CN112598956A - 一种航海模拟器中触控式驾驶系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种航海模拟器中触控式驾驶系统及方法。系统包括教练模块、模拟器以及若干个操船模块；所述教练模块用于对模拟器进行训练科目进行初始化生成训练数据；所述操船模块包括船舶操作面板单元、视景单元、雷达显示单元、电子海图单元以及车钟/舵轮信息采集单元；所述模拟器一方面用于根据所述训练数据模拟船舶航行环境数据，另一方面根据所述操作数据仿真船舶的方向和速度控制数据模拟船舶的运行状态。本发明采用触控式操作，整合了原有航海模拟器驾驶台硬件设备，实现了学员与模拟器间的人机交互，有效解决了现有模拟器驾驶台硬件操作面板数量较多，占据空间较大的问题，降低了用户操作的复杂性。
Description
技术领域
本发明涉及虚拟现实应用领域，具体而言，尤其涉及一种航海模拟器中触控式驾驶系统及方法。
背景技术
根据STCW公约及其马尼拉修正案关于使用航海模拟器进行持续熟练程度的训练要求，航海模拟器在学员培训及评估方面的地位更加突出。另外，在港口和航道的开发应用、通航论证及事故调查分析等方面，航海模拟器也有着广泛的应用。
然而，目前航海模拟器交互方式仍然采用半实物仿真的形式，操作人员使用物理按键对模拟器的操作面板进行操作，操作方式比较陈旧，回馈显示效果不佳。半实物仿真驾驶台的人机交互系统是基于硬件单片机以及编码器、按钮、逻辑电路等硬件电子设备开发而成，不能根据操作功能的需求进行二次开发，且利用物理按键操作硬件设备容易老化。
随着电子触控技术的成熟和触摸屏价格的降低，触控电子产品越来越多，触控操作方式友好、反应灵敏，已成为下一代船舶驾驶台操控的趋势，因此，很有必要在模拟器中用触控式人机交互系统取代硬件交互系统，从而提高航海模拟器的培训效果、降低模拟器的使用和开发成本。
发明内容
根据上述提出的硬件交互系统不能根据操作功能的需求进行二次开发，且利用物理按键操作硬件设备容易老化的技术问题，而提供一种航海模拟器中触控式驾驶系统及方法，能够实现船舶航行时的操作模拟，教学培训效果良好。
本发明采用的技术手段如下：
本发明提供了一种航海模拟器中触控式驾驶系统，包括：教练模块以及若干个操船模块，所述教练模块以及操船模块均通信连接；
所述教练模块用于对模拟器进行训练科目进行初始化生成训练数据，所述教练模块包括编辑单元、数据处理单元以及数据库单元，所述编辑单元用于编辑船舶训练文件信息并发送至数据处理单元，所述数据处理单元将训练任务进行相应的处理后转换为训练数据，并通过UDP传输协议将所述训练数据分别发送至各操船模块，所述数据库单元用于存储学员在操船模块操作后返回的操作数据；
所述操船模块包括船舶操作面板单元、视景单元、雷达显示单元、电子海图单元以及车钟/舵轮信息采集单元，所述视景单元、雷达显示单元以及电子海图单元用于根据接收的训练数据形成虚拟船舶航行环境并发送至模拟器，所述船舶操作面板单元用于接收学员根据所述虚拟船舶航行环境和训练数据执行的操作数据并发送至模拟器，所述车钟、舵轮信息采集单元用于采集仿真系统响应于所述操作数据后得到的仿真船舶的方向和速度控制数据并发送至模拟器；
所述模拟器一方面用于根据所述训练数据模拟船舶航行环境数据，另一方面根据所述操作数据仿真船舶的方向和速度控制数据模拟船舶的运行状态。
进一步地，所述教练单元还用于对操船模块控制模拟器进行训练的过程进行监管。
进一步地，所述训练任务包括船舶航行操作、船舶靠离泊操作、船舶锚泊操作以及拖轮作业操作。
进一步地，所述视景单元包括海上以及港口场景，用于显示白天、夜间及各种能见度情况下的天气情况；
所述雷达单元用于对JRC-JMA-9100系列雷达进行仿真模拟，实现测定船舶位置、海岸线位置、浮标、海浪杂波、避让船舶功能；
所述电子海图单元用于显示本船位置、船舶的静态环境、船舶周围的动态目标信息；
