 届冬奥会前 美国一家公司和加利福尼亚戴维斯大学联合开发了一种雪 橇比赛装置 运动员在这套装置上能真切体验到驾驶雪橇沿着跑道飞速下滑的感 觉 并通过实验室的检测设备实时监测运动员的身体状况 进行技术分析和功能 诊断 以便设计最佳路线 制定最佳策略 美国雪橇队在备战第1 6 届法国冬奥会 的时候试用了这套装置 使用后惊喜地发现比实地训练节省了一半的费用 并在 相同的时间内训练次数大大增加 此外 在分布并行处理 辅助设备设计和应用研究方面 在欧洲英国是领先 的 迄今为止 英国已有w n d u s t r i e s 7 业集团公司 b r i t i s ha e r o s p a c e 英国 航空公司 等六个从事v r 的主要中心 w l n d u s t r i e s 是国际v r 界的著名开发机构 正在开发一系列用于娱乐方面的 v r 产品 该公司新近推出了虚拟1 0 0 c s 产品 这是一种通过互联网可供多人参与 的凭真功夫打斗的虚拟游戏系统 并且己经在诺丁汉的娱乐场所 l b e 1 0 c a t i o n b a s e de n t e r t a i n m e n t 联接了四个这样的结点 l b e 概念得到w i n d u s t r i c s 公司的全 面支持 该公司出版了一本介绍 如何开始你自己的v r 商店 的小册子 这本小 册子用样品现金流图给出了详细账目 以指导那些热心的未来经理和投资者 这 本小册子甚至建议为感兴趣的公司提供地方法人 5 w l n d u s t r i e s 一直试图扩展其 产品的范围和结构 以便进入工业设计和可视化等重要应用领域 并且正在计划 推出新型轻量显示头盔和功能强大的图形引擎 g r a p h i c se n g i n e b r i t i s ha e r o s p a c e b a e 的许多区县参与了v r 其中最有成效的是b r o u g h 分部的工作 在r o yk a l a w s k y 教授领导下 b r o u g h 分部正在利用v r 技术设计高 绪论 级战斗机座舱 b a e 开发的丈项目v e c t a v i r t u a le n v i r o n m e n tc o n f i g u r a b l et r a i n i n g a i d 是一个高级测试平台 用于研究v r 技术以及考察用v r 替代传统模拟器方 法的潜力 v e c t a 的子项目r a v e r e a la n dv i l x i l a le n v i r o n m e n t 就是专门为在 座舱内训练飞行员而研制的 己在f a m b o r o u g h 航空展示会上进行了首次演示 j r o yk a l o w s k y 教授是英国从事v r 的第一位教授 他也是主张在v r 应用中强调 人性因素重要性的学者之一 第一个广泛宣传的教育v r 工程将在w e s t d o n t o n 中学建立 以d i m e n s i o n i n t e r n a t i o n a l 的技术为基础 初步决定使用d i m e n s i o n 的v r 软件包 该校正在探 索用v r 进行外语教学和工业安全培训的方法 图1 2 为工业虚拟生产线 图1 2 虚拟生产线 f i 晷12 v i r m a l p r o d u c t i o n l i n c 近期在教育和学术方面的进展还有诺丁汉大学的v 1 r a r t v i r t u a lr e a l i t y a p p l i c a t i o nr e 舳a r c ht e a m 项目 其目标在于探索桌面v r 可用的输入设备 将 基于v r 的g p s 仿真实训教学系统的研究与设计 特别考察这些输入设备的应用 了解现有交互设备新的可能应用 以及有关的人 类工程因素和技术限制 例如v i r a r t 的目标之一是改进现有v r 手套和服装系 统 以便能用于d i m e n s i o n 的v r 然后用它控制和操纵虚拟环境中现有的人模型 m a n m o d e l 让它在虚拟原型设计中模拟人的运动或者通过自然手势来操纵虚 