虚拟仿真电子技术（精选12篇）
虚拟仿真电子技术 篇1
近年来,为了提升中国制造业在国际中的竞争力,国家开始广泛将最先进的数控技术引入职业学校机电专业,力求有一个崭新的发展机遇,但这也是对于以传统教学为基础教育的挑战。虽然增加了在中国的各类职业学校数控技术专业人才的培养力度,但是制造业的巨大漏洞还是使得在设备与人员上存在聚大的差距。因为地区的差异,经济的因素以及政策的原因,导致职业教育的发展很不统一,很多职业学校,特别是没有国家及地方投资的非示范校职业学校教学的现状仍面临数控设备严重缺乏,教学理论滞后,实践教学和理论教学中心的重心错位,小规模的人才培养严重不足,教师的知识结构不完善,和许多其他问题。虚拟现实技术的数控技术专业教学模式探索的新组合是必要的,为了实现数控专业教学小投资,见效快,适应性训练的学生,企业需要培训的目标。解决这个问题的一个重要途径是使用虚拟的仿真模拟教学。
1 使用虚拟数控仿真软件数控教学装置,设备,处理的三维显示
传统工艺一本书或活动挂图来查看图形数控设备或组件,或在现场教导学生观察实际的教学设备,以获得各种感性的形状。利用虚拟现实技术建立一个计算机用同一种,如Pro/E的建模使用3D零件或3D机床,数控设备和虚拟化,以及这些对象存储在仿真三维的课堂,只要我们进入虚拟空间,从不同的角度,可以在任何时间和场合,了解这些设备,还能够观察各部分的内部结构,甚至单独的设备,可以帮助学生理解设备的组成,结构和工作原理,提高学习效果。
2 使用虚拟数控仿真软件仿真,模拟训练教学
教学数控车床或铣床价格比较昂贵,一般的机床也要十几到二十几万不等,而企业的加工数控机床,从几万几千百万不等。然而,财政困难,许多职业学校数控设备严重缺乏,教师的教义教导学生独立动手操作,真正动手操作的机会很少,只能在黑板上讲课与进行书本知识的描述,“有些职业学校数控设备的数量是非常有限的,只有学生做示范试验,不能满足实践教学,每个学生将在数控机床操作独立稍加培训时间和培训重点,只能够进行简单的数控机床的操作,学校的培训严重脱离生产实际,培训效果不佳。使用虚拟数控仿真软件建立一个虚拟实验室,学习者可以进入虚拟实验室,身临其境的虚拟仪器,如虚拟数控设备的故障检测维修的各种虚拟数控系统的连接和组装,安装虚拟数控设备,这个虚拟的实验既不是消费设备,不受场地和其他外部条件,可重复操作,直到你来到一个满意的结果,虚拟实验室,将不会导致操作失误和事故所造成的
3 利用虚拟数控仿真软件实现的数控加工仿真教学系统
虚拟数控仿真软件的核心是虚拟数控机床,数控机床操作和过程的三维仿真环境,虚拟数控机床数控机床来完成大部分的教学功能,弥补了课堂上的理论教学不足的差距,利用虚拟仿真软件,内容丰富,各种类齐全的数控铣床,数控车床,数控加工中心,其中包括在国内和国外的先进的数控产品,以及各种常用的机床操作面板和软件系统。虚拟的教学中所涉及到的数控机床的知识包括:定义坐标系,面板的安装,工件的夹紧,安装盗具,基准的选择,机床手动操作。虚拟数控仿真软件来模拟部分的过程中,你可以测试NC程序指令正确,可以提供实时的机器的操作面板完全相同,NC程序的调试,编辑,修改和跟踪执行功能也是一应俱全。学生在身临其境的虚拟经营各类数控机床的数控仿真软件,可以充分发挥数控加工的常用操作,如操作模式选择,编辑操作的刀,刀具补偿确定和输入和输出操作程序,修改,保存和检索操作。数控学习者需要动手练习,学生机床操作培训时间。
4 实现虚拟数控仿真教学与真实生产加工的联系
虚拟数控仿真软件不仅可以独立运行在一台计算机,也能实现在本地区域网络(LAN)网络上运行。数控加工仿真系统的硬件设施,独立操作计算机模拟的虚拟数控机床模拟操作面板的电脑显示器,以及部分虚拟数控机床的切削过程三维动态图形演示。虚拟数控仿真系统,运行在本地区域网络(LAN)系统通过网络传输的真机上的虚拟数控仿真验证程序连接到学生通过与计算机的实际,五金零件切割工艺,那么除了操作仿真面板操作,与实际机器的真实情况。
5 可实现网络数控培训及考核
职业教育自成立以来,所采取的测试已经基本通过了在小学和中学基础教育的测试模式选择筛选和分级的目的形式单一,封闭的书面考试,学生在考试时只需要知道,理解,记忆,掌握的内容。这种考试制度只是对学生能力知识的检测,没有解决问题的能力,缺乏动手能力,知识转移与创新,导致可怜的职业学校毕业生的操作能力和整体素质低的现象,严重影响了职业教育的使命,阻碍了职业教育向高层次的发展。虚拟数控机床强大的网络功能,远程教育和培训,不仅仅是有一个双向的互动教学功能仅在区域网络,也有基于互联网的双向互动远程教学,卫星,宽带数据传输可以使用方式。这使得数控培训远程学习名副其实,采用远程网络学习,作业,考试等功能,被测验者能自动保存成绩查询和分析等功能,方便了无纸化考核和评价。
利用虚拟现实技术教学有助于调整课程的进步和学生的积极性,动手的能力,利用每个学生在虚拟环境中的进步,从而达到教学的目的预期性。
虚拟仿真电子技术 篇2
【摘要】本文主要从目前大学物理实验教学现状出发，探讨了虚拟仿真实验教学模式的特点与优势，简单介绍了仿真实验在大学物理实验教学中的应用问题，进而培养创新型人才具有重要的参考价值。
【关键词】大学物理实验;虚拟仿真实验;应用问题
1.引言
大学物理实验是一门面向理工科学生开设的基础课程，在培养学生动手能力和科学研究方面发挥着重要的作用。但由于实验仪器复杂、精密、昂贵等原因往往不能允许学生自行设计实验参数、反复调整仪器，不利于学生自行设计实验参数、反复调整仪器、剖析仪器性能和结构、理解实验的设计思想和方法。而仿真实验的引入能突破课堂实验教学时空条件的限制与约束，相对于传统实验教学能更加容易揭示物理现象与其他重要的内在规律，能给学生提供独立创新的实验平台，充分发挥学生的积极主动性。实际教学中，由于实验室和师资力量等限制，很难提供给学生大面积实验预习的环境，使学生无法对实验环境建立直观认识;由于教学时间和手段限制，教师也无法有效的对学生的预习情况进行有效检查。这样导致实验教学中长期存在“走过场”，严重影响了教学质量的提高。目前，我校已购买科大奥锐科技有限公司开发的实验预习和自动评判系统和大学物理仿真实验教学平台，有效地弥补了传统实验教学中存在的不足。
2.大学物理实验教学现状
学生基础薄弱，动手能力差,并且大学物理实验理论性较强。另外，实验仪器陈旧，内容笼统，多数仪器经过多年的使用过于老旧，易受损。实验项目也大都趋向于验证性的实验，缺少设计性和综合性的实验项目，与先进的科学技术和实际应用脱轨，对培养学生的科学素养和动手能力作用甚微，导致学生学习的积极性和主动性下降。目前，专职实验教师稀缺，这就导致了实验仪器设备维护，实验教学效果欠佳。
3.仿真实验在大学物理实验教学中的应用
3.1仿真实验的主要优势。
(1)自由性高。学生可根据实验方案选择合适的仪器自主完成实验，激发各层次学生学习兴趣。
(2)互动性强。仿真实验具有高度的开放性，学生可以随时进行访问站，完成系统当中现有的验证性实验，也可自行设计实验。通过系统模拟出真实的实验环境，有助于学生创造力和想象力的开发。
(3)效率高。虚拟仿真大大提高了工作效率，学生可以通过实验平台进行预习，实验操作等，教师通过系统能够查询学生完成实验项目情况，有利于实验教学的良好有序进行。
3.2实验预习和自动评判系统。预习是物理实验教学的.重要环节，通过预习环节，学生实验中才有目的、有指导地进行操作和观察,独立思考，利用掌握的知识对现象进行合理分析讨论，解决实验问题。学生通过物理实验预习和实验报告自动判卷系统用户截面上通过学号登录，下载升级实验预习大厅软件进行考试。根据教学要求自动形成预习安排，学生在线预习、模拟操作、完成对实验原理、仪器原理的理解，做到课前胸有成竹。系统自动记录学生预习情况，通过专家系统自动评判，教师通过系统了解学生的预习情况，针对性的调整教学要点。另外，每个学生实验操作的初始状态和测量值都是随机产生，所对应答案各不相同，从根本上避免了考试中实验操作的作弊现象。同场考试可调用多分卷子，可安排学生对应不同的试卷，有效避免书面试题的作弊现象，从而对实验教学质量的提高具有重要的作用。
3.3大学物理仿真实验平台。大学物理仿真实验平台的引入，很大程度上加强了虚拟实验的模型设计，建设与理论考试相结合的在线实验预习环境，从根本上解决了实验仪器状况及师资力量不足的问题。仿真实验代替了学生按书本抄袭实验步骤、实验原理的过程。促使学生在做真实实验前了解实验过程和仪器操作，能够完成一完整的学习链过程，提高实验教学质量，同时很大程度上减少教师批改预习的工作量，使课堂教学实现自主学习、有利于实验教学的良好有序进行。
