CN107045817A - 船用柴油机虚拟现实操作演示与培训试验台 - Google Patents

船用柴油机虚拟现实操作演示与培训试验台 Download PDF

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Abstract

本发明属于内燃机工程技术领域，具体的说是船用柴油机虚拟现实操作演示与培训试验台，包括虚拟柴油机(1)、传感器信号模拟装置(2)、船用电控系统(3)、负载模拟装置(4)、数据采集单元(5)、虚拟现实单元(6)、教学操作平台(7)和缸压采集单元(8)。本发明可弥补纯数字仿真中存在的一些缺陷，提高整个仿真模拟系统的置信度，提供一种船用柴油机虚拟现实操作演示与培训试验台以满足轮机管理和维护管理技术人员，系统、直观和沉浸式地理解现代智能型柴油机的电控系统的工作原理，提高维护管理水平。

Description

船用柴油机虚拟现实操作演示与培训试验台
技术领域
本发明属于内燃机工程技术领域，具体的说是船用柴油机虚拟现实操作演示与培训试验台。
背景技术
国内船用发动机在虚拟仿真试验、教学和培训方面的发展相对滞后，这与船用发动机自身系统庞大、结构复杂等特点有较大的关系，目前比较有代表性的仿真产品包括面向船舶驾驶员的船舶操纵模拟器和面向船舶动力装置操控的轮机模拟器等。
现在国外船舶主机厂商和研发机构已开发了船舶主机电控系统的仿真模拟器，但这些并非重点模拟柴油机具体的工作原理和工作过程。此类仿真模拟器只适用于主机电控系统结构认知学习和控制参数修改培训，在主机操纵实训及工作原理动态演示等方面还存在不足，而且此类电控系统仿真模拟器采用纯数学仿真，不包相关执行机构实物，也未在仿真模拟器中对执行机构的动作进行模拟，使得培训人员没有完整系统的沉浸感，降低了其操作体验的真实度和实训效果。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，弥补纯数字仿真中存在的一些缺陷，提高整个仿真模拟系统的置信度，提供一种船用柴油机虚拟现实操作演示与培训试验台以满足轮机管理和维护管理技术人员，系统、直观和沉浸式地理解现代智能型柴油机的电控系统的工作原理，提高维护管理水平。
本发明所涉及的船用柴油机虚拟现实操作演示与培训试验台，其特殊之处在于，包括虚拟柴油机、传感器信号模拟装置、船用电控系统、负载模拟装置、数据采集单元、虚拟现实单元、教学操作平台和缸压采集单元。
进一步地，所述虚拟柴油机用于生成柴油机实时仿真模型，发送对应数据至虚拟现实单元和传感器信号模拟装置；所述传感器信号模拟装置，用于根据柴油机实时仿真模型和虚拟柴油机的提供的相应数据，生成对应的物理信号分别传送至船用电控系统、缸压采集单元和教学操作平台；所述船用电控系统，用于将传感器信号模拟装置生成的对应模拟信号进行逻辑运算，根据运算结果输出控制信号至负载模拟装置，并且与教学操作平台进行通信；所述负载模拟装置，用于将船用电控系统输出的控制信号转换为电气信号传送至数据采集单元；所述数据采集单元，用于采集负载模拟装置的电气信号与虚拟柴油机进行数据交互，并将信号传送至虚拟现实单元。
更进一步地，所述虚拟柴油机包括：转速仿真计算模块，用于对柴油机转速进行仿真计算；工作过程模拟模块，用于对柴油机的工作过程进行模拟；传感器模拟控制模块，用于发送对应数据至传感器信号模拟装置，从而控制传感器信号模拟装置信号生成。
再进一步地，所述虚拟现实单元包括虚拟现实仿真模块和虚拟现实显示模块；所述虚拟现实仿真模块包括：通讯数据处理子模块，用于接收虚拟柴油机和数据采集单元发送的对应数据进行处理；三维模型建立子模块，用于进行柴油机的三维模型建立；三维图形渲染子模块，用于柴油机的三维图形渲染；虚拟环境建模子模块，用于柴油机的虚拟环境建模；所述虚拟现实显示模块，用于与虚拟现实仿真模块进行图形交互，从而作为显示载体，包括LED虚拟显示屏、3D眼镜、3D发射器和相关线材附件。