所述船舶操作面板单元包括风向仪表盘、风速仪表盘、船舶RUD仪表盘、船舶RPM仪表盘、船舶SPD仪表盘、船舶ROT仪表盘、罗经表盘、舵轮操作面板、主机控制面板、锚及声号操作面板、计程仪及测深仪操作面板、拖轮操作面板以及缆绳操作面板。
本发明还提供了一种基于航海模拟器的触控式虚拟驾驶训练方法，步骤包括：
通过教练模块对模拟器进行训练科目进行初始化生成训练数据，所述教练模块包括编辑单元、数据处理单元以及数据库单元，所述编辑单元用于编辑船舶训练文件信息并发送至数据处理单元，所述数据处理单元将训练任务进行相应的处理后转换为训练数据，并通过UDP传输协议将所述训练数据分别发送至各操船模块，所述数据库单元用于存储学员在操船模块操作后返回的操作数据；
虚拟器接收训练数据，并根据所述训练数据模拟船舶航行环境数据及船舶运行数据；
学员通过操船模块根据所述虚拟船舶航行环境和训练数据执行操作生成操作数据，将所述操作数据并发送至模拟器，其中操船模块包括船舶操作面板单元、视景单元、雷达显示单元、电子海图单元以及车钟/舵轮信息采集单元，所述视景单元、雷达显示单元以及电子海图单元用于根据接收的训练数据形成虚拟船舶航行环境并发送至模拟器，所述船舶操作面板单元用于接收学员根据所述虚拟船舶航行环境和训练数据执行的操作数据并发送至模拟器，所述车钟、舵轮信息采集单元用于采集仿真系统响应于所述操作数据后得到的仿真船舶的方向和速度控制数据并发送至模拟器；
模拟器根据所述操作数据仿真船舶的方向和速度控制数据，进而模拟船舶的运行状态。
进一步地，还包括通过教练模块对操船模块控制模拟器进行训练的过程进行监管的步骤。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明利用HTML5以及Node.js进行开发设计，实现了在触控屏上进行交互操作船舶模拟器。使模拟器训练不再受时间、场地、设备等因素影响，提高了模拟器的培训效率。
2、本发明设计了航海模拟器的人机交互系统的结构，可以将所有交互操作集中放置在一起操作，根据操作需求进行控制单元之间的切换。
3、本发明参照实体船舶控件外观设计的交互界面，保留了原有操作逻辑，可以模拟实体船舶控件的操作反应过程；开发出的用户界面直观形象，学员交互操作的体验良好。
基于上述理由本发明可在船舶虚拟驾驶训练等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明虚拟驾驶系统结构示意图。
图2为实施例中虚拟驾驶系统硬件结构图。
图3为实施例中虚拟驾驶系统实物图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供了一种航海模拟器中触控式驾驶系统由一个教练模块1和若干操船模块2组成。
教练通过教练模块1编辑船舶训练文件，并将训练文件发送给操船舶模块2；操船模块2根据文件信息形成虚拟船舶航行环境，学员根据该虚拟环境并结合自身操作技能操作设备。
教练模块包括编辑单元11、数据处理单元12、数据库单元13。通过编辑单元11编辑船舶训练文件信息，编辑完成之后，数据处理单元12将训练任务转换为训练数据，通过UDP传输协议分别发送至各个操船模块2，学员在操船模块操作后返回的数据记录在教练模块数据库单元13中。上述训练文件信息包括船舶航行操作、船舶靠离泊操作、船舶锚泊操作、拖轮作业等的操作方法与步骤
操船模块2包括：船舶航行数据单元21、视景显示单元22、雷达显示单元23电子海图单元24、船舶操作面板单元25，船舶车钟、舵轮信息采集单元26；船舶航行数据单元21接收到教练模块1发送的训练文件，将训练数据分别发送至视景显示单元22、雷达显示单元23、电子海图模块24、船舶操作面板模块25，进行相应的船舶航行数据显示。
视景显示单元22进行海上、港口场景呈现，并且直观地显示白天、夜间和各种能见度的天气情况，雷达显示单元23、电子海图单元24与实船真实设备的功能基本相同，只是将其仿真化。