4.结语
虚拟仿真电子技术 篇3
关键词：虚拟仿真技术；电子信息类专业；教学
虚拟仿真技术，是一种借助于计算机进行图形处理，实现图像再现的方法，将其引入电子信息类专业教学中，有助于提高教学质量与学生兴趣，拓展学生的知识面，丰富课堂的教学内容，培养学生的应用创新意识与能力。
一、虚拟仿真技术及其在电子信息类专业教学中的应用优势
虚拟仿真技术在电子信息类专业教学中的应用，主要体现在两个方面，一是虚拟仪器，二是仿真。其中，虚拟仪器利用“软件即仪器”的思路，借助于虚拟仿真软件，实现了一系列仪器的功能。仿真是指借助于模型开展电子信息类实验，通过仿真软件等的模拟功能，模拟实验环境与过程，达到教学实践与理论相结合的目的。
虚拟仿真技术在电子信息类专业教学中的应用，改变了传统的以教师为中心的单项输入式教学模式，通过指导性的虚拟实验设计与自主学习活动设计，增强了学生的主体地位，最大化地节约实验教学成本，打破了时空的限制，可在任何地点、任何时间进行电路仿真，便于利用便携式硬件及虚拟仪器验证仿真结果，极大地提升了实验效果。学生可以借助于虚拟仿真技术迅速完成实验，避免了大量枯燥的反复操作，提升了教学实验测量、显示精度，节约了该环节所需时间，为学生提供了更多实验探索设计的机会，同时，还确保了实验过程的安全性。
二、电子信息类专业教学中虚拟仿真技术的典型应用
1.Multisim软件
该软件是NI公司所研发的一款专业化电子仿真软件，具有操作简便、易上手等优势，其元器件十分丰富，而虚拟实验仪器更是功能强大，不仅提供了万用表、示波器等多种常用仪器，还兼具虚拟网络分析、频谱分析等功能，操作方便。该软件在电路类课程中的应用十分广泛，由于通信電子线路课程具有较大的难度，理论知识过于抽象，因此，理论教学无法使学生深刻地理解。若想采用专业化通信设备，就要投入庞大的资金，这也是很多学校无法承担的，因此，可以借助于虚拟仿真软件模拟实验过程。
例如，在讲解调制解调器时，为了帮助学生理解三种调制，可以利用Multisim软件进行二极管桥型调幅电路的绘制，借助于“虚拟示波器”XSC1，就调幅信号所观测到的波形进行展示，这样学生可以清晰地看到波形变化与调载幅度变化保持一致，频率、相位并没有发生变化，学生可以对任意参数进行修改，并对波形变化规律进行观察，无需担心会对测试仪器造成破坏。利用该软件帮助学生学会如何使用虚拟示波器，再碰到实物示波器时，学生就能从容地操作了。
2.Proteus软件
该软件包括ISIS、ARES两个软件，其中，ISIS是一款电子系统仿真软件，能够对模拟、数字、模数混合电路进行仿真，并对微控制器系统及其电子元器件进行仿真，实现了软硬件的充分结合与实时仿真。以单片机课程中的LED点阵为例，其虽然结构较为简单，但加上驱动电路，要想使学生理解其显示原理仍较困难。可以利用Proteus软件，绘制8×8点阵电路图，点阵行采用74LS245作为驱动，由P2口进行控制，点阵列由P1口进行控制，并动态显示出来，再将源代码装入单片机，即可实现模拟仿真。采用该软件仿真极大地调动了学生的兴趣，便于其更好地理解LED显示原理。
3.MAX+plus II软件
该软件包括设计输入、处理、校验、编程下载等四大部分，提供诸如VHDL、AHDL等多种硬件设计的输入语言功能。该软件为硬件编程提供了条件，实现了硬件的在线升级，可以根据自身需求设计出独一无二的集成电路，因而在数字电子技术课程中有广泛的应用。例如，在设计一位全加器时，包括三种输入ain、bin、cin和两个输出sum、cout，通过绘制其内部原理图，软件可自动生成全加器逻辑符号，并对其逻辑波形进行观察。通过对波形时序关系进行分析，明确所设计全加器是否存在错误，是否需要修正。若无问题，可以选择菜单中的芯片型号，如选取EPM7128SLC84-15芯片，并对管脚重新加以分配、定位，将编程进行下载，完成操作过程。
三、结语
如今，虚拟仿真技术已经成为创新型电子信息类专业人才培养的必要手段。通过虚实结合、虚实互补模式，提高学生综合应用、工程实践与创新的能力，同时，实现了电子信息类专业教学资源的开放化与深度共享，全面提高电子通信类专业的教学效果。
参考文献：
程思宁，耿强，姜文波，占永宁.虚拟仿真技术在电类实验教学中的应用与实践[J].实验技术与管理，2013，21（7）：213-215.
虚拟仿真电子技术 篇4
一、虚拟仿真电子技术实验的优点
目前在我们的电子技术实验中普遍采用的教学方式传统且陈旧,实验学时有限,基本上是验证课堂理论教学内容,学生获得信息量少,感性知识少,学生的视野不广。同时受到实验条件的限制,学生分析、解决电子技术小型综合系统的能力差,动手操作能力弱,离综合培养目标还有很大距离。在很多学校里,实验箱是现成的,可做的实验也是有限的,学生的动手热情和创新思维受到抑制,很多学生做实验都是敷衍了事。引入了先进的电子设计自动化EDA技术—虚拟“电子工作台”后,学生可借助EDA软件的仿真功能,很方便地解决以前只是凭空想象的一些问题,提高了理论的可信性。学生可以自行设计各种实验电路,甚至小型电子系统,并仿真出结果,如果不符合要求,随即更换元器件,直到满足要求为止。学生可以不受实验仪器和实验条件的制约,不论实验电路多么复杂,都可以仿真和模拟,从而得到预期的实验结果。
二、虚拟仿真电子技术实验存在的问题
采用电子技术实验虚拟化以后,虽然体现出了许多优点,但是也存在着不可忽视的缺点。这些缺点,有的是这种新的教学方式本身所固有的,有的是我们在教学中对于这种新的教学手段缺乏经验所带来的。在教学中我们发现,有的学生用计算机仿真的能力很好,实际的动手能力却很差。仿真的虚拟实验仅是用虚拟的元器件、虚拟的仪器连接成一个“虚拟”电路,它们不是真实的,不是实际的。在真实的、实际的实物中可能会出现某些异常现象和故障,这些现象和故障在虚拟实验中绝对不会出现的,用虚拟的方法也是解释不通的。
三、虚拟仿真电子技术实验的具体实施
从所存在的问题来看,虚拟实验不能替代所有的实际实验,虚拟电子实验和实际实验两者之间应该是相辅相成的关系。
EDA设计技术将增强教师、学生掌握与应用EDA虚拟实验中常用仪器和元器件的实践能力,弥补高校扩大招生后实验室元器件与常用仪器缺乏带来的不足,避免了实验室元器件原材料的消耗与常用仪器缺乏带来的不足,避免了实验室元器件原材料的消耗与常用仪器损坏,帮助教师、学生加深对电子系统概念与原理的理解,弥补课堂理论教学不足,通过电子系统电路仿真,可以熟悉实验室常用元器件的测量方法与常用实验仪器使用方法,进一步培养学生的实验能力、综合分析问题能力、排除故障能力、开发创新能力。
明确教学改革要立足于培养创新人才,基础课要加强基础,拓宽知识,增加实践能力的精神为实验教学改革的指导思想,我们选择了信息领域中适合应用虚拟仪器EDA设计技术的方向,构建了EDA虚拟实验室;建立常用仪器和元器件的虚拟原型,以及系统化的虚拟原型;建立模拟与数字单元电路;构建虚拟元器件和仪器工程数据库;编制网络远程实验软件,以Windows,Work Bench,Matlab,VHDL语言、VB语言作为系统软件的开发平台,利用数据采集卡、PLD/FPGA开发系统和PC机资源作为通用硬件,开发虚拟仪器。
EDA是一个正处于迅猛发展之中的新兴技术领域,相关的软、硬件产品很多,产品升级换代也很快。因此,在选择教学内容时,必须根据我校的实际情况,加以合理取舍,使学生既学得懂又用的上。在进行电子技术实验教学虚拟化时,应不断总结经验,适当调整实验大纲,减少一些不太重要的实验内容,学生在经过必要的动手实物实验的基础上,通过仿真来加深对基础理论的理解,形成预习仿真—实践操作—仿真检查这样一个教学模式,使得虚实相济,让所学的知识更加巩固。
EDA实验可分两个阶段来完成,实验的第一阶段可与“模拟电子技术”、“数字电子技术”课程同步进行,这样可以巩固课堂学习的效果;第二阶段应进行一些设计,提高学生的创造性能力,而实验报告的形式应改变一下,一般实验报告的顺序是:实验目的→实验原理→实验仪器→实验数据及其分析→实验体会与设想→实验思考及建议。但就E D A实验来说,应改变这一教案,不拘一格,实验报告强调设计的思路和方案、实验数据与分析、改进方法与效果等等。
