CN102651180A

CN102651180A - 一种基于osg的电工电子虚拟实验仿真系统

Info

Publication number: CN102651180A
Application number: CN2012101017157A
Authority: CN
Inventors: 仇佳捷; 张峰; 王子骏; 宁庆
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2012-04-09
Filing date: 2012-04-09
Publication date: 2012-08-29
Anticipated expiration: 2032-04-09
Also published as: CN102651180B

Abstract

本发明涉及一种基于OSG的电工电子虚拟实验仿真系统，包括虚拟实验环境构建装置，用于构建不同实验所对应的虚拟实验环境；虚拟实验环境调取装置，用于根据实验操作要求调取相应的虚拟实验环境；参数设定装置，用于在虚拟实验环境中根据实验的相关内容对相应参数进行设定；实验仿真装置，用于接收设定的实验参数，根据实验求解的数学模型对实验结果进行数学求解，并把结果返回给前台做结果显示。与现有技术相比，本发明具有可快速高效地完成虚拟实验开发、具有良好可扩展性和可移植性等优点。

Description

一种基于OSG的电工电子虚拟实验仿真系统

技术领域

本发明涉及一种虚拟实验仿真系统，尤其是涉及一种基于OSG的电工电子虚拟实验仿真系统。

背景技术

Open Scene Graph(简称OSG)场景图形系统是一个开源的场景图形管理开发库，主要为图形图像应用程序的开发提供场景管理和图形渲染优化功能。一般用于战斗机仿真、游戏、虚拟现实以及科学可视化等高性能图形应用领域。

以Visual Studio作为电工电子虚拟实验的开发环境，Visual Studio是微软公司推出的开发环境，可以用来创建Windows平台下的Windows应用程序和网络应用程序，也可以用来创建网络服务、智能设备应用程序和Office插件。

传统的实验教学需要提供给学生动手操作的硬件环境和软件环境，这需要占用大量的教学资源，尤其在实验内容复杂、危险，实验条件成本较高的实验教学中这种困难尤为突出。而虚拟实验在解决以上问题的基础上对培养学生的学习自主性和积极性等也起到了重要的作用。

虚拟实验近年来已经成为实验教学改革中的一个重点。国内虚拟实验使用在电工电子实验教学中还是比较少的，除了常用的几款仿真软件，如Multisim，Matlab/Simulink之外，还有基于Modelica开发的虚拟实验环境。这两种虚拟实验方式均是基于2D视景，元件符号和2D模型混合搭建的方式，无法提供逼真的实验环境和3D视景，无论是从操作度以及可视性上都有一定的欠缺，对学生融入实验环境进行实验都有一定的影响。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可快速高效地完成虚拟实验开发、具有良好可扩展性和可移植性的基于OSG的电工电子虚拟实验仿真系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于OSG的电工电子虚拟实验仿真系统，其特征在于，包括

虚拟实验环境构建装置，用于构建不同实验所对应的虚拟实验环境；

虚拟实验环境调取装置，用于根据实验操作要求调取相应的虚拟实验环境；

参数设定装置，用于在虚拟实验环境中根据实验的相关内容对相应参数进行设定；

实验仿真装置，用于接收设定的实验参数，根据实验求解的数学模型对实验结果进行数学求解，并把结果返回给前台做结果显示。

所述的虚拟实验环境构建装置包括

三维虚拟场景模块，用于虚拟实验提供虚拟实验平台；

程序框架模块，用于提供实验数学模型计算、命令控制及结果显示的程序。

所述的三维虚拟场景模块包括模型管理单元、视景操作单元、场景渲染单元和用于完成简单动作和粒子运动的动画单元。

所述的模型管理单元中的模型包括电工电子元件的几何模型、实验场景的几何模型、实验现象的物理模型和操作指示的几何模型。

所述的视景操作单元的操作包括视角的角度变化、旋转、放大缩小、模型的拖曳及碰撞检测。

所述的程序框架模块包括实验数学模型求解单元、负责各种命令操作的命令操作单元、提示帮助单元、以及用于显示实验现象和实验结果的结果显示单元。

所述的结果显示单元的窗口界面包括基本对话框和波形显示对话框。

与现有技术相比，本发明具有以下优势：

1)采用高性能开源软件OSG作为虚拟实验环境的图形引擎，其提供大量用以快速开发高性能图形应用程序的库，可以快速高效的完成虚拟实验的开发；

2)OSG支持多种场景裁剪技术、细节层次节点、渲染状态排序、定点数组、显示列表、OpenGL着色语言等技术，可以实现场景动态调度、多线程渲染等机制，并且提供了文字显示、粒子系统、阴影系统、等特效模拟，使虚拟实验环境支持更加丰富的三维图像显示效果，使各种元件设备的几何模型更加逼真，各种物理现象的仿真更加丰富生动，同时支持更强的后续扩展开发的特性；

