船舶航行姿态控制虚拟仿真实验教学项目

项目简介

中国“三海一核”高层次人才培养基地,哈尔滨工程大学,前身为“中国人民解放军军事工程学院”,是国家首批20所全国重点大学,首批211工程院校。在这重要的科学研究基地中,该项目所属课程《船舶控制系统》是“三海一核”核心课程之一,可为船舶工业、海军装备、海洋开发等领域定向性培养高素质的专业人才。

船舶航行姿态控制虚拟仿真实验教学项目是针对自动化及其相关专业在教学过程中无法搭建真实的实验环境、理论分析结果难以进行测试验证、学生缺乏对教学内容的直观认知问题而研制的。该项目由船舶运动模拟系统、船舶虚拟现实系统、船舶现实增强系统、以及船舶视景仿真系统4部分构成。

 
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在船舶视景仿真系统中,可以在实验设置面板中选择实验类型,并对海浪建模、船舶建模、控制策略和控制参数进行设定。点击应用所有修改,再点击开始仿真,即可观测到船舶视景仿真系统、船舶运动模拟系统以及船舶缩比仿真模型开始实时同步运行。与此同时通过曲线和数据表观察各项参数实时变化。本实验通过改变实验类型及实验参数设定,使学生直观体会不同环境干扰、控制策略等因素对船舶运动控制的影响。

 

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在船舶虚拟现实实验室中可通过手柄自由移动,阅读实验相关原理、操作规范、以及实验注意事项。移动到海岸边实验台上,可观察实验台上的船舶缩比模型。通过手柄扣动扳机进行抓取和缩放操作,以便于近距离观察船舶舵鳍桨以及船舶结构设计。通过改变实验台上海浪指示器的尖端朝向对海浪方向进行控制,观察船舶在不同海浪方向下的运动状态。

 

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佩戴增强现实眼镜后进行船舶现实增强实验,可自由观察船舶舵、鳍、螺旋桨等结构及其组装过程,并通过语音及手势命令进行流程控制。
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该网站于2017年正式上线,截至目前已服务学生300余人。学生可以下载教材配套安卓手机应用,扫描教材中相关图像,以增强现实的方式动态查看三维仿真模型、演示视频等教材拓展内容,打破传统教材局限性,使学生切身体会船舶运动控制相关原理及过程。船舶航行姿态控制虚拟仿真实验教学项目增加了实验的互动性,解决了教学内容抽象、专业知识难以理解、与实际运动相脱节、学生无法身临其境体验真实实验场景的缺陷。
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该项目现已获得省部级科研奖项7项,申请专利30余项,其中20余项已经授权,国家专利优秀奖2项,并于2016年获得国家级教学自研设备一等奖。2017年在威海海洋职业学院进行教学试点,取得了良好的教学效果并被广泛认可。今后5年该项目将继续向社会开放服务,培养相关专业人才。
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下图为学生正在使用船舶航行姿态控制虚拟仿真实验教学项目中小型船舶缩比模型
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