为此我们认为应“以学生发展为本,以培养学生创新精神、实践能力为主要内容”,在这一基础上来探讨电子技术实验,从形式、内容进行更新,在教学内容上,除保留传统的教学内容外,增加培养学生的设计能力的内容,如设计单级放大器时,提示电路的指标、输出电压峰值是多少、中频段电压放大倍数是多少、频带要求及输入输出阻抗等,类似的题目也应由浅入深,多设计一些选学内容与研究性内容由学生选择。在书写实验报告时,可改变传统实验报告的格式,增添设计过程、性能指标验证、解决方法等内容。使教学变得生动、活泼,并且对不同的学生能自动调整教学方式和进度。
四、结论
开设EDA电子线路实验教学的目标是提高学生电子线路的整体水平与素质,使得学生学习电子技术时,不仅要掌握基本原理和计算公式,而且在掌握基本原理的基础上,着重培养对电路分析、设计和应用开发的能力。通过计算机完成电路的功能设计、性能分析、时序测试以及印制版的自动布线,使学生了解EDA技术进行产品设计的基本过程。与传统的实验相比较,采用计算机虚拟技术进行电子线路的分析和设计,突出了实验教学以学生为中心的开放模式,不仅实验的效率得到提高,而且提高了学生对电路的综合分析能力和创新能力。当然,在EDA的实验教学中,要摆正与课堂教学的关系。既不脱节又要体现本课程的特色,利用本课程机动灵活的特点,将学生引导到当代电子科学技术的前沿。调动实验课指导教师的积极性,将其最新科研成果融入实验教学中,提高教学质量,充分发挥学生的主观能动性。
摘要：阐述了电子技术虚拟实验与实际的实验之间相辅相成的关系以及它存在的必要性。
虚拟仿真电子技术 篇5
陆辉，缪明月
（首都经济贸易大学城市经济与公共管理学院，北京100070）
摘要：人口、产业和财富高度聚集的城市也聚集着越来越频繁的险情和危机，如何搞好危机应急管理已经成为一个不容回避的问题。高校作为培养人才和传播知识的场所，应当着眼应急管理实践性、操作性强等特点，积极研究应急管理实验教学的方法，建设城市应急实验室，把实验室建设成为服务教学科研、政府企业以及普通民众的平台，为更好地解决城市的应急管理问题提供有力支撑。
关键词：高校；应急管理；实验教学；仿真技术
作者简介：陆辉，首都经贸大学城市经济与公共管理学院，工程师，硕士，研究领域为应急管理、教育信息化；缪明月，首都经贸大学城市经济与公共管理学院，交通运输规划与管理工程博士，研究领域为城市管理。
应急管理是公共管理的一个重要的分支领域，主要研究内容涵盖了应急管理所有重要环节，掌握城市应急管理的基本理论、方法、技术，能够快速有效、科学合理地处理各类公共危机事件，是城市管理实践对于公共管理人才的新要求。由于应急管理自身存在实践性、实操性强的特点，涵盖预防与应急准备、监测与预警等环节的城市应急管理实验室成为不可或缺的教学实训平台。近些年来，不少高校、科研机构、企业对应急管理实验教学系统进行了研究，开发了一些教学系统，总的看这些教学系统存在适应突发事件种类有限、仿真效果较差、定量评价和分析基本没有。本文将以应急管理教学仿真系统及首都经济贸易大学城市应急管理实验室为例，探讨解决城市应急管理实验室建设的问题与对策。
一、应急管理仿真教学系统及实验室建设现状
7月28日召开的全国防治非典工作会议指出，要加快建立健全各种突发事件应急机制，大力增强应对风险和突发事件的能力。抗击非典催生了我国现代应急管理，也催生了我国的应急管理教育事业。
到，河南理工大学、防灾科技学院、劳动关系学院、华南农业大学先后开展了应急管理本科教育。近年来，我国应急管理教学培训呈现了如火如荼的局面，一些大学及科研机构纷纷成立了应急管理研究机构。4月23日全国第一个应急管理学院在暨南大学成立，全国综合性大学基本都成立了应急管理研究所、应急管理研究中心或基地等。此外，各级党校、行政学院也都将应急管理作为党政干部培训的主干课程。回顾美国高校应急管理教育发展的历程，也不过20多年时间。1983年，北德克萨斯大学设立了美国第一个应急管理专业，授理学学士学位，到1995年只有4所大学设立相关专业。从1995年开始，应急管理专业在美国大学获得了快速发展，截至，47个州的266所大学开设应急管理、国土安全等相关本科、专科专业或专业证书班，其中，62所大学开始应急管理全硕士授权专业，32所大学开始国土安全硕士授权专业，9所大学开设应急管理博士学位专业，3所大学开设国土安全博士学位专业。美国的联邦紧急事态管理局（FEMA）每年举办一次应急管理高等教育大会，召集全美国高校（现在也有国外高校参加）应急管理相关专业的代表讨论应急管理的热点问题和应急管理高等教育的发展方向，它已经成为美国推动应急管理教育和培训的发动机。国内高校应急管理实验室有两大特点：一是着重防灾和应急技术手段研究，研究过程中主要以航空、遥感等高科技手段为支撑。如：北京师范大学减灾与应急工程重点实验室主要侧重自然致灾因子研究，针对不同致灾因子设置不同配套设备的实验室，分布于全国相关灾害易发地。二是着重应急政策和管理等方面研究。如：中国科学院研究生院工程教育学院应急管理实验室，是在应急管理专业委员会和中国优选法统筹法和经济数学研究会的支持下，开展以应急资源、应急预案为主要内容的研究。
二、首都经济贸易大学应急管理虚拟仿真实验室建设定位
1. 强化首都核心功能与发展城市应急管理的需要。《北京城市总体规划》（2004―2020）中首次提出：北京未来的发展定位是“国家首都、世界城市、文化名城和宜居城市”。世界城市的主要特征表现为国际金融中心、决策控制中心、国际活动聚集地、信息发布中心和高端人才聚集中心五个方面。北京市“十二五”规划明确指出：提高城市抗灾应急能力，要按照“平灾结合、以防为主、快速反应、措施有效”的原则，完善体制机制，建设具有强大危机应对能力的城市。虽然经过SARS事件处置和奥运会承办工作，北京城市应急管理水平得到提升，但就建设世界城市的目标看，城市应急保障能力还有较大差距，尤其是理论和实操能力兼具的应急人才的.缺乏，制约了城市应急管理发展速度。
2.专业学科发展的需要。当前我校公共管理、管理科学与工程等学科发展日益强化各相关学科的相互交叉与融合，集中聚焦在城市运行管理决策平台上，突出城市应急管理研究与应用的重要性。我校城市经济与公共管理学院本科有行政管理、城市管理、公共事业管理和土地资源管理四个专业，研究生培养有公共管理一级学科和区域经济二级学科，我校信息学院有管理科学与工程博士点，安全工程学院有安全工程相关本、硕专业。建设智慧化的城市安全运行管理、突发事件应急预测与评估管理实验系统有助于各个学科融合发展、共同提高，符合我校“十二五”规划发展要求，得到学校各方面的保障与大力支持。
3.应用型创新人才培养模式的需要。随着人才培养目标向复合型、应用型管理人才转变，必然要求教学方式从单纯课堂灌输的传统教学模式，向融入更多操作技能和社会实践的实验教学模式转变。实验教学重视培养动手和实践操作能力，发展实验教学已成为我国教育事业“十二五”规划和我校“十二五”规划确定的发展任务与目标。面向城市的公共管理专业具有实践性、操作性强的特点，必然要求实验室作为教学支撑。城市应急管理实验室将满足行政管理（含电子政务）、城市管理（含区域经济管理）、公共事业管理、土地资源管理诸专业本科学生、MPA、区域经济硕士以及北京市相关干部培训的迫切需要，成为首都各级党政机关及其领导干部进行应急管理模拟演练的实训基地。
4.整合资源构建智慧城市管理教学研究平台的需要。城市经济与公共管理学院拥有城市国际化、城乡一体化、都市圈、城市环境建设、政府监管与公共管理等研究平台，均有明确的和长期的研究方向，在教委的支持下，积累了大量世界主要城市统计数据、京津冀地区大城市统计数据、北京市各年代各专业层次规划图册。另外，已建设的数字城市实验室和其他科研项目还积累了一些设备。但由于数字城市实验室按常规学生上机机房式教室标准配置，难以适应智慧城市发展背景下的城市公共管理人才培养和教学研究新要求，通过建设城市应急管理实验室整合上述数据和设备，建立一个以北京大都市区为模板的城市运行研究平台，可以实现最终建成满足城市管理决策、运行和危机应对三大功能的“智慧城市实验研究中心”的发展目标。
三、应急管理实验教学仿真系统的特色
1.管理方法与地方实际相融合。利用应急仿真教学系统，可以搭建具有三维效果的当地路网图。同时可以输入当地实际的OD数据、流量数据、信号灯配时数据，紧贴城市布局和城市运行实际，具有动态仿真效果。
2.交互体验与动态演示相融合。应急仿真教学系统是构建全部关键环节的实操平台，教师可以通过键盘和鼠标点击操作，制造各类应急事件；仿真后台可以对事件的进展与演变进行实时仿真。学生分组进行操作，各部门负责人有单独操作平台，也有信息传送、汇总、发布平台，教师利用这个平台可以提问，并汇总学生传输的答案。