本发明还提供了一种基于上述系统的虚拟驾驶训练方法。步骤包括：
通过教练模块对模拟器进行训练科目进行初始化生成训练数据，所述教练模块包括编辑单元、数据处理单元以及数据库单元，所述编辑单元用于编辑船舶训练文件信息并发送至数据处理单元，所述数据处理单元将训练任务进行相应的处理后转换为训练数据，并通过UDP传输协议将所述训练数据分别发送至各操船模块，所述数据库单元用于存储学员在操船模块操作后返回的操作数据；
虚拟器接收训练数据，并根据所述训练数据模拟船舶航行环境数据及船舶运行数据；
学员通过操船模块根据所述虚拟船舶航行环境和训练数据执行操作生成操作数据，将所述操作数据并发送至模拟器，其中操船模块包括船舶操作面板单元、视景单元、雷达显示单元、电子海图单元以及车钟/舵轮信息采集单元，所述视景单元、雷达显示单元以及电子海图单元用于根据接收的训练数据形成虚拟船舶航行环境并发送至模拟器，所述船舶操作面板单元用于接收学员根据所述虚拟船舶航行环境和训练数据执行的操作数据并发送至模拟器，所述车钟、舵轮信息采集单元用于采集仿真系统响应于所述操作数据后得到的仿真船舶的方向和速度控制数据并发送至模拟器；
模拟器根据所述操作数据仿真船舶的方向和速度控制数据，进而模拟船舶的运行状态。
首先在教练模块1上通过编辑单元11以及数据处理单元12生成船舶训练文件后，通过UDP传输协议发送至操船模块2，船舶数据处理单元21在接收到船舶训练文件后将数据发送给视景显示单元22、雷达显示单元23、电子海图单元24、船舶操作面板单元25，并且进行相应的初始化显示工作。学员通过操作面板单元25以及船舶车钟、舵轮信息采集单元进行船舶航行控制，并且通过船舶数据处理单元21将操作信息发送至视景显示单元22、雷达显示单元23、电子海图单元24进行相应地显示。
下面通过具体的应用实例，对本发明的触控式驾驶系统执行不同训练内容的过程做进一步说明。
1.舵轮的操作。船舶舵轮有三种模式，在本触控式驾驶系统可进行相应的切换，即“FOLLOW UP”(随动舵)、“AUTO PILOT”(自动舵)、“NFU”(应急舵)三种模式。开机时默认为“FOLLOW UP”模式，在这种模式下，使用硬件舵轮控制舵角。学员操舵后，控制舵角显示界面最下方“HELM”区域，实际舵角显示在“RUD ANGLE”区域，当船舶开始转向后，“ROT”区域将显示船舶的转向速率。点击舵操作面板上的“AUTO PILOT”按钮，切换到自动舵模式，有“COURSE CONTROL”模式(航向控制)和“TRACK CONTROL”模式(航迹控制)两种模式，默认“COURSE CONTROL”模式，设置航向以及其他参数(YAWING、RUDDER、COUNTER RUDDER、RUDDERLIMIT)，每个参数设置方法类似，在“AUTO PILOT”模式下，点击上述参数对应的按钮，进入参数设置模式。点击“TRACK CONTROL”按钮进入航迹控制模式，不再赘述。
2.车钟的操作。船舶车钟操作有两种模式，一种是使用车钟操作，另一种是使用面板操作。默认为车钟操作主机模式。学员点击“CLUTCH IN”和“ENGINE STBY/FIN”按钮，两个按钮变成绿色，此时可以使用模拟器上的车钟操作主机。“CONTROLS MODE”按钮负责切换主机操作的模式，点击按钮后在按钮变成绿色时，由面板按钮档位操作主机。面板操作主机模式的初始界面。点击“CLUTCH IN”和“ENGINE STBY/FIN”按钮，两个按钮变成绿色时，使用面板中的车钟令按钮操作主机。
3.锚的操作。船舶锚操作单元位于锚及声号操作面板的左侧，设定为左右两个锚，两个锚的操作方式相同，以左锚操作为例详细说明锚的操作方法。学员点击“LETGO”按钮，待变成绿色，左锚开始抛锚，并且面板上进行速度(SPD(m/min))、锚链方向(DIR(deg))、锚链的力(TENSION(t))、出链长度(LENG(ah))的数值显示。学员点击“HEAVE”按钮，左锚向上绞，点击“SLACK”按钮，松下左锚，学员点击“HOLD”按钮，刹住左锚。
