來源：互聯網    作者：羅楚江  滕憲斌  楊期江      
關鍵字：船舶分油機  虛擬現實技術  仿真  

本文針對目前在實船上廣泛使用的Alfa Laval S系列分油機的EPC-50控制系統，設計了船用分油機的三維視景仿真系統。

    船舶分油機是船舶動力系統不可或缺的重要設備之一，其作用是對船舶主機和輔機等設備的燃油和滑油進行分離凈化，其仿真系統的研發有助于輪機模擬器的發展。采用的是以PLC作為控制器，雖然PLC工作穩定可靠，但價格相對貴，增加生產成本。采用單片機作為主控芯片，單片機存在處理速度慢，資源有限等缺點，增加電路的復雜性，也不能夠搭載嵌入式實時操作系統，不能很好的對船舶分油機系統進行仿真模擬。雖然采用了32位嵌入式芯片，但是在軟件的仿真上，采用了二維操作界面，不能真實模擬船舶分油機的狀態。采用虛擬現實技術，制作了船舶分油機的虛擬拆裝3D互系統，但缺乏分油機的管理操作訓練。針對以上問題，本文采用32位嵌入式芯片STM32作為主控芯片，該主控芯片基于ARM Cortex-M4內核，內嵌1M Flash和192KB RAM，并且可以達到168MHz的運行速度，可以輕松運行嵌入式實時操作系統。控制板的軟件設計方面，通過uCOS-II操作系統和以太網通信，實現實時與上位機的交互。采用C#語言，搭建船舶分油機系統的數學模型，并基于3ds MAX和Unity3D平臺，搭建三維上位機操作軟件，將虛擬現實技術引入到船舶分油機模擬器中，建立一個高度逼真的多模式訓練系統，具有很強的沉浸感，從而給學員帶來真實的培訓體驗。

1 系統總體設計

    船舶分油機模擬系統是通過數學建模的方法，結合實物控制箱，將實際船舶上的分油機進行仿真的一套系統，船舶分油機模擬系統結構圖如圖1所示。

 

圖1 船舶分油機模擬系統結構圖

    實物控制箱與實際的Alfa Laval S系列分油機的EPC－50控制箱高度相似，嚴格參照實物進行1∶1比例進行模擬，控制箱由嵌入式控制單元、儀表、液晶顯示器、按鍵、LED信號燈等組成。PC機上運行的是分油機系統仿真軟件，此軟件分成模型端和三維端，船舶分油機的數學模型在模型端中體現，三維端采用3dsMAX軟件對分油機進行建模和材質貼圖，開發完成后發布為。FBX文件，并將該文件導入到Unity3D軟件進行系統合成和交互開發，生成基于Unity3D引擎的三維仿真環境，這其中包括了船舶分油機場景數據庫、Unity3D渲染引擎和碰撞檢測等交互處理。

2 硬件電路設計

    分油機嵌入式控制單元的硬件電路包括電源電路、數字量輸入電路、數字量輸出電路、模擬量輸入電路、模擬量輸出電路、顯示電路、以太網通信電路等部分組成，分油機仿真系統硬件電路設計如圖2所示。電源電路采用船舶控制系統常用的24V直流電源，經過防反接、降壓、濾波處理，形成3.3V用于STM32主控芯片等系統使用。

 

圖2 分油機仿真系統硬件電路設計

    數字量輸入電路和模擬量輸入電路為信號采集部分，數字量輸入主要采集按鍵信號，EPC-50分油機控制面板上共有7個按鍵，STM32通過ZLG7290芯片控制和管理這7個按鍵，ZLG7290芯片采用IIC總線方式與STM32進行通信和數據交互。模擬量采集電路主要用于對傳感器采集的數據進行傳輸與處理，這部分數據包括了凈油出口水分濃度、凈油出口壓力、帶分油溫度和壓力等模擬量，這些信號通過轉換電路轉換成0～3.3V電壓信號后送入STM32，從而實現對溫度壓力等模擬量信號的采集。