3.常态管理与应急管理相融合。由于应急仿真教学系统具有强大的仿真功能，且能够进行跟踪记录，记录每一时刻的路网平均车速、主要路口等灯排队长度、道路流量等重要数据，所以应急管理实验中心既能开展应急管理教学，也能对日常管理措施调整、大型活动组织等开展仿真研究和教学工作。
4.学生主导与教师引导相融合。在应急管理教学活动中，学生分组进行操作，各部门负责人单独操作，也有信息传送、汇总、发布平台，整个过程体现学生为主，教师为辅的新型教学理念。主要可以开展的教学项目：一是指导学生搭建路网、构建三维模型和图景，从而加深对现实路网的认识，熟悉应急地理信息，同时学生搭建的路网和三维模型可以储存下来，并入应急仿真教学系统，扩大应急演练教学的地理范围；二是开展应急处置演练培训与教学、科研工作；三是组织开展应急预案设计、评价与优化。
5.虚拟仿真与实景展示相融合。应急仿真教学系统可以与实景沙盘实现互联互通，即通过改变系统中的交通流量、信号配时、LED等数据信息实现对实景沙盘中相关信息的调整与控制。实验中心分为虚拟体验室和实景展示室，分别承担虚拟仿真突发事件处置过程和沙盘演练、实景展示应急管理相关知识。
6.多元主体主观评价与系统定量评价相融合。评价应急管理的优与劣、成与败，需要检测很多指标，其中数据指标通过综合评价系统实时记录从准备阶段到措施实施后阶段虚拟预算、预案实施、临时措施、城市运行变化等信息数据来实现。获得数据包括：路网实时平均车速、道路实时流量、重要路口等灯车辆排队长度、救援车辆运行速度与时间等，其他数据可以定制。
本项目计划通过2～3年的研究和实践，经过总结、再调研与多方论证，计划建成地震危机模拟与感知分析实验教学系统、城市交通应急智慧管理模拟教学系统、城市应急实验室智能管理系统、跨平台协同应急模拟演练教学系统等先进且实用的实验系统，通过这些系统的建设最终搭建满足城市运行、管理、决策和危机应对实验功能的“智慧城市运行与应急管理实验中心”。
参考文献：
[1]郑彦平，贺钧。虚拟现实技术的应用现状及发展[J].信息技术，2005，（12）。
[2]周红军，王选科。虚拟现实系统概述[J].航空计算技术，2005，（01）。
虚拟仿真电子技术 篇6
关键词：仿真技术；教学质量；实效性
职业教育的根本目的是为社会培养高素质的技术技能型人才。在深入推进中等职业教育改革创新的过程中，要正视职业教育资金有限的现实，充分利用学校现有资金与设备，大力提升实训教学质量，把企业的岗位能力需求作为专业教学和实训的内容，提高职业教育的针对性和适应性，为经济建设服务。职业类学校可以通过应用虚拟仿真技术，较好地实现这一目标。
一、实训教学使用虚拟仿真技术的必要性
要真正做到使职业学校培养的学生与企业需求零距离，就必须改革人才培养方案，教学内容要贴近企业岗位需求，加大实训时间，且实训内容要模拟企业工作过程。但是目前职业学校在加大实训时间和模拟工作过程方面存在很大的困难，原因在于：（1）近几年职校规模不断扩大，特别是制造加工类专业在校生比例更高，而加工制造类专业的实训设备一般价格比较昂贵，以职校的财力是无法保证购置满足实训需求的设备数量的。（2）制造类设备一般比较庞大，所以要求的场地也很大，职校要建立完善的实训基地也存在困难。（3）加工制造类科技发展很快，现使用的专业教材相对略显滞后，各职业学校添置的实训设备也不可能经常性地升级更换，所以从教材内容到实训设备都无法一直保持和技术发展相适应。（4）目前职校的专业教师大多没有经历过企业生产一线的工作实践，所以无法接触到企业的实际工业案例，更别说引入到学校的专业教学中，所以学生在校内实训的内容往往是基础性的或者是由设备限定的。（5）加工制造类的实训设备一般功率较大，校内实训耗电大、材料损耗大、设备维护费用高等，所以学校的实训经费压力也较大。（6）有些专业课程技术性较强，许多知识看不见、摸不着，传统的教学方法以讲解、做题、画图、演示性实验等为主，学生接受起来有一定的难度，学生需要通过生产性的实训来掌握技能、获得知识。
为了能有效地解决以上问题，学校可以在机械、机电专业等工科类专业实训过程中，充分应用虚拟仿真技术，来提升实训质量，借助各种虚拟软件、仿真设备，将抽象的过程形象化。如，张家港某职业学校近年来添置了上海宇龙数控仿真软件、美国PTC参数技术公司的Pro/engineer（普鲁易）三维建模设计软件、电工电子类PCV印刷电路板设计软件等虚拟仿真教学软件，充分利用虚拟软件易学易用、有强大的交互能力等特点，提高教学效率。同时，还与上海厚载智能科技有限公司校企共建（西马特）数控车仿真理实一体化实训室；与美国参数技术（上海）软件有限公司、南京培杉软件科技有限公司共建数字化设计与制造校内实训基地等，将仿真教学穿插于技能实训教学过程中，来提高学生的动手能力，实现校内实训教学与企业岗位对接的零距离，使学生进入岗位后能很快适应企业生产需要，实现人才培养的新突破。
二、实训教学使用虚拟仿真技术的实用性
在技能训练和教学活动中广泛应用虚拟软件和仿真实训设备，在一定程度上弥补了技能实训设施设备不足的欠缺。各学校都非常重视实训设施设备的投入，但相对于实训教学的需要，仍远远不够，使用虚拟仿真技术替代设施设备进行训练，待练习到一定程度后再改用生产设备训练，或者生产设备训练与仿真训练交替进行，可以最大限度地加大学生的实训时间，帮助学生在技能上熟能生巧，同时借助于仿真软件，可以满足教学中的个性化需求，实现与企业实际生产的接轨。
比如，在机电专业教学与实训过程中，教师根据银行自动存取款机的描述及具体要求，利用单片机仿真实训平台中的相关模块及元件，模拟一台银行自动存取款机控制器；再如，根据双色球包装演示系统的背景描述及其控制装置的具体要求，借助机电一体化组装与调试仿真实训设备，搭建双色球包装演示系统，并进行模拟生产；利用电气安装仿真实训设备，教师设计一个工作间电气安装工程施工单，学生在仿真设备上模拟施工，完成配电装置和照明的安排等。再比如，在数控专业教学过程中，学校借助数控模拟软件和数控仿真实训室，首先安排学生利用宇龙数控虚拟软件进行模拟操作，让每个学生都有充足的时间来学会编程、操作方法，为下一步的实际操作也做好准备。在此基础上，安排学生到数控仿真实训室进行实训练习，进行理论与实践的“学做合一”初、中级学习。因为一些数控系列小型机床的操作方法、编程原理与普通型数控机床原理和方法一样，学生通过对小型数控机床的学习与操作，能很快掌握数控操作要领，从而大大提高了学生的操作水平。同时，在数控仿真实训室进行实训的材料可以是铝棒、塑料件，这大大节约了实训的成本，但取得的效果却和学生在生产大机床上用钢件实训的效果是一样的。经过在数控仿真实训室实习以后，学生的技能操作水平达到中级水准，然后，再组织学生进入校内实训车间进行生产性实训，进一步提高操作技能，达到高级工及以上的技能操作水平。
三、实训教学使用虚拟仿真技术的实效性
1.借助虚拟软件和仿真设备，学校减少了资金的投入，充分利用了有限资源，提高了实训的实效。以往，学校机械专业学生人数比较多，虽然学校的数控设备也很多，但要使实践性教学的课时比例达到50%还是有一定的难度。通过虚拟技术和仿真设备的运用，保证了学生有50%以上实践性教学课时的学习时间。虚拟仿真技术的应用，也可以加快学校教学改革的步伐，便于学校形成“做学教合一”实训教学改革新模式：学生的实训过程通过任务的布置（学）—学生的操作（做）—教师的讲解（教）—学生的检验修改应用—师生总结等环节实施，学生在学习专业基础理论知识的同时又可以进行技能操作训练，有效地避免了理论学习内容与实训教学内容两张皮的现象。
2.虚拟仿真技术在教学中的运用，调动了学生的学习积极性，提高了学生的技能水平。学生真正学到技能，毕业生成为企业的抢手货，受到用人单位的欢迎。
3.虚拟仿真技术在教学中的运用，促进了教师队伍的快速成长。比如，通过与企业合作开发虚拟仿真软件，可以提升教师的专业水平和实践水平。
随着科学技术的不断发展，有着沉浸性、交互性和构想性的虚拟仿真技术带来了教学改革发展的新革命，让我们在实训教学过程中实现了教学内容的变革，教学方式的创新，教学质量的提升。我们相信，虚拟仿真技术会让我们获得更多发展，获得更大的超越！让我们充分享受这一革命带来的变化吧！
作者简介：朱劲松，高级讲师，江苏省张家港职业教育中心校 副校长，江苏省首批领军人才，研究专长：职业教育实训教学管理研究，校企合作机制研究。
（作者单位 江苏省张家港职业教育中心校）