4.声号的操作。船舶声号操作单元有手动和自动两种模式。“AUTO”按钮控制自动播发和手动播发的切换，学员点击该按钮时为自动播发模式，当按钮为橙色时为手动播发模式。学员点击“AUTO”按钮后，进入自动播发模式。具体操作步骤如下：
(1)选择声号类型：“AUTO”按钮附近的按钮是不同的声号类型，点击任意一个按钮，当按钮变成绿色时，表示选中该种类型的声号；
(2)选择声号播发周期：“PERIOD”下方三个按钮为播发周期选择按钮，“60SEC”表示播发周期间隔60秒；“90SEC”表示播发周期间隔90秒；“120SEC”表示播发周期间隔120秒。点击按钮后，开始播发声号。
5.主要航海仪器的操作。船舶计程仪及测深仪操作面板界面的左侧为计程仪(DOPPLER LOG)，界面右侧为测深仪(ECHO SOUNDER)。学员点击“KNOTS”按钮，显示船速度，单位为Knots；
点击“M/S”按钮，显示船速度，单位为m/s；点击“FEET/S”按钮，显示船速度，单位为Feet/s；点击“WATER TRACK”按钮，当按钮变成红色时，表示当前为对地速度；当按钮变成绿色时，表示当前为对水速度。
所述测深仪单元区域显示船舶首尾水深，点击“FATHON”按钮，当前显示的水深单位为fathon；点击“METER”按钮，显示的水深单位为meter；点击“FEET”按钮，当前显示的水深单位为feet。
6.拖轮的操作。船舶拖轮操作面板单元(包括拖轮的位置选择、拖轮马力选择、拖带方式选择以及辅助按钮。下面举例说明功能：
(1)拖轮位置选择：14个数字键表示拖轮拖缆的带缆位置，点击其中的一个按键，当按键变成绿色时，表示这个带缆位置处于选中状态；当按键变成橙色时，表示现在这个缆绳处于待选择状态，没有拖缆连接；当按钮变成红色时，表示当前带缆位置拖缆已经带好；
(2)拖轮马力选择：选择带缆位置后，选择拖轮马力。拖轮马力有四个级别“HP7000”、“HP 4800”、“HP 3000”、“HP 1800”，点击其中一个按钮，按钮颜色变成绿色时，表示当前马力的拖轮被选中；
(3)拖轮拖带方式选择：选择带缆位置后，选择拖轮拖带状态，包括拉和顶推两种状态。以“STOP”按钮为分界线，其上方三个按钮表示顶推，下方三个按钮表示拉。点击按钮，当按钮变成绿色时，表示当前拖带方式被选中；当按钮变成橙色时，表示当前拖带方式处于可选状态，但是并未被选中；
(4)拖轮选择确：点击“YES”按钮，拖轮基础操作完成；
(5)拖轮力显示：数字键中颜色变成红色的，表示当前位置拖缆已经被带好。点击其中任意一个数字键，按钮变绿时，该位置拖缆的拉力将显示在左侧“FORCE(T)”下方的编辑框里。
7.缆绳的操作。船舶缆绳的操作包括缆桩选择、带缆、调整缆绳三种功能，包括以下步骤：
(1)选择船上带缆位置：18个数字键表示船上的带缆位置。点击其中任意一个数字键，如果变成绿色，表示当前位置被选中；如果变成橙色，表示当前位置处于可选状态，但是没有带缆；如果变成红色，表示当前位置已经带上了缆绳；
(2)确认船上带缆位置：选中船上带缆位置后，点击“YES”按钮，表示该位置缆绳已备妥；
(3)松缆绳(备缆)：缆绳备妥后，再次点击计划出缆的位置数字键，点击“PAY OUT”按钮，按钮变成绿色，开始松缆绳，松出缆绳的长度在左侧“LENGTH(m)”下方的编辑框中显示；缆绳的受力大小在“FORCE(t)”下方的编辑框中显示，只有当缆绳处于受力状态时，缆绳力的大小才会显示在编辑框中。点击“P.OUT STOP”按钮，当变成绿色时，停止向外送缆绳；
(4)选择岸上缆桩：选中船上的带缆位置，并且已经向船外送缆绳，在这种情况下，回到电子海图单元界面，用鼠标左键点击海图上的缆桩，表示将当前选中的船上位置缆绳带到码头上的这个缆桩上。
在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (6)