    為確保仿真系統的通信實時性，主控單元與上位機采用以太網通信方式，以太網通信芯片采用WIZnet公式生產的W5500芯片，該芯片內部不僅集成了PHY和MAC層，內部的邏輯門電路還實現了TCP/IP協議棧的傳輸層和網絡層，與STM32之間采用通用的80MHz高速SPI進行數據通信，具有占用引腳資源少，操作簡單等優勢。

3 分油機三維仿真軟件設計

    分油機模擬軟件開發應用的工具有MATLAB、Visual Studio 2015、3dsMAX和Unity3D。數學建模工具為MATLAB，在MATLAB中建立分油機控制系統和管路的數學模型，并對模型的正確性進行驗證，在驗證正確性之后在Visual Studio 2015中應用C#建立仿真系統的模型端。分油機三維仿真軟件的系統采用3dsMAX進行三維建模，并在Unity3D中進行系統合成與交互，形成基于Unity3D引擎的虛擬現實環境，分油機三維虛擬仿真軟件系統框架如圖3所示。

 

圖3 分油機三維虛擬仿真系統框架

    分油機三維虛擬仿真軟件系統主要包括了三維模型模塊和數學模型模塊。三維模型模塊由分油機三維場景數據庫、三維圖形渲染和三維圖形交互，三維場景數據庫主要用于存儲分油機、管路、控制箱等的三維模型與貼圖素材，三維圖形渲染采用Unity3D內置的渲染引擎，對顯示效果進行優化，三維圖形交互是用于用戶與三維場景中的交互，實現漫游功能、碰撞檢測功能和三維拾取功能等。用戶通過鼠標鍵盤等外部輸入設備，對分油機三維場景中的閥件、按鈕等進行操作，這些操作通過通信協議傳輸到數學模型模塊中，數學模型模塊對這些操作進行計算并做出響應，輸出的響應同時作用于三維虛擬軟件界面和半實物控制箱，這些輸出結果使得三維軟件和半實物控制柜的指示燈、儀表實現狀態更新，同樣用戶對實物控制柜的操作也是通過網絡通信傳輸到數學模型模塊，并在三維虛擬仿真軟件界面上實時更新顯示。圖4為分油機EPC－50三維仿真界面，圖5為船舶分油機間三維仿真界面。

 

圖4 分油機EPC－50三維仿真界面

 

圖5 船舶分油機間三維仿真界面

4 實驗驗證

    船舶分油機三維仿真系統數據仿真類教學實驗設備，對分油機系統的實驗驗證只要是對其與三維上位機的通信測試、穩定性測試與分油機運行邏輯正確性進行測試。

    分油機三維仿真軟件(上位機)與嵌入式控制單元(下位機)之間采用以太網進行數據通信，其通信協議是UDP協議。通過以太網測試工具進行通信測試，能夠實現正常UDP通信。接下來是實現三維虛擬仿真軟件與嵌入式控制單元之間的聯合調試，將PC機與嵌入式控制單元接入同一個局域網內，測試結果是PC三維虛擬仿真軟件與控制箱的狀態能夠實現同步。按照分油機操作流程進行實驗，可以正常實現燃油凈化，按照EPC－50故障設置進行實驗，也實現故障模擬測試。

5 結束語

    基于嵌入式和三維仿真技術的船舶分油機仿真系統設計，以EPC－50控制系統為母型進行設計，對傳統船舶分油機模擬器進行虛擬設計生成可漫游、交互的分油機訓練系統，采用三維仿真技術，進一步提高了船舶分油機仿真系統環境的真實性，能夠使學員充分掌握分油機系統的操作，提高對故障的分析解決能力。采用ARM嵌入式微處理器，具有成本低，運算速度快的優點，很好的促進了仿真系統的推廣。該船舶分油機仿真系統已經投入實際的生產使用，結果表明該方案可行，并取得了滿意使用效果。

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