汽车虚拟仿真设计技术发展探究 篇7
1 通用汽车CAD设计技术
通用汽车CAD设计技术是进行汽车设计的基础平台,利用它可以在设计过程中完成汽车产品的造型、零件设计、装配设计,并生成数模和工程图纸。主要分为二维CAD设计和三维CAD设计,下面将详细阐述这两类设计技术所涉及的软件的应用。
1.1 二维CAD设计
1.1.1 Auto CAD
对于二维设计软件来说,Auto CAD是当前世界上应用最广、最普遍的。它是由美国的欧特克公司开发的一款二维绘图设计软件,绘图员可以通过它来完成设计图形的新建文件、打开原有文件、管理各类文件、输出文件以及区域集成共享文件等。Auto CAD软件在国内外应用非常广泛,很多二维绘图的标准都是根据它来定包括国内外各企业间图纸的交流、设计方案的制定以及加工原料的要求等,都是利用了它的DWG文件格式。如图1所示为Auto CAD工程图纸的一个实例。
尽管Auto CAD软件本身的功能非常丰富,但其还预留了很多可以让用户在其平台下进行二次开发,设计出适应各自行业发展的专用软件,汽车、建筑和航天等都有涉及,现在已经汉化的非常成熟,适合中国人操作。
1.1.2 清华天河PCCAD
清华天河PCCAD通过先进的技术,在保留了传统经典Auto CAD功能平台的同时,开发了更加智能化、特征化、参数化、专业化、用户化、标准化、集成化的软件。
此软件主要特点有5个,一是绘图效率高,比直接使用Auto CAD要快5-8倍;二是有多种数据接口,既可以利用各种现有资源,生成明细表,绘制表格等,还能通过导出文本文件和天河通用导出各种类型的数据;三是它的参数化、系列化国标库和零件库,并完全基于参数化的设计,提高一些标准件和常用件绘制的效率。四是二次开发手段方便,技术人员可以方便地扩充它的功能,开发适合自己的符号库和零件库。当然,国内还有很多不同的绘图特点二维CAD设计软件,见表1。
1.2 三维CAD设计
1.2.1 Pro/Engineer
Pro/Engineer又名Pro/E,是由美国的参数技术公司开发的三维CAD设计软件,它的主要特点是参数化设计应用,是参数化设计最早的利用者,是当今世界上主流的CAD/CAM/CAE软件之一,汉化成熟,因此在国内很多的汽车企业特别是重型汽车的产品设计领域占有很大的比重[2]。图2所示为Pro/Engineer绘制的铲车三维图。
1.2.2 UG
UG是一个交互式的CAD/CAM设计软件,它功能非常强大,尤其是模具设计、制造与加工方面有很大的优势,可以轻松实现各种复杂实体及造型的设计建模。UG于1969年开始开发,研发开始主要是基于工作站,利用C语言实现的。但随着计算机硬件的发展以及个人用户的增长,在计算机上的应用取得了快速增长,现在已经逐渐成为模具行业主流的三维设计软件。现在已经汉化的非常成熟,适合中国人操作。图3所示为利用UG软件绘制的奥迪轿车三维图。
1.2.3 Solid Works
Solid Works公司于1993年成立,1995年推出第一套Solid Works三维CAD设计软件后,发展异常迅速,到2010年就推广到全球销售。后来法国达索公司将它收购后加以开发,作为主要的销售品牌。它的主要特点是界面最接近Windows系统,会基本的计算机操作基础就可以快速学会,而且网络开源资料非常多,好学易懂,完全汉化,备受广大设计工程师的青睐。
1.2.4 CATIA
CATIA用途很广泛,在航空与航天、汽车、船舶、建筑等方面都有涉及到。用途最多的是汽车行业,比如国外用它来设计汽车产品的有福特汽车、通用汽车、宝马汽车、丰田、本田、雷诺、菲亚特、三菱等,在国内有上汽集团、一汽集团、奇瑞汽车等大公司也在使用。航空方面有波音麦道、空客、达索飞机等,欧盟各成员国和美国的军方都用CATIA进行设计。
CATIA主要特点是曲面、结构设计能力非常强大,设计精度非常高,汉化程度较高。图4为利用CATIA绘制的发动机内部结构。
2 多体动力学仿真技术
多体动力学仿真技术是随着三维设计技术的发展而产生的专门针对复杂机械系统的运动学和动力学进行模拟仿真的工具。最初只用来研究刚体的仿真,现在随着柔体动力学的发展,刚柔耦合的多体仿真技术已经趋于成熟。汽车系统多体动力学仿真类软件主要有ADAMS、SIMPACK、DADS等,下面就主要的ADAMS和SIMPACK两中来介绍。
2.1 ADAMS
ADAMS是多体动力学仿真设计用途最广的软件之一,由美国MDI公司开发,在全球各大汽车企也广泛应用。它拥有完善的绘图环境,能及时调取自己的零件库,丰富的约束库和力库,还有先进的拉格朗求解器,能进行静力学、运动学和动力学仿真分析。参数化的设计界面可以进行机构的优化设计[3]。
ADAMS不仅能够进行静力学、运动学和动力学分析,还预留了很多开放性的程序结构和多种接口,并且从2013版开始汉化,便于一些分析工程师进行二次开发,进而研究出适合自己的设计工具。
2.2 SIMPACK
SIMPACK软件是由德国的INTECGmbh公司研发的专门针对机械和机电系统运动学与动力学仿真分析的多体动力学分析软件。它以多体系统计算动力学为基础,涵盖多个专业模块和领域的虚拟样机开发系统软件。SIMPACK软件的主要应用领域涉及了汽车、轨道铁路、航空与航天、轮船等行业。SIMPACK软件包括运动学和动力学的基本模块、轮轨专门模块、汽车模块、发动机模块、柔性体处理模块、CAD接口模块和优化模块(Optimization)等部分。图5所示为利用SIMPACK软件构建的后排料水泥搅拌车的虚拟样机模型。
3 结构强度分析技术
对于新车开发中的零部件、系统以及整车的疲劳、寿命、振动、噪声、轻量化等结构强度和刚度问题[4],可借助结构强度仿真分析技术在设计阶段解决,从而大幅度提高产品的设计质量,缩短了产品开发周期,同时还避免了反复试制带来的损失,节省了开发费用。汽车用的结构强度分析类软件主要有Hyper Mesh、ANSYS、MSC/NASTRAN、ABAQUS等。
3.1 Hyper Mesh
在结构强度分析技术领域,Hyper Mesh主要特点是前处理划分有限元网格的功能非常强大。它能让结构强度分析工程师在高度交互及可视化的环境下进行仿真分析工作。其他有限元前处理器不如Hyper Mesh的图形设计界面方便、智能,他可以将在通用三维CAD软件中建好的几何模型直接快速的导入,并且导入模型质量非常好,基本上不用大幅度的修改,从而提高了工作效率。Hyper Mesh也具有一定的后处理器模块,能完成各种复杂的仿真,像一般有限元软件都能产生的云图、曲线标和动画等[5]。如图6所示为Hypermesh设置的摩托车轮胎周围的计算流体力学网格。
3.2 ANSYS
ANSYS软件是一种常用的结构强度分析软件,它由全球最大的有限元分析软件公司美国ANSYS公司开发,能够进行机构结构静力学分析、结构强度和刚度、流体动力学分析、磁场分析、电场分析、声场分析等方面的仿真分析,且能够轻松的同大多数通用的三维设计软件进行模型、数据共享和交换,比如常见的CAD设计软件Auto CAD、Pro/Engineer、UG、solidworks等,是当今世界机械、汽车、航天、船舶等工业产品设计中的高级分析工具[6]。图7为ANSYS软件分析的构件云图。
当然在一些结构强度分析过程中,分析工程师要善于利用各个分析软件的特点进行利用,比如可以利用Hyper Mesh方便智能的前处理器对产品进行网格划分等前处理,再利用ANSYS的LS-DANA求解器进行计算,再通过后处理对结果进行分析。
4 结语
本文通过对汽车设计过程中用到的虚拟设计软件进行研究,得到汽车虚拟仿真设计技术的发展现状以及存在的问题,以及各种设计软件的特点及联合利用,还有国外软件现存的汉化问题、专业化二次开发问题等,为汽车虚拟仿真设计提供参考依据。
摘要：利用汽车虚拟仿真设计技术进行汽车产品的设计开发,既可以提高产品的设计精度和质量,还可以大幅度降低产品的生产成本和研发周期,在汽车产品设计中的应用前景将非常广阔。本文为系统了解汽车虚拟仿真设计技术的发展,通过研究国内外汽车虚拟仿真设计软件设计过程的特点,总结了汽车设计中虚拟仿真技术的应用,对汽车设计水平的发展具有指导参考意义。
关键词：汽车,设计软件,虚拟仿真,发展探究
参考文献
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[5]温志伟,陈江海.CAE在汽车开发中的应用[J].中国水运(理论版).2007(08).