拟环境 另一目标是开发一种造价不高但能记录所有手关节角度的新型手套系统 以使桌面v r 系统中的人模型能够逼真地模拟手指和手掌的运动1 7 l v i r a r t 小组 正在和学校紧密合作 把桌面v r 技术用于教育学习有困难和身体严重残疾的孩 子 2 0 0 8 年年初 毋m 宣布投入1 0 亿美元进行u n i f i e dc o m m u n i c a t i o n sa n d c o l l a b o r a t i o n 统一通讯协作 软件的开发 用以将电子邮件 即时消息等软件与 口电话等通讯程序整合到一起 m m 研究中心将把3 d 虚拟现实环境整合到l o t u s s a m e t i m e 即时通讯应用程序中 在9 月3 日于洛杉矶举行的虚拟世界研讨博览会上 i b m 展示了其实验中的产品一s a m e t i m e3 d 8 j 正如它的名字所示 通过s a m e t i m e 3 d 用户可以直接从s a m e t i m e 的通话界面进入一个强大的虚拟3 d 环境 从而清 晰地实现虚拟环境所带来的投资回报率 并通过使用3 d 媒介进行实时通讯 改善 分布在全国甚至全球各团队的体验与生产效率 s a m e t i m e3 d 投入使用后 工作人 员通过企业当前的身份认证工具进行登录 实现添加文件 选择会议空间类型 并能 按需 即时创建一个虚拟的会议空间 从而利用虚拟环境下的各种典型特 性 比如虚拟形象 演示工具和各种具象化的虚拟3 d 物件和虚拟功能等 虽然在 目前的开发阶段 该产品还无法在实际工作中应用 但m m 称s a m e t i m e3 d 最终 完成时 将实现会议发起人能够截取谈话的文本内容 会议的视频录像并保存参 与会议人员的名单与资料等高级功能 1 3 2 我国虚拟现实技术的研究现状 在国外虚拟现实技术飞速发展的同时 我国在虚拟现实技术也取得了诸多有 益的成果 2 0 0 8 年北京奥运会上 1 8 岁小将何雯娜 1 9 岁小将陆春龙先后拿下了 北京奥运会女子 男子蹦床个人冠军 而中国蹦床队能在成立l o 年内从一无所有 绪论 到拿到奥运会金牌 主要得力于虚拟现实辅助训练软件v ht r a m p o l i n e 的运用 中国蹦床队2 0 0 4 年就用上了中科院花费三年时间研制的这项辅助软件 这个软件 项目通过研究竞技体育运动的数字化三维人体运动的计算机仿真技术 并以蹦床 跳水为例 研制一套基于三维人体运动仿真技术的计算机辅助体育训练系统 从 而实现我国竞技体育训练从传统上以人眼观察为主到基于高精度运动捕捉与分析 的人体运动测量方法的转变 在运动分析领域实现从基于经验的方法到基于人体 运动模拟与仿真的人体运动的转变 人体三维运动分析在竞技体育科学训练中具 有重要作用l 这种仿真技术主要是对外部环境的模拟 观察人体在这种模拟刺激 下所产生的反应 运动数据通过传感器跟踪设备直接记录 类似好莱坞进行动画 制作时 在演员的身上捆绑大量触点 这种方法的最大优点是能够捕捉到人类运 动的真实数据 由于生成的运动基本上是人或器械运动的重现 因而效果非常逼 真 且能保证训练的科学性 2 0 0 8 年年底 厦门岛内的三维数字城市模型也己经完成 市民可猷在网上看 到一个立体的城市 图1 3 为设计完成的数字城市模型 图1 3 城市模型 f 培13c 竹m o d e l 基于v r 的g p s 仿真实训教学系统的研究与设计 三维数字模型 相当于把整个城市的地形地貌 河流水系 市政设施 建筑 物等信息活生生 搬 到电脑上 直观呈现出建筑物的高度和外观 除了令人惊叹的 视觉效果 三维数字地图还包含了基础地形图中的道路 水系 建筑物 境界数 据 各种卫星影像数据 地名门牌数据等 并将这些抽象的空间地理信息数据整 合成具体的三维景观 据悉 厦门三维数字地图覆盖厦门全市 六层以上的建筑 将采用实地拍摄图像等方式进行数据采集和建模 其他建筑物和景观将通过电脑 技术完成三维模型 三维数字精细模型采集建模项目 厦门岛内部分 也在2 0 0 8 年底全部完成1 1 0 j 三维数字地图 是正在建设的空间地理基础信息数据库成果之 一 通过厦门空间地理基础信息数据库 用户可以实时跟踪土地开发建设利用情 况 