3)OSG支持多种基本操作类型库，使虚拟实验环境的三维漫游及元件操作更加便捷和人性化，有助于改善学生参与实验时的操作体验，增强学生的学习积极性。

4)OSG作为一个开源的图形引擎，其还具有良好的可扩展性和可移植性，同时不存在成本问题及知识产权问题；

5)Visual Studio中的MFC是非常成熟的视窗软件开发类型库，采用MFC作为软件的框架设计环境，使软件界面更加友好，菜单及工具按钮操作更加简单方便，符合大多数人的操作习惯；

6)基于OSG的电工电子虚拟实验环境以其友好的人机操作接口、逼真的显示模型、丰富生动的实验现象、富有针对性的数据显示和记录功能等丰富了实验教学的手段，尤其在部分实验操作复杂，具有一定危险性，成本高的实验中，这种虚拟实验教学方式体现出巨大的优势。

附图说明

图1为本发明的功能框图；

图2为电弧发生虚拟实验的场景树示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，一种基于OSG的电工电子虚拟实验仿真系统，包括

所述的虚拟实验环境构建装置包括：

三维虚拟场景模块，用于虚拟实验提供虚拟实验平台；程序框架模块，用于提供实验数学模型计算、命令控制及结果显示的程序。

所述的三维虚拟场景模块包括模型管理单元、视景操作单元、场景渲染单元和用于完成简单动作和粒子运动的动画单元。所述的模型管理单元中的模型包括电工电子元件的几何模型、实验场景的几何模型、实验现象的物理模型和操作指示的几何模型。所述的视景操作单元的操作包括视角的角度变化、旋转、放大缩小、模型的拖曳及碰撞检测。所述的程序框架模块包括实验数学模型求解单元、负责各种命令操作的命令操作单元、提示帮助单元、以及用于显示实验现象和实验结果的结果显示单元。所述的结果显示单元的窗口界面包括基本对话框和波形显示对话框。

本发明的工作流程如下：

1)在分析电工电子实验原理及内容的基础上，从中抽象出不同实验所对应的虚拟实验环境，虚拟程序由3D虚拟场景组成和程序框架组成，其中3D虚拟场景由OSG配合三维建模软件完成，其包含对实验相关的物理环境建立的几何模型及其管理模块、场景渲染模块、视景操作模块、以及动画模块；程序框架主要由C++语言编写，包含对实验数学模型进行计算的求解模块、负责各种命令操作的指令模块、帮助模块、基于各种窗口界面的结果显示模块等，将以上这些模块有机整合为一个实验的虚拟实验环境，最后可以将多个实验的虚拟环境整合成为整个电工电子虚拟实验平台；

2)通过调取相应的虚拟实验环境，实验操作者根据实验操作要求对虚拟实验环境进行相关的实验操作，包括对相关元件的移动、摆放，接线，对相应器材的使用调节，来完成整个实验的操作部分，并通过虚拟实验环境中操作模块下的检测功能对实验操作部分进行检测评判；

3)根据实验的相关内容，实验操作者在虚拟实验环境中对相应参数进行设定，包括元件参数、环境参数等，即可对实验现象及实验结果进行仿真；

4)虚拟实验环境的后台求解程序接收相关实验参数，根据实验求解的数学模型对实验结果进行数学求解，把结果返回给前台相关窗口进行结果显示，部分实验的计算结果可以通过虚拟实验环境的动画模块生成实验物理现象渲染到虚拟实验环境的三维环境中，达到数据结果与实验现象的可视化展示。

步骤1)所述的实验的虚拟实验环境包括：

(1)实验环境的几何模型：电工电子元件的几何模型、实验场景的几何模型、实验现象的物理模型、操作指示的几何模型，为虚拟实验实例虚拟电弧发生实验的实验场景的几何模型外观；

(2)实验求解程序：用C++语言编写，包含相关电子元件的数学模型、实验的整体求解数学模型，并将这些数学模型的求解方法抽象出对应的C++语言代码进行程序实现；

(3)视景操作模块：分为三维漫游部分和模型操作部分，其中三维漫游部分包括视角的任意角度变化、旋转及放大缩小，模型操作部分包括模型的拖拽及碰撞检测；

(4)命令操作模块：包括检测实验操作情况、设置及调节实验参数、控制实验开始结束暂停等相关进度；

(5)程序框架：由MFC编写，包含菜单栏、工具栏及对话框，主要作为指令操作及实验结果显示的前台显示部分，通过点击菜单栏的相关菜单项及工具栏的相关工具按钮，调取相关指令，实现指令操作，并将接收到的实验求解数据结果进行实验结果显示。