虚拟手术仿真系统关键技术的研究 篇8
1.1 医学数据处理
主要包括数据存取数据预处理。对于医学仿真系统来说, 医学数据存取I/O模块是进一步数据处理的基础。I/O模块需要对常见的医学图像种类提供存取和显示功能。在I/O模块存取医学图像之后需要对原始图像中感兴趣的部分进行提取和数据预处理, 然后才能进行下一步的三维重建和可视化处理。这里需要一些预处理技术, 比如图像增强、边界提取、分割和配准等等。Insight Segmentation and Registration Toolkit (ITK) [2], 是一个开源软件系统, 广泛的用于医学图像数据集的分割和配准。
1.2 三维重建
经过数据预处理阶段以后, 需要进行进行三维体数据可视化。最常用的绘制技术包括面绘制和体绘制。面绘制根据采样值的分布变化确定物体的边界, 然后用适当的数学方法描述物体表面, 进而表现器官和软组织表面特征。体绘制在不构造物体表面几何描述的情况下, 直接对体数据进行显示, 可以不同的程度表现物体的细微结构变化[3,4]。面绘制通常比体绘制速度要快, 但需要避免出现一些绘制错误的发生。常用的算法是移动立方体Marching Cubes[5]及其变形。Visualization Toolkit (VTK) [6]是一个常用的三维数据可视化显示的开源工具库。
1.3 变形模型
仿真的真实感很大程度上取决于仿真的准确性和变形模型下的计算效率。变形模型应该能够准确的模拟器官和软组织被刺戳、拉伸、切割时引起的形变, 并在绘制的时候保持必要的实时性。物理模型能够体现物理的材料特性。在手术仿真中, 质点弹簧模型和有限元模型是最经常使用的两种三算法。离散的质点弹簧模型计算复杂度低且易于实现。有限元模型对连续特征进行严格的数学分析来进行机械建模, 从而得到了较好的仿真精度, 但是会产生较大的计算量。
1.4 碰撞检测
在手术仿真过程中, 虚拟手术器械和虚拟器官之间的碰撞检测至关重要。层次包围盒方法经常用于碰撞检测, 包括沿坐标轴的包围盒 (AABB) 、包围球 (SBB) 、方向包围盒 (OBB) 等。为了保证碰撞检测的实时性和精确性, 在此可以考虑采用混合模型算法, 将OBB和AABB结合起来发挥各自不同的优点。AABB首先用来初步检测碰撞是否发生, 如果发生了碰撞再用OBB进行精确检测。否则, 在采用OBB算法之前碰撞检测结束。
1.5 虚拟切割
在仿真手术过程中, 对虚拟手术刀、超声波刀这些虚拟手术器械的使用无疑将会对医科学生或者新医师在今后实际手术操作中起到极大的帮助作用。通常虚拟切割分为累进切割和非累进切割两种。非累进切割在手术刀切割并离开伤口后才将伤口割开, 而在从开始切割到手术刀离开之前的过程中不显示伤口被且隔开的效果。所以在手术刀运动位置和切割效果之间产生了一个较为明显的延迟。累进切割解决了这个延迟的产生, 它在切割过程中实时的显示出伤口切开的效果。但是也随之增加了时间复杂度和对临时分割的存储管理的复杂度。将累进切割和非累进切割结合起来发挥它们各自的优势, 将会成为设计虚拟切割算法的一个不错的选择。
1.6 触觉反馈
同任意物体的触觉交互是手术仿真的一个不可或缺的基本功能。通过触觉反馈界面, 训练者可以在手术仿真过程中感觉到接触或者力反馈的效果。这样, 训练者就会在一个由计算机和专业设备搭建的虚拟手术环境中体会到了同真实手术一样的触觉效果。目前, 触觉反馈设备已经用来进行更真实和实时的模拟操作。VR系统中常用的触觉反馈设备有Sensable公司的PHAN-TOM和3Dimmersion公司的CyberForce等等。通常, 采用PHANTOM设备, 和其提供的GHOST API来产生对三维可变形器官和软组织的切割产生的触觉反馈效果, 这样的设备能提供1kHz的触觉反馈更新输出。
1.7 仿真内核
在手术仿真过程中, 各种任务将协同工作, 仿真内核在其中起到了一个控制中心的作用。仿真内核的主要作用包括任务调度、协调交互操作、模块之间的交流信息分发以及资源配置管理等等。这些需要建立执行顺序、各个模块之间的同步和连接并且需要明确制定出模块间的接口。
2 总结和展望
准确性和实时性是虚拟手术系统至关重要的性能指标, 良好的系统架构和功能模块的设计将为此提供必要的保障。最后设计的测试计划, 将从系统的可用性和效果进行评价。进一步的系统开发是我们接下来的工作, 我们相信虚拟手术必将会为外科手术训练和制定术前计划提供积极的帮助作用。
参考文献
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虚拟仿真电子技术 篇9
航天技术的发展与太空兵器装备的出现,使得现代战场逐步由陆地、海洋、空中延伸到太空。太空作战是现代化的航天武器装备、信息技术、通信技术、侦察技术、网络技术、高级决策能力之间的较量。我国空间战场虚拟环境研究现在尚处在起步阶段,而通过国外的软件如STK,WTK进行作战仿真研究又存在版权、保密性的问题。开发具有自主知识产权的、形象直观的空间作战仿真系统是一个迫切需要解决的问题。
本文根据空间作战仿真的特点,就实现空间作战仿真虚拟环境的关键技术进行了论述,给出了作战仿真的体系结构,为了提高仿真速度简单描述了一种空间目标轨道快速计算方法[1],只对可见的轨道进行轨道计算,不可见部分不予考虑。对于地球与卫星的绘制和动画的实现的关键技术也进行了说明,利用OpenGL和VC++6.0的编程技术实现的对卫星轨道的计算、显示和动态控制,该系统可以直接应用于空间作战仿真虚拟环境中。
2空间作战仿真体系结构
体系结构是系统完成的首要环节,根据空间作战仿真的实际需求,指挥者和作战员需要对空间目标进行实时观察并能够及时做出作战决策,进行作战仿真。因此这一仿真体系按功能可分为四个部分:空间作战可视化系统、空间作战仿真系统、空间作战流程仿真系统和数据库支撑系统。体系结构图见图1。
空间作战可视化系统是是接收并处理其他系统所产生的仿真数据,利用计算机三维真实感图形技术/计算机动画技术将仿真数据以有效的形式表现出来。为指挥者和作战员提供直观、逼真的战场表现形式。空间作战可视化系统又分为战场态势显示子系统和战场环境显示子系统。空间作战仿真系统是依据航天动力学模型模拟航天器等空间目标在轨道运行情况,使其为作战提供服务。空间作战流程仿真系统是对作战过程中各步骤(或称活动、环节)发生的先后次序,以及同各个步骤相关的人力、资源、信息资料的调用等进行管理,从而实现空间作战过程的自动化管理,是一种在作战流程逻辑形式化表示的驱动下,通过软件的执行从而实现完全地定义、管理和执行作战流程的系统。本系统数据库主要是由轨道数据库、目标模型数据库和三维场景数据库组成。
3空间目标轨道快速计算
空间目标-卫星及空间碎片的轨道计算直接影响着仿真速度,是空间作战仿真系统的关键技术之一[1]。
根据北美防空防天司令部发布的预报[2],目前在轨卫星和空间碎片的总数是11 770,如若同时对这些空间目标进行轨道计算,计算的目标相当多,计算量势必会很大,仿真速度会有明显的下降,所以提出一个高精度,更简单的轨道计算方法。利用卫星的初始轨道根数预先对空间目标轨道曲线进行了分割,筛选出落入视线内的轨道曲线,只对可见的轨道进行计算,不可见部分不予考虑。因此轨道的快速计算方法分为两个步骤:
(1) 轨道的可见性判断;
(2) 可见轨道的计算。
3.1 轨道可见性判断简单描述
借用了透视裁剪体对轨道进行可见性判断的预处理。透视裁剪体与空间目标轨道有3种位置关系如图2所示:轨道完全可见;轨道部分可见;轨道完全不可见。以这3种位置关系为依据,借用了推广的Cohen-Sutherland端点编码的算法[2]思想,对裁剪体六个表面分成的27个空间区域进行了6位二进制编码,具体编码方法可见文献[3]。之后是对轨道曲线选取控制点,控制点的选取见图3。利用这些控制点对轨道进行可见性判断,本系统通过函数OrbitClip(parameter orbitpara)来实现轨道可见性判断的。
3.1.1 控制点选取
如图3所示,A,B,C,D四点是椭圆轨道的特殊点,这4个点将轨道曲线平均分成了4个部分,M,N,P,Q四点连线形成了包围轨道的最小矩形。A,B,M三点连线组成了包围1/4椭圆的三角形。因此我们将A,B,C,D,M,N,P,Q八个点叫做轨道的控制点。在进行可见性判断的过程中还会陆续的增加控制点,如图3中看到的L,K两点。