查询土地房屋权属情况 房屋业主信息 还可以调阅房屋楼层平面图 甚至 是各个单位户型结构图 2 0 0 8 年6 月 广州军区某测绘大队构建起以仿真技术为基础的 虚拟战场环 境 自主研发了某 信息处理系统 这个系统在加快野外作业进度方面取得了突 破性的进展 用一周时间完成过去需要一个月才能完成的测量任务 同时 这个 测绘大队先后推出了三维仿真战场 导弹数字模拟靶场等5 8 项科研成果 用于军 事训练转变 让指挥和参谋人员在虚拟战场实现训练 作战的全程模拟 戴上特 制的三维眼镜 置身 虚拟战场 山脉 河流 各种军事设施及兵力展开情况 逼真地呈现眼前 随着操作员的发射指令 一枚导弹呼啸而出 电脑右上角快速 跳动着导弹实时到达的地理方位和高程数据 从发射到命中目标 整个过程都被 准确记录下来 该大队还运用航天遥感影像等技术 初步建成地理空间数据库 战场地理数据平台 实现对战场的动态监视和评估 大队遥感影像处理中心 能 快速获取战场目标的各类数据 并及时制作成地理信息产品 通过网络分发给基 层部队 1 1 l 1 4 虚拟现实技术应用的发展趋势 有人把虚拟现实视为是一种新兴科技 也有人把它视为是一种理念的实现 传统的信息处理环境一直是 人适应计算机 而当今的目标或理念是要逐步使 计 绪论 算机适应人 人们要求通过视觉 听觉 触觉 嗅觉 以及形体 手势或口令 参与到信息处理的环境中去 从而取得身临其境的体验 这种信息处理系统已不 再是建立在单维的数字化空间上 而是建立在一个多维的信息空间中 人类在许多领域面临着越来越多前所未有或前所难为而又必须解决和突破的 问题 例如 载人航天 核试验 核反应堆维护 包括新武器系统在内的大型产 品的设计研究 气象及自然灾害预报以及多兵种军事联合训练与演练等 v r 技术 的产生和发展 为解决和处理这些问题提供了新方法和新途径 必将对社会 对 人们的生活产生巨大影响 目前v r 技术的应用除了军事领域外 主要集中在以下几个方面 首先是用于 高科技产品的设计与性能评价 波音7 7 7 飞机的设计是虚拟原型机的应用典型实 例 这是飞机设计史上第一次在设计过程中没有采用实物模型 波音7 7 7 由3 0 0 万个零件组成 所有的设计在一个由数百台工作站组成的虚拟环境中进行 设计 师戴上头盔显示器后 可以穿行于设计中的虚拟 飞机 审视 飞机 的各项设计指 标 其次是教育与娱乐领域 将v r 技术应用于教育可以使学生能够游览海底 邀 游太空 观摩历史城堡 甚至深入原子内部观察电子的运动轨迹和体验爱因斯坦 的相对论世界 从而更形象地获取知识 激发思维 能使用户 沉浸 于和谐人机环 境的v r 技术在娱乐业有着极其广泛的应用 第一个大规模的v r 娱乐系统 b a t t l e t e c h 将每个 座舱 仿真器连网进行组之间的对抗 3 d 逼真视景 游戏杆 油门 刹车和受到打击时的晃动给用户很强的感官刺激 v r 还可以应用于高难度和危险环境下的作业训练 如医疗手术训练的v r 系 统 用c t 或m r i 数据在计算机中重构人体或某一器官的几何模型 并赋予一定 的物理特征 例如密度 韧度 组织比例等 通过机械手或数据手套等高精度 的交互工具在计算机中模拟手术过程 以达到训练 研究的目的 美国的n a s a 和欧洲空间局e s a 曾成功地将v r 技术应用于航天运载器的空间活动 空间站的 操作和对哈勃太空望远镜维修方面的地面训练1 1 2 j 基于v r 的g p s 仿真实训教学系统的研究与设计 1 5 构建g p s 系统的必要性和创新性 从构建g p s 仿真实训系统的必要性及g p s 系统使用者的特点来看 建立三维 场景模式 实时高交互的g p s 仿真实训系统 为使用者提供生动 逼真的学习环 境 能够让使用者以最佳视觉效果 独立自主地根据所学习的文化课内容进行实 验操作 让使用者成为了虚拟环境的参与者 在不知不觉的参与中掌握测量基础 知识及其实践操作 并且在实际操作的过程中更好地理解 消化学过的理论知识 g p s 仿真实训系统的设计必将帮助使用者取得良好的学习效果 然而 需要指出 的是 在教育领域建立g p s 仿真实训系统 并非是取代传统的实验教学 而是作 为一项改革和补充 通过g p s 仿真实训系统的使用 不仅在经济上节约了以往实 