还进一步地，所述教学操作平台包括监控模块、机旁操作模块、远程操控模块和参数控制模块；所述监控模块，用于接收传感器信号模拟装置传送的对应物理信号，包括对教学操作平台进行管理的教学平台管理子模块、显示参数控制模块状态参数的状态参数显示子模块和对错误的参数进行报警显示的报警显示子模块；所述远程操控模块，用于分别与船用电控系统和参数控制模块进行通信，完成远程操控；所述机旁操作模块，用于与参数控制模块进行通信，完成机旁操控。
又进一步地，所述传感器信号模拟装置包括燃油模块、伺服油模块、启动空气模块、曲轴转角模块和缸压模拟信号模块；所述燃油模块、伺服油模块、启动空气模块和曲轴转角模块输出对应物理信号至船用电控系统；所述曲轴转角模块还输出物理信号通过负载模拟装置转换为电气信号传送至数据采集单元；所述缸压模拟信号模块输出物理信号至缸压采集单元。
优选地，所述负载模拟装置包括喷油控制电磁阀、燃油泵调节模块、排气控制电磁阀排气控制电磁阀、伺服油泵调节模块、启动空气模块和公共启动模块。
优选地，所述数据采集单元将负载模拟装置输出的电气信号分别对应转换为电压信号、电流信号和数字量信号与虚拟柴油机进行数据交互。
优选地，所述缸压采集单元包括：信号采集模块、参数显示模块和缸压传感器；所述采集模块，用于接收缸压模拟信号模块输出的物理信号；所述参数显示模块，用于显示柴油机的运行状态。
在上述技术方案中，所述操作培训系统还包括执行机构的零部件，用于提供结构认知和拆装培训功能。
本发明利用硬件在环仿真技术可将含有复杂控制逻辑的电控单元，通过合理的接口与外部执行机构进行集成仿真，弥补纯数字仿真中存在的一些缺陷，提高整个仿真模拟系统的置信度，以满足轮机管理和维护管理技术人员，系统、直观和沉浸式地理解现代智能型柴油机的电控系统的工作原理，提高维护管理水平。
本发明的有益之处在于：
1.本发明可直观反映船用柴油机电控系统组成及结构，体现出船用柴油机的典型结构特征和技术特点；
2.本发明可模拟出真实柴油的工作过程，培训人员可完成主机起动、运行和停车等操纵内容的相关培训；
3.本发明可直观演示船用柴油机电控系统工作原理以及智能型柴油机工作时各冲程的状态；
4.本发明可进行船用柴油机电控系统关键控制参数的设置，同时可直观演示出柴油机相应的反馈动作；
5.本发明能够模拟出柴油机运转时气缸压力的变化，利用所述系统可进行缸压测量系统的操作培训；
6.本发明可进行船用柴油机的关键零部件结构认知与拆装培训。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例的结构框图；
图2是本发明实施例的结构示意图；
图3是本发明实施例中虚拟柴油机的信号流示意图；
图4是本发明实施例中虚拟柴油机的信号输入输出示意图；
图5是本发明实施例中传感器信号模拟装置的信号流示意图；
图6是本发明实施例中数据采集单元的信号流示意图；
图7是本发明实施例中虚拟现实单元的信号流示意图。
图中：虚拟柴油机1、传感器信号模拟装置2、船用电控系统3、负载模拟装置4、数据采集单元5、虚拟现实单元6(其中：虚拟现实仿真模块6.1、虚拟现实显示模块6.2)、教学操作平台7(监控模块模块7.1、机旁操作模块7.2、远程操作模块7.3、参数控制模块7.4)、缸压采集单元8、执行机构零部件9。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1至图7所示，本发明所述的一种船用柴油机虚拟现实操作演示与培训试验台，包括虚拟柴油机1、传感器信号模拟装置2、船用电控系统3、负载模拟装置4、数据采集单元5、虚拟现实单元6、教学操作平台7、缸压采集单元8和执行机构的零部件9。