3.1.2 轨道可见性判断描述
首先计算8个控制点的ECI坐标,进行编码并进行存储,通过函数pcode( )实现编码。根据M,N,P,Q四点的编码情况判断整个轨道曲线是否完全在裁剪体内。若不能确定进而取轨道曲线的1/4进行判断,这里选取曲线AB。判断三角形ABM,若完全在裁剪体内,说明曲线AB是可见,如若不是分别考虑3种情况:
(1) A,B均在裁剪体内,用函数CountJoint1()实现。
(2) A,B有一点在裁剪体外,用函数CountJoint2()实现。
(3) A,B均在裁剪体外,用函数CountJoint3()实现。
利用了二分的思想来求取轨道曲线与裁剪体表面的交点,取曲线两端点之间所夹真近点角的一半对应的轨道曲线上的点作为二分点,如图3中的Pm点所示。以Pm为一个端点分别判断曲线PmA和曲线PmB,最终找到交点为止。具体算法的论述参见文献[1]。
3.2 可见轨道计算
轨道完全可见的情形可以直接用考虑J2项的轨道摄动模型进行计算。若轨道不完全可见,对于任意给定时刻t,首先对二体运动下的时间周期T取余运算得到tL,将存储的交点所对应的一个周期内的时刻粗略求出(利用真近点角与运行时间的关系),将这些时刻与tL进行比较便能够估计此时空间目标是处在哪个可见段上,然后加入摄动模型进行较为精确的计算。通过函数CountOrbit()完成轨道的计算。
4空间环境建模与绘制
空间目标模型的建立与实时显示也是本作战仿真系统的关键技术之一。根据空间目标模型的复杂程度,我们对地球的绘制采用了纹理贴图的方法,对于卫星则是先在3D建模工具中实现然后通过OpenGL与3D文件的接口程序读入。
4.1 地球的绘制
采用纹理贴图的方式是绘制地球最简单有效的方式,他可以更加真实、形象的显示地球。为了简化分析,将地球当作球进行处理,采用球面的纹理映射方式对其进行贴图,纹理图片保存为位图格式,首先是用利用函数AUX_RGBImageRec* LoadBMP(char *filename)完成对纹理数据的读入,然后调用OpenGL中的glTexParameteri函数设置纹理过滤类型,调用gluBuild2DMipmaps()函数生成mipmap子集。
因为所采用的地图是方形地图,必须采用整球面的纹理映射方法[4]。关键点是建立物体坐标空间(x,y,z)与纹理空间坐标(u,v)的一一对应关系,这里采用了基于自然参数化的整体球面映射,映射公式见(1):
undefined
以下是实现球面纹理映射的核心代码:
地球并非是静止的,他有一定的自转角度Angle,通过函数Rotate()来完成对Angle的更新。Rotate()由OnTimer()函数定时触发。
4.2 卫星的绘制
由于卫星模型较复杂,OpenGL只提供一些画点、线、面的基本函数,因此利用OpenGL直接对卫星进行绘制比较困难。这里利用了建模工具3DS MAX,然后通过编程实现3DS文件的调用。卫星都是沿着固定轨道运转的,每一时刻的位置不同,通过调用OpenGL中的glTranslatef()将局部坐标系平移到更新后的卫星坐标上[4]。
卫星的位置坐标更新是通过调用函数SatPos()实现,他将计算出的卫星ECI坐标读入,通过OnTimer()函数的定时触发实现位置更新。
4.3 动画的实现
利用OpenGL中的双缓存技术实现了动画的效果。该技术使用两个前后台和两个缓存绘制画面,在显示前台缓存内容中的一帧画面时,后台缓存正在绘制下一帧画面,当后台缓存绘制完毕,后台缓存内容便显示在屏幕上,而前台此时又在绘制下一帧画面内容[5]。具体的程序实现是在场景绘制函数中调用SwapBuffers(m_pDC->GetSafeHdc())。系统三维实现如图4所示。
5结语
系统采用了多文档形式,可以同时显示二维视图、三维视图和数据视图。数据视图主要是对卫星的轨道参数以数据报告的形式给出,可以自行添加卫星也可以从数据库中添加,形式较灵活。采用了本文提出的空间目标轨道快速计算方法可以有效地提高仿真速度,以后研究的重点是如何进一步提高算法效率。本系统可以为航天侦察和决策提供更为直观的显示形式。
参考文献
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[2]http://www.celestrak.com/satcat/boxscore.asp.
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虚拟仿真电子技术 篇10
1 相关理论
1.1 虚拟现实技术
虚拟现实(Virtual Reality)是一种综合计算机图形学技术、多媒体技术、传感器技术、并行实时计算技术、人工智能、仿真技术、立体显示技术等多种学科而发展起来的计算机领域的新技术。它是一种基于可计算信息的沉浸式交互环境,具体地说,就是采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境,用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响,从而产生“沉浸”于等同真实环境的感受和体验[1]。
1.2双中心投影算法
在三维视景仿真系统中,一般应用的是单视点透视投影,即在三维空间中设置一个虚拟摄像机,获取三维视景中的图像并将其显示在屏幕上,人们根据物体问的遮挡关系以及大小关系来判断物体的立体深度[2]。在本文立体显示的视景仿真系统中,需要设霄两个虚拟摄像机,一个摄像机获取左眼的图像,一个摄像机获取右眼的图像,并采用立体眼镜等辅助设备,分别将左右眼图像传送给相应的眼睛,经过大脑的融合产生物体的立体深度信息。因此,在立体显示系统中,需要采用包含两个视点的透视投影方法一双中心投影算法[3]。
如图1a为45度角的视图,图1b为垂直视图。在三维空间中设立两个视点(投影中心),一个为左视点LcoP,一个为右视点RcoP,两个视点位于x轴上,且两视点的距离是e,两个视点连线的中点为坐标原点,则左视点坐标为(-e/2,0,0),右视点坐标为(+e/2,0,0)。投影平面平行于xy平面,其距离左右视点的距离是d。三维空问中的一点P(xp,yp,zp)在左视点投影中的坐标为P(xl,yl,zl)在右视点投影中的坐标为P(xr,yr,zr),可知zl=zr=d。点P(xp,yp,zp)和RcoP的投影线的参数方程为:
在投影平面上z=d,可得(2)
将t值代入式(1)就得到点P在投影平面中的坐标(xr,yr)
同理,点点P(xp,yp,zp)和LcoP的投影线在投影平面中产生的坐标是:
可见,当zp>d时,0
3 系统设计
3.1 系统总体设计
图2界定了系统的内部与外部,如图所示过程,用户启动系统,经过系统对沙盘模型导入和三维虚拟显示,输出双通道的立体图像。
按照功能划分,系统总体上应该分为模型导入、三维场景渲染、立体显示三大模块。
3.2 系统功能模块设计
3.2.1 系统的用例图
本系统的用例很简单,它是一个三维仿真电子沙盘系统,分为三个模块,一个进行沙盘模型导入,一个进行沙盘场景渲染,一个进行立体显示。
3.2.2 图和协作图
用例可以用很多方式来描述,我们可以用自然语言可以用形式化语言,也可以用各种图示。在UML中,通常用两种图来描述用例,就是顺序图和协作图。
3.2.3 静态结构分析
通过分析用例和问题域,得到了类。在本系统中主要包括模型导入类CMaxAse,场景渲染类CScene和立体显示视点控制类
CViewControl。
4 系统实现
4.1 系统功能概述
在虚拟仿真中,通常的做法是应用专业的建模软件建立物体的三维模型,然后保存为一文件,当虚拟视景仿真平台运行后,将此模型导入到视景中并显示此模型。本文根据立体显示的原理和算法,给出了一个立体显示系统的设计方案,并实现了一个用于沙盘展示的立体显示系统,可用于房地产展示、虚拟战场以及城市规划等。本文所提出的三维仿真电子沙盘设计方案是:应用3DSMAX建立物体的三维模型;应用OpenGL将模型导入虚拟视景中,并应用双中心投影方法和双目视觉模型,获得三维视景的具有视差的图像,将具有视差的视景图像输出给双投影仪,显示在立体银幕上;人们戴上偏振立体眼镜观看,使左右眼看到不同的图像,借助人脑对双眼图像的融合作用,从而产生三维立体感,实现了三维沙盘的立体显示[4]。
4.2 系统模型构建
三维数据的获取源主要是拍摄好的影像、设计好的图纸或者物体本身。