践过程中使用的材料和工具 而且大大减少了教学实验仪器价格高 配备数量少 的问题 更有效的避免了在实践过程中有可能出现的危险以及对仪器的致命伤害 从而大大提高了g p s 仿真实训系统的应用和推广价值 1 6 论文研究的主要内容 本论文依据拓普康公司的g p s 手簿的使用方法 通过面向对象应用程序开发 语言d e l p h i 设计了g p s 应用于建筑测量系统的应用程序 通过d e l p l l i 完成了测量 手簿的界面设计部分以及新建作业 设置基准站 点测量 点放样等四个应用模 块的设计 通过这些模块的设计 系统实现了g p s 在建筑中对点的测量和放样的 需要 实现了系统的主要功能 同时 为了提升系统的交互性 仿真性 本论文 又采用了v i r t o o l s 虚拟现实开发工具 利用v i r t o o l s 可以拖放的方式将b u i l d i n g b l o c k s 行为交互模块 赋予在适当的对象或是角色上 以脚本流程图的方式实现 b b 行为模块的前后处理顺序 通过点击鼠标来实现对场景的控制 从而实现了系 统的可视化交互脚本设计 编辑成一个完整的交互式虚拟世界 本文所设计的模拟仿真软件有很强的数据处理功能 其中的点测量 点放样 功能可以快速 精确地获得已知点的地方坐标或者通过点的地方坐标在大地上寻 找到点的位置 因此输入操作条件与保留数据后 软件会自动模拟测量效果 真 实的实现了g p s 仿真实训系统的仿真与实训功能 g p s 系统测量原理的研究 2 1g p s 的产生 第2 章g p s 系统测量原理的研究 2 1 1 子午卫星系统 2 0 世纪5 0 年代末期 美国海军和霍普金斯 h o p k i n s 大学应用物理实验室 为了给北极星核潜艇提供全球性导航服务 开始致力于研究用多普勒卫星技术进 行测速 定位的卫星导航系统 这个系统后来被称为子午卫星导航系统 n n s s n a v yn a v i g a t i o ns a t e l l i t es y s t e m 也叫做海军导航卫星系统 并于1 9 5 9 年发射了第一颗试验性卫星 地球表面上任何一个测站上 平均每隔2 小时便可观 测到其中一颗卫星 由于这些卫星的轨道均经过地球的南北极上空 被称为子午 卫星 1 9 6 7 年7 月2 9 日 美国政府宣布解密子午卫星的部分电文供民间使用 自此 卫星多普勒定位技术才得到了广泛的应用1 1 3 j 实践证明 只要能见到子午卫星就 可以在地球表面的任何地方进行单点定位或联测定位 从而获得测站的三维地心 坐标 2 1 2g p s 系统的产生 卫星多普勒定位系统虽然在导航和定位技术方面有着长足的进步 但仍存在 一些明显的缺陷 不能为用户实时定位和导航服务 子午卫星轨道低难以精密定 轨 以及子午卫星射电频率低 低精度限制了他的应用领域 为了实现全天候 全球性的高精度的连续导航定位 美国国防部在总结了n n s s 的优劣之后 1 9 9 3 年1 2 月批准研制新一代的卫星导航系统一导航卫星定时测距全球定位系统 n a v i g a t i o ns a t e l l i t et i m i n ga n dr a n g i n gg l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m 其意为 卫 星测时测距导航 全球定位系统 简称g p s 系统 第二代导航定位系统 g p s 应 运而生1 1 4 j 2 2g p s 系统的定位原理 为了更好地设计系统功能 本文对g p s 测量原理作了细致的了解 g p s 导航 系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离 然后综合多 基于v r 的g p s 仿真实训教学系统的研究与设计 颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置 要达到这一目的 卫星的位置可以根 据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出 l 引 而用户到卫星的距离则通过纪录 卫星信号传播到用户所经历的时间 