所述的电工电子元件的几何模型均与求解程序中相应的数学模型相对应，其包含的参数包括：模型的ID、名称、调用几何模型文件的逻辑路径、初始值、数学表达式、初始位置坐标、可否被更改、可否被赋值、可否被拖拽，所述的初始值在不可被赋值的模型中代表其本身的值，在可以被赋值的模型中代表未被赋值时的缺省值，所述的可否被更改表明在实验结果改变或者实验场景改变时是否会更改该模型的几何外形，所述的可否被赋值表明在实验操作中实验操作者是否可以通过指令操作更改模型的数学模型中的值。

所述的实验环境的3D虚拟场景，为树状结构，根据相应的逻辑关系将电工电子元件的几何模型与数学模型、实验场景的几何模型与数学模型、实验现象的动画模型、操作模块分别对应到从根节点、枝节点到叶子节点的各个节点上，如图2所示就是虚拟实验实例虚拟电弧发生实验的树状场景结构。

步骤3)所述的实验现象及实验结果的仿真过程是实验操作者在完成实验操作后虚拟实验环境对实验操作进行检测，检测无误后将实验操作者设定的环境参数及元件参数传入后台求解程序，后台求解程序根据元件的数学模型求解得到相关参数，再根据实验求解的数学模型以及所有数据求解得到实验结果，并根据此结果得出相应的实验现象表示参数，作为实验现象展示的指示标志。

步骤4)所述的实验现象与实验结果的可视化显示是虚拟实验环境的三维实验环境以及窗口界面中的结果显示对话框，接收权利要求5所述的实验结果以及实验现象标志参数，根据实验内容要求，实验结果可以以连续波形以及数据结果的形式显示在窗口界面的结果显示对话框中；实验现象是三维实验环境根据实验现象标志参数对三维环境进行重新渲染，通过OSG粒子系统及动画系统展现的。

以虚拟电弧发生实验为实例，其具体实验操作步骤如下：

步骤1：在虚拟实验平台中选择虚拟电弧发生实验，虚拟实验平台将生成虚拟电弧发生实验的实验环境；

步骤2：在菜单栏中点击操作菜单，调出电弧发生装置的控制面板进行相应的指令操作；

步骤3：通过操作面板中的“复位”、“产生电弧”、“断开电弧”等指令操作按钮，控制虚拟电弧发生实验场景中的发生装置产生电弧，同时可在实验场景中观察到电弧产生的动画效果。

步骤4：通过“启动”和“暂停”按钮，可控制操作面板左侧的波形显示窗口，显示或暂停电弧发生装置中电弧发生电极两端实时的电流和电压波形。

步骤5：通过调节右下的气隙距离滑块来控制电弧发生电极两端的距离，可以观察电极距离与电弧强弱以及电极两端电压电流波形之间的定性关系。

通过以上步骤即可完成对虚拟电弧发生实验的操作以及可视化仿真。

Claims

1.一种基于OSG的电工电子虚拟实验仿真系统，其特征在于，包括

2.根据权利要求1所述的一种基于OSG的电工电子虚拟实验仿真系统，其特征在于，所述的虚拟实验环境构建装置包括

三维虚拟场景模块，用于虚拟实验提供虚拟实验平台；

3.根据权利要求2所述的一种基于OSG的电工电子虚拟实验仿真系统，其特征在于，所述的三维虚拟场景模块包括模型管理单元、视景操作单元、场景渲染单元和用于完成简单动作和粒子运动的动画单元。

4.根据权利要求3所述的一种基于OSG的电工电子虚拟实验仿真系统，其特征在于，所述的模型管理单元中的模型包括电工电子元件的几何模型、实验场景的几何模型、实验现象的物理模型和操作指示的几何模型。

5.根据权利要求2所述的一种基于OSG的电工电子虚拟实验仿真系统，其特征在于，所述的视景操作单元的操作包括视角的角度变化、旋转、放大缩小、模型的拖曳及碰撞检测。

6.根据权利要求2所述的一种基于OSG的电工电子虚拟实验仿真系统，其特征在于，所述的程序框架模块包括实验数学模型求解单元、负责各种命令操作的命令操作单元、提示帮助单元、以及用于显示实验现象和实验结果的结果显示单元。

7.根据权利要求6所述的一种基于OSG的电工电子虚拟实验仿真系统，其特征在于，所述的结果显示单元的窗口界面包括基本对话框和波形显示对话框。