虚拟柴油机1用于生成柴油机实时仿真模型，发送对应数据至虚拟现实单元6和传感器信号模拟装置2。其中，虚拟柴油机1的作用是模拟船用柴油机的实际工作过程。
虚拟柴油机1包括：转速仿真计算模块，用于对柴油机转速进行仿真计算；工作过程模拟模块，用于对柴油机的工作过程进行模拟；传感器模拟控制模块，用于发送对应数据至传感器信号模拟装置2，从而控制传感器信号模拟装置2信号生成。
如图7所示，柴油机实时仿真单元1的输入信号包括：量油活塞位移、空气启动阀开启信号、燃油喷射开始信号、燃油信号停止信号、排气阀开启信号、排气阀关闭信号和曲轴转角。柴油机实时仿真单元1的输出信号包括：柴油机当前转速、各模拟信号启闭角度、各模拟信号幅值参数和VR运行状态特征参数。
传感器信号模拟装置2，用于根据柴油机实时仿真模型和虚拟柴油机1的提供的相应数据，生成对应的物理信号分别传送至船用电控系统3、缸压采集单元8和教学操作平台7。
传感器信号模拟装置2包括燃油模块、伺服油模块、启动空气模块、曲轴转角模块和缸压模拟信号模块；燃油模块、伺服油模块、启动空气模块和曲轴转角模块输出对应物理信号至船用电控系统3；曲轴转角模块还输出物理信号通过负载模拟装置4转换为电气信号传送至数据采集单元5；缸压模拟信号模块输出物理信号至缸压采集单元8。
船用电控系统3，用于将传感器信号模拟装置2生成的对应模拟信号进行逻辑运算，根据运算结果输出控制信号至负载模拟装置4，并且与教学操作平台7进行通信。
负载模拟装置4，用于将船用电控系统3输出的控制信号转换为电气信号传送至数据采集单元5。所述负载模拟装置4包括喷油控制电磁阀、燃油泵调节模块、排气控制电磁阀排气控制电磁阀、伺服油泵调节模块、启动空气模块和公共启动模块。
数据采集单元5，用于采集负载模拟装置4的电气信号与虚拟柴油机1进行数据交互，并将信号传送至虚拟现实单元6。数据采集单元5将负载模拟装置4输出的电气信号分别对应转换为电压信号、电流信号和数字量信号与虚拟柴油机1进行数据交互。
虚拟现实单元6包括虚拟现实仿真模块6.1和虚拟现实显示模块6.2；虚拟现实仿真模块6.1包括：通讯数据处理子模块，用于接收虚拟柴油机1和数据采集单元5发送的对应数据进行处理；三维模型建立子模块，用于进行柴油机的三维模型建立；三维图形渲染子模块，用于柴油机的三维图形渲染；虚拟环境建模子模块，用于柴油机的虚拟环境建模；虚拟现实显示模块6.2，用于与虚拟现实仿真模块6.1进行图形交互，从而作为显示载体，包括LED虚拟显示屏、3D眼镜、3D发射器和相关线材附件。
教学操作平台7包括监控模块7.1、机旁操作模块7.2、远程操控模块7.3和参数控制模块7.4；监控模块7.1，用于接收传感器信号模拟装置2传送的对应物理信号，包括对教学操作平台7进行管理的教学平台管理子模块、显示参数控制模块7.4状态参数的状态参数显示子模块和对错误的参数进行报警显示的报警显示子模块；远程操控模块7.3，用于分别与船用电控系统3和参数控制模块7.4进行通信，完成远程操控；机旁操作模块7.2，用于与参数控制模块7.4进行通信，完成机旁操控。
监控模块7.1获取培训系统中设备的运行状态，并将关键参数实时显示，当某些运行参数不正常时还可进行报警。参数控制模块7.4可以在监控模块7.1中实时显示参数变化，且虚拟现实单元6对柴油机的工作状态也会做出相应的变化，培训者可通过虚拟现实显示模块6.2观察到柴油机相关性能参数的变化。