再将其乘以光速得到由于大气层电离层的干 扰 这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离 而是伪距 p r 当g p s 卫星 正常工作时 会不断地用l 和o 二进制码元组成的伪随机码 简称伪码 发射导 航电文 g p s 系统使用的伪码一共有两种 分别是民用的c a 码和军用的p 码 c a 码频率1 0 2 3 m h z 重复周期一毫秒 码间距1 微秒 相当于3 0 0 m p 码频率 1 0 2 3 m h z 重复周期2 6 6 4 天 码间距0 1 微秒 相当于3 0 m 而y 码是在p 码 的基础上形成的 保密性能更佳 导航电文包括卫星星历 工作状况 时钟改正 电离层时延修正 大气折射修正等信息 它是从卫星信号中解调制出来 以5 0 b s 调制在载频上发射的 导航电文每个主帧中包含5 个子帧每帧长6 s 前三帧各l o 个字码 每三十秒重复一次 每小时更新一次 后两帧共1 5 0 0 0 b 导航电文中的 内容主要有遥测码 转换码 第1 2 3 数据块 其中最重要的则为星历数据 当用户接受到导航电文时 提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知 卫星与用户的距离 再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所 处位置 用户在w g s 8 4 大地坐标系中的位置速度等信息便可得知1 1 6 j g p s 接收机对码的量测就可得到卫星到接收机的距离 由于含有接收机卫星 钟的误差及大气传播误差 故称为伪距 对o a 码测得的伪距称为u a 码伪距 精 度约为2 0 米左右 对p 码测得的伪距称为p 码伪距 精度约为2 米左右 g p s 接收机对收到的卫星信号 进行解码或采用其它技术 将调制在载波上 的信息去掉后 就可以恢复载波 载波是收到的受多普勒频移影响的卫星信号载 波相位与接收机本机振荡产生信号相位之差 般在接收机钟确定的历元时刻量 测 保持对卫星信号的跟踪 就可记录下相位的变化值 然而 由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步 所以除 了用户的三维坐标鼠kz 外 还要引进一个 t 即卫星与接收机之间的时间差作 为未知数 然后用4 个方程将这4 个未知数解出来 所以如果想知道接收机所处 基于v r 的g p s 仿真实训教学系统的研究与设计 颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置 要达到这一目的 卫星的位置可以根 据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出1 1 5j 而用户到卫星的距离则通过纪录 卫星信号传播到用户所经历的时间 再将其乘以光速得到由于大气层电离层的干 扰 这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离 而是伪距 p r 当g p s 卫星 正常工作时 会不断地用1 和o 二进制码元组成的伪随机码 简称伪码 发射导 航电文 g p s 系统使用的伪码一共有两种 分别是民用的c a 码和军用的p y 码 c a 码频率1 0 2 3 m h z 重复周期一毫秒 码间距1 微秒 相当于3 0 0 m p 码频率 1 0 2 3 m h z 重复周期2 6 6 4 天 码间距0 1 微秒 相当于3 0 m 而y 码是在p 码 的基础上形成的 保密性能更佳 导航电文包括卫星星历 工作状况 时钟改正 电离层时延修正 大气折射修正等信息 它是从卫星信号中解调制出来 以5 0 b s 调制在载频上发射的 导航电文每个主帧中包含5 个子帧每帧长6 s 前三帧各1 0 个字码 每三十秒重复一次 每小时更新一次 后两帧共1 5 0 0 0 b 导航电文中的 内容主要有遥测码 转换码 第1 2 3 数据块 其中最重要的则为星历数据 当用户接受到导航电文时 提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知 卫星与用户的距离 