1.一种航海模拟器中触控式驾驶系统，其特征在于，包括：教练模块以及若干个操船模块，所述教练模块与操船模块均通信连接；
所述教练模块用于对模拟器进行训练科目进行初始化生成训练数据，所述教练模块包括编辑单元、数据处理单元以及数据库单元，所述编辑单元用于编辑船舶训练文件信息并发送至数据处理单元，所述数据处理单元将训练任务进行相应的处理后转换为训练数据，并通过UDP传输协议将所述训练数据分别发送至各操船模块，所述数据库单元用于存储学员在操船模块操作后返回的操作数据；
所述操船模块包括船舶操作面板单元、视景单元、雷达显示单元、电子海图单元以及车钟/舵轮信息采集单元，所述视景单元、雷达显示单元以及电子海图单元用于根据接收的训练数据形成虚拟船舶航行环境并发送至模拟器，所述船舶操作面板单元用于接收学员根据所述虚拟船舶航行环境和训练数据执行的操作数据并发送至模拟器，所述车钟、舵轮信息采集单元用于采集仿真系统响应于所述操作数据后得到的仿真船舶的方向和速度控制数据并发送至模拟器。
2.根据权利要求1所述的航海模拟器中触控式驾驶系统，其特征在于，所述教练单元还用于对操船模块控制模拟器进行训练的过程进行监管。
3.根据权利要求1所述的航海模拟器中触控式驾驶系统，其特征在于，所述训练任务包括船舶航行操作、船舶靠离泊操作、船舶锚泊操作以及拖轮作业操作。
4.根据权利要求1所述的航海模拟器中触控式驾驶系统，其特征在于，所述视景单元包括海上以及港口场景，用于显示白天、夜间及各种能见度情况下的天气情况；
所述雷达单元用于对JRC-JMA-9100系列雷达进行仿真模拟，实现测定船舶位置、海岸线位置、浮标、海浪杂波、避让船舶功能；
所述电子海图单元用于显示本船位置、船舶的静态环境、船舶周围的动态目标信息；
所述船舶操作面板单元包括风向仪表盘、风速仪表盘、船舶RUD仪表盘、船舶RPM仪表盘、船舶SPD仪表盘、船舶ROT仪表盘、罗经表盘、舵轮操作面板、主机控制面板、锚及声号操作面板、计程仪及测深仪操作面板、拖轮操作面板以及缆绳操作面板。
5.一种基于航海模拟器的触控式虚拟驾驶训练方法，其特征在于，步骤包括：
通过教练模块对模拟器进行训练科目进行初始化生成训练数据，所述教练模块包括编辑单元、数据处理单元以及数据库单元，所述编辑单元用于编辑船舶训练文件信息并发送至数据处理单元，所述数据处理单元将训练任务进行相应的处理后转换为训练数据，并通过UDP传输协议将所述训练数据分别发送至各操船模块，所述数据库单元用于存储学员在操船模块操作后返回的操作数据；
通过虚拟器接收训练数据，并根据所述训练数据模拟船舶航行环境数据及船舶运行数据；
学员通过操船模块根据所述虚拟船舶航行环境和训练数据执行操作生成操作数据，将所述操作数据并发送至模拟器，其中操船模块包括船舶操作面板单元、视景单元、雷达显示单元、电子海图单元以及车钟/舵轮信息采集单元，所述视景单元、雷达显示单元以及电子海图单元用于根据接收的训练数据形成虚拟船舶航行环境并发送至模拟器，所述船舶操作面板单元用于接收学员根据所述虚拟船舶航行环境和训练数据执行的操作数据并发送至模拟器，所述车钟、舵轮信息采集单元用于采集仿真系统响应于所述操作数据后得到的仿真船舶的方向和速度控制数据并发送至模拟器；
模拟器根据所述操作数据仿真船舶的方向和速度控制数据，进而模拟船舶的运行状态。
6.根据权利要求5所述的基于航海模拟器的触控式虚拟驾驶训练方法，其特征在于，还包括通过教练模块对操船模块控制模拟器进行训练的过程进行监管的步骤。
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2020
- 2020-12-18 CN CN202011507307.2A patent/CN112598956A/zh active Pending
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