缸压采集单元8包括：信号采集模块、参数显示模块和缸压传感器；所述采集模块，用于接收缸压模拟信号模块输出的物理信号；所述参数显示模块，用于显示柴油机的运行状态。
执行机构的零部件9，用于提供结构认知和拆装培训功能，包含了燃油和伺服油系统相关的关键执行机构零部件。
虚拟柴油机1通过以太网与虚拟现实仿真模块6.1进行通信。传感器信号模拟装置2和监控模块7.1通过以太网进行通信，用于检测当前所述系统的运转。船用电控系统3通过CAN/Modbus通讯/物理信号与远程操控模块7.3进行通信。
虚拟柴油机1获取数据采集单元5发送的数据后，通过仿真计算模拟柴油机的起动、运转和停车等过程，使所述培训系统具有可操纵性。虚拟柴油机1模拟计算不同工况下柴油机转速，为所述培训系统中其单元或模块提供曲轴转角信号，以保障控制的同步性。虚拟柴油机1根据当前柴油机运行工况，发送相应的控制命令给感器信号模拟装置2，控制感器信号模拟装置2的信号生成。虚拟柴油机1利用以太网通讯的方式将当前运行状态发送给虚拟现实单元6用于3D视景的建模。
负载模拟装置4，接收接受来自船用电控系统3的控制信号，消除其内部程序的逻辑错误。因为船用电控系统3的控制对象主要是执行机构中的电磁阀，负载模拟装置4通过自制的电路板，利用电阻和电感等元器件模拟出电磁阀的电气特性。
数据采集单元5，虚拟柴油机1所需的执行机构动作信号，即负载模拟装置4发出的电气信号，进行调理和转换后，用数据总线通讯的方式将数据发送给虚拟柴油机1，用于柴油机工作状态的实时仿真计算；同时还将信号传输给虚拟现实单元6。
监控模块7.1通过数据通讯的方式获取操作培训系统中设备的运行状态，并将关键参数进行实时显示，当某些运行参数不正常时，监控模块7.1可进行报警提示，督促管理人员进行故障排查。监控模块7.1可在线协调控制其它单元或模块，如所述培训系统运行前的系统自检、虚拟柴油机1中某些参数的在线修改以及虚拟现实单元6中视觉角度的改变等。机旁操作模块7.2和远程操控模块7.3可完成“控制参数设定”“运行参数修改”，所述培训系统的相关显示参数会实时变化，而且虚拟现实单元6中柴油机的工作状态也会做出相应的改变，培训者观察到柴油机相关性能或参数的变化。但此功能只适用于培训，不能实际改变船用电控系统的内部参数。
缸压采集单元8接受来自传感器信号模拟装置2中各工况的缸压信号，使培训人员可以清楚的知道虚拟柴油机1中各缸的运行状态参数，如：是否怠速运行、是否爆震等。
执行机构的零部件9，包含实机关键执行机构，其中保留了燃油和伺服油系统的相关执行机构零部件。通过这些零部件，使培训人员对于上述部件有一个直观的结构认知及拆装培训，提高了培训人员体验的真实度。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种船用柴油机虚拟现实操作演示与培训试验台，其特征在于，包括虚拟柴油机(1)、传感器信号模拟装置(2)、船用电控系统(3)、负载模拟装置(4)、数据采集单元(5)、虚拟现实单元(6)、教学操作平台(7)和缸压采集单元(8)。
2.根据权利要求1所述的船用柴油机虚拟现实操作演示与培训试验台，其特征在于，所述虚拟柴油机(1)用于生成柴油机实时仿真模型，发送对应数据至虚拟现实单元(6)和传感器信号模拟装置(2)；
所述传感器信号模拟装置(2)，用于根据柴油机实时仿真模型和虚拟柴油机(1)的提供的相应数据，生成对应的物理信号分别传送至船用电控系统(3)、缸压采集单元(8)和教学操作平台(7)；
所述船用电控系统(3)，用于将传感器信号模拟装置(2)生成的对应模拟信号进行逻辑运算，根据运算结果输出控制信号至负载模拟装置(4)，并且与教学操作平台(7)进行通信；