再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所 处位置 用户在w g s 8 4 大地坐标系中的位置速度等信息便可得知1 1 6 j g p s 接收机对码的量测就可得到卫星到接收机的距离 由于含有接收机卫星 钟的误差及大气传播误差 故称为伪距 对o a 码测得的伪距称为u a 码伪距 精 度约为2 0 米左右 对p 码测得的伪距称为p 码伪距 精度约为2 米左右 g p s 接收机对收到的卫星信号 进行解码或采用其它技术 将调制在载波上 的信息去掉后 就可以恢复载波 载波是收到的受多普勒频移影响的卫星信号载 波相位与接收机本机振荡产生信号相位之差 一般在接收机钟确定的历元时刻量 测 保持对卫星信号的跟踪 就可记录下相位的变化值 然而 由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步 所以除 了用户的三维坐标瓜i i z 外 还要引进一个 t 即卫星与接收机之间的时间差作 为未知数 然后用4 个方程将这4 个未知数解出来 所以如果想知道接收机所处 基于v r 的g p s 仿真实训教学系统的研究与设计 2 3 2 空间直角坐标系 z 轴平行于地球质心指向j y d l 9 6 8 0 地极原点的方向 大地起始子午面平行 于格林尼治平均天文台子午面 x 轴指向经度零方向 y 轴与x z 轴构成右手坐 标系 椭球面和似大地水准面在我国境内最佳符合 采用i a g l 9 7 5 椭球 2 3 3 地方坐标系 地方坐标系可以是任意的独立坐标系 在测量过程中时常会遇到某一城市坐 标系 某港口坐标系或者我们自己为了测量方便而临时建立的独立坐标系 目前 我国的国家坐标系统有1 9 5 4 年北京坐标系 1 9 8 0 年西安大地坐标系 新1 9 5 4 年北京坐标系 它们都是参心坐标系 集到的数据是w g s 8 4 坐标系数据 而目前实际工程测量成果普遍使用的是以1 9 5 4 年北京坐标系或是地方 任意 独 立坐标系为基础的坐标数据1 1 8 j w g s 8 4 坐标系参数 曰 三 日 其中召 工分别代表被测点的经纬度 日代 表被测点点的高程 空间直角坐标 瓜y z 分别代表被测点在三维坐标系中 的位置 w g s 8 4 坐标系与空间直角坐标系之间对应的转换关系为 x n h c o s b c o s l 1 5 y n h c o s b s i n l 1 6 z 厂 f 1 一e 2 日j 7 s i n b 1 7 g p s 系统构建过程的总体设计 第3 章g p s 系统的总体设计 3 1 系统综述 本章主要介绍g p s 仿真实训系统的总体设计过程 在课题组积累的经验和基 础上 本文设计了g p s 仿真实训系统的总体设计方案 将所要设计系统的性质定 位为仿真实训之后 全面掌握了g p s 手簿在实际测量中的使用过程 经过课题组 成员反复使用手簿进行实地测量 认真总结了手簿的使用流程 并结合了g p s 测 量理论 最终确定了g p s 对点进行测量和放样过程的脚本以及系统的框架 选择 系统的实现模式 最后确定了系统的设计方案 本文设计的g p s 仿真实训教学系 统按内容划分四个模块 如图3 1 所示 g p s 仿真实训系统 0 i 参数设置模块 设置基准站模块 测量模块放样模块 i 图3 1g p s 仿真实训教学系统组成框图 f i g 3 1c o m p o n e n td i a g r a mo fg p ss i m u l a t i o na n dt r a i n i n gs y s t e m 3 2 系统结构图设计 g p s 仿真实训教弊系统是依据拓普康定位系统公司设计生产的t o p s u r vg p s 手簿的实际操作过程而设计的 本节将对系统的模块功能的设计过程进行阐述 结构设计图帮助设计者验证用户界面设计的逻辑性 方框表示用户界面对象 箭头表示屏幕间可能的流程 例如 通过主菜单屏幕 可以进入到打开作业界面 或新建作业界面 如果进入打开作业界面 使用者可以在该界面找到以前保留的 点和数据名称 如果净土新建作业界面 使用者可以在该界面建立本次的作业信 息 由于结构设计图提供了系统界面的整体布局