所述负载模拟装置(4)，用于将船用电控系统(3)输出的控制信号转换为电气信号传送至数据采集单元(5)；
所述数据采集单元(5)，用于采集负载模拟装置(4)的电气信号与虚拟柴油机(1)进行数据交互，并将信号传送至虚拟现实单元(6)。
3.根据权利要求2所述的船用柴油机虚拟现实操作演示与培训试验台，其特征在于，所述虚拟柴油机(1)包括：
转速仿真计算模块，用于对柴油机转速进行仿真计算；
工作过程模拟模块，用于对柴油机的工作过程进行模拟；
传感器模拟控制模块，用于发送对应数据至传感器信号模拟装置(2)，从而控制传感器信号模拟装置(2)信号生成。
4.根据权利要求3所述的船用柴油机虚拟现实操作演示与培训试验台，其特征在于，所述虚拟现实单元(6)包括虚拟现实仿真模块(6.1)和虚拟现实显示模块(6.2)；
所述虚拟现实仿真模块(6.1)包括：
通讯数据处理子模块，用于接收虚拟柴油机(1)和数据采集单元(5)发送的对应数据进行处理；
三维模型建立子模块，用于进行柴油机的三维模型建立；
三维图形渲染子模块，用于柴油机的三维图形渲染；
虚拟环境建模子模块，用于柴油机的虚拟环境建模；
所述虚拟现实显示模块(6.2)，用于与虚拟现实仿真模块(6.1)进行图形交互，从而作为显示载体，包括LED虚拟显示屏、3D眼镜、3D发射器和相关线材附件。
5.根据权利要求6所述的船用柴油机虚拟现实操作演示与培训试验台，其特征在于，所述教学操作平台(7)包括监控模块(7.1)、机旁操作模块(7.2)、远程操控模块(7.3)和参数控制模块(7.4)；
所述监控模块(7.1)，用于接收传感器信号模拟装置(2)传送的对应物理信号，包括对教学操作平台(7)进行管理的教学平台管理子模块、显示参数控制模块(7.4)状态参数的状态参数显示子模块和对错误的参数进行报警显示的报警显示子模块；
所述远程操控模块(7.3)，用于分别与船用电控系统(3)和参数控制模块(7.4)进行通信，完成远程操控；
所述机旁操作模块(7.2)，用于与参数控制模块(7.4)进行通信，完成机旁操控。
6.根据权利要求5所述的船用柴油机虚拟现实操作演示与培训试验台，其特征在于，所述传感器信号模拟装置(2)包括燃油模块、伺服油模块、启动空气模块、曲轴转角模块和缸压模拟信号模块；
所述燃油模块、伺服油模块、启动空气模块和曲轴转角模块输出对应物理信号至船用电控系统(3)；
所述曲轴转角模块还输出物理信号通过负载模拟装置(4)转换为电气信号传送至数据采集单元(5)；
所述缸压模拟信号模块输出物理信号至缸压采集单元(8)。
7.根据权利要求6所述的船用柴油机虚拟现实操作演示与培训试验台，其特征在于，所述负载模拟装置(4)包括喷油控制电磁阀、燃油泵调节模块、排气控制电磁阀排气控制电磁阀、伺服油泵调节模块、启动空气模块和公共启动模块。
8.根据权利要求7所述的船用柴油机虚拟现实操作演示与培训试验台，其特征在于，所述数据采集单元(5)将负载模拟装置(4)输出的电气信号分别对应转换为电压信号、电流信号和数字量信号与虚拟柴油机(1)进行数据交互。
9.根据权利要求8所述的船用柴油机虚拟现实操作演示与培训试验台，其特征在于，所述缸压采集单元(8)包括：信号采集模块、参数显示模块和缸压传感器；所述采集模块，用于接收缸压模拟信号模块输出的物理信号；所述参数显示模块，用于显示柴油机的运行状态。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的船用柴油机虚拟现实操作演示与培训试验台，其特征在于，所述操作培训系统还包括执行机构的零部件(9)，用于提供结构认知和拆装培训功能。
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