4.2.1 植物的设置方法
采用十叉树的方法来展现植物,也可以在场景中作两个在垂直方向上作十字形交叉的面片,然后分别赋予它们同样的带Alpha通道的TGA贴图放在场景中,这种方法适合作远景的树。
4.2.2 细小物体模型的制作要点
1)在窗户玻璃:如果需要通过玻璃达到透视效果,建模时,不需要构建玻璃模型。
2)在道路的边沿与其内边必须用完全吻合的面构成,而不能将两个面片交叠或互相交叉到对方内部,建成不具备使用价值的模型。
4.2.3 模型贴图阶段的原则和要求
1)模型的材质要使用Standard类型,不能使用Multi/Sub-0bject材质,为方便建模,可以在建模时,将将来使用不同材质和贴图的面设定为不同的ID号,但最后一定要按ID号将模型拆分,然后分别给模型赋上Standard类型材质。
2)在所有的模型上,材质类型要统一,使用B1inn或者Phone材质类型。其它的材质类型,如MetaI材质是无效的,尽量不要使用。
3)模型在前端浏览器中的显示颜色,受它本身材质的Diffuse颜色影响,即使模型赋有贴图,它也会显示出Diffuse颜色,所以要将材质的Diffuse颜色调整为灰色(175,175,175),确认每一个材质球的Ambient与Diffuse之间为锁定状态。
4.2.4 文件命名
各个模型要以有意义的名称命名,并且便于使用,保持贴图名称与模型名称一致。
4.2.5 模型文件
将建好的模型Max文件连同对应的纹理贴图一起提供。
4.3 系统功能模块实现
整个系统分为三个核心模块,即:ASE文件导入模块;沙盘场景渲染模块;双视点漫游控制模块。
4.3.1 导入ASE文件的程序结构
由于ASE的文件格式是分块的层次结构,每个文件里面有各种块信息,ASE文件中的模型构成的点面数据块、材质块和法向量信息是最重要的,对三维模型起着关键性的作用,所以要在程序中读入。在程序中定义一个类CMaxAse用于ASE文件的读入。在CMaxAse类中,主要用到如下的函数:LoadGrpMdl0、LoadTexture0、LoadModclO。这三个函数将ASE中需要的块数据读出并存储在自己组织的数据格式中。
4.3.2 沙盘场景渲染模块
沙盘场景渲染模块主要功能是用OpenGL的AFI函数进行场景各种模型的渲染。它主要用到CScene类。本模块定义了场景中包含的模型实例动态数组,并根据定义场景构成关系的配置文件进行模型导入调用。对加载的模型数据进行OpenOL的显示描画,包括沙盘场景中的背景、地板模型、普通建筑模型、半透明模型、全透明模型、花草树木类模型、粒子系统模型等。
4.3.3 双视点漫游控制模块
双视点漫游控制模块主要功能是实现在沙盘观察中视点位置的调整控制,实现对沙盘的漫游浏览。并根据立体视原理,设定左右视点,同时生成左右视观察图像。分别输出给两个投影仪,实现立体显示。它主要用到CViewControl类。实现自动路径漫游和手动控制浏览功能。
5 结束语
VR技术已经在沙盘仿真上得到了广泛的应用,并取得了丰硕的成果。采用VR技术,由计算机产生与现实“逼真”的场景,即虚拟环境,在不远的将来,随着计算机软硬件的飞速发展,三维仿真电子沙盘系统会更加成熟,在楼盘展示、招商宣传、整体介绍、交通咨询、公路规划、管网规划乃至于军事虚拟战场等许多领域广泛应用,是一套切实可用的电子沙盘系统。
摘要：对虚拟现实技术、计算机三维图形技术、OpenGL、立体图像生成与显示技术进行了研究,利用计算机三维图形技术和立体显示技术实现沙盘的三维仿真立体沉浸式展示。
关键词：电子沙盘,虚拟现实,立体显示
参考文献
[1]康风举.现代仿真技术与应用[J].北京:国防工业出版社,2001.
[2]陈雁飞,虚拟现实技术综述[J].机械制造与自动化,2004,2(05):15-16.
[3]Vaish V,Wilburu B,Joshi—N.Using plane+parallax for calibrating dense camera arrays.IEEE Computer society conference computer vision and pattern recognition,2004(1):2-9.
虚拟仿真电子技术 篇11
关键词：虚拟仿真软件；EWB9； 高职院校教学
中图分类号： G712 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）06（b）-0000-00
1、虚拟仿真软件EWB9简介：
EWB9（Electronics Workbench 9）是美国NI公司并购加拿大IIT公司后，于2006年发布的一款EDA软件，EWB9中有Multisim、MultiMCU、MultisiVHDL、Ultiboard等多个组件。Multisim是EWB9的核心组件，用其仪表等分析工具进行电路理论的验证非常有效，其器件参数均为标准值，不考虑误差，器件损坏，接触不良等实际电路中的影响因素，并且参数可以进行修改，然后进行仿真分析。Multisim9提供了一系列虚拟仪表和3D仪表，如万用表、信号发生器、示波器、波特图示仪、频率计等多种仪器，这些仪器的使用和读数与真实的仪器相当，就像在实验室中使用的仪器。Multisim9还提供了丰富的元器件库资源，以满足各种电路设计的需要，包括电源组，基本元件组，二极管组，晶体管组，模拟元件组、混合芯片组等。我们进行电路设计时，除了要对电路进行电流、电压、波形等测试外，还需对电路进行分析，这些分析如果用传统的实验方法完成，很费时，为此，Multisim9提供了多种分析工具，如直流工作点分析，交流分析，瞬态分析，傅里叶分析等18种分析工具，可以快捷地完成电路设计的分析需求。因此，EWB9在电工原理、模拟电路、数字电路、高频电子线路等电子类课程中得到了广泛的应用。
2、高职院校培养人才的标准和电子类课程的教学现状
高职教育的基本特征是以培养高等技术应用性专业人才为根本任务，以适应社会需求为目标，以培养高等技术应用能力为主线，学生应具有基本理论知识适度，技能应用能力强，知识面宽等特点。
高职院校的电子类课程是实践性很强的课程，理论教学、实验实训、课程设计是教学的重要环节。目前，有些高职院校由于经费不足，理论教学仍仅限于采用传统教学模式，采用黑板板书的形式向学生教授理论知识，公式推导，对于疑难问题，少数学生理解不了，感到学习枯燥无味，不能激发学生学习的兴趣，有时教师采用PPT教学，电子教案，也只起辅助作用，稍微改善了一些教学效果。
实验中，学生只是将实验板固定在实验箱上连接好仪器设备，测试数据，最后得出结论，提高了学生的操作技能，加深了对所学理论知识的理解，但由于少数学生操作不规范，容易造成元器件和仪器设备的损坏，造成一定的经济损失。
在课程设计中，学生按照老师给出的设计题目和电路图，用元件在面包板上焊接电路，然后安装调试，达到理论联系实际的目的，但是不能培养学生的创新设计能力。
3、虚拟仿真软件EWB9应用于教学中的优势
随着计算机仿真技术的发展，利用计算机仿真软件来模拟实验设备的情况，用于教学、实验、课程设计的优势如下：
① 理论教学用虚拟仿真软件进行教学直观、逼真、清晰，有助于学生理解抽象的知识，
提高了学生学习的兴趣和学习的效果，加深了对理论知识的理解，也使教师从繁杂的公式推导中解脱出来，提高了教学质量。
② 实验用虚拟仿真软件进行实验教学，实验环境是计算机上的虚拟环境，实验元器件是虚拟元器件，实验设备是虚拟设备，为学生提供了很好的实验平台。保证每人一机操作，得到了充分的理论联系实际的技能训练，按时完成实验内容，提高了操作效率和实验的效果，也可满足学生的想象力和发挥创造性的思维。虚拟仿真实验不需元器件、仪器设备的准备过程，节省了实验器材，也节省了时间，降低了实验成本，提高了实验效率。
③课程设计用虚拟仿真软件，不需要昂贵的实验设备，计算机可提供安全有效的设计环境，其电路结构及设计观念可以很容易地被修正，也可很方便地更换适合电路规格需要的元件。另外，直接用计算机模拟，分析，验证，可快速地反映出所设计的电路性能，与在实验室中需使用一系列电子元件和实验设备才可完成的电路验证相比，即省时又经济。
④虚拟仿真软件实验安全性高。仿真操作不会对实验设备、元器件造成损坏，不会因误操作对学生造成人身危害。例如在实际操作时，元器件极性接反，仪器所加电压过高，人为触电等现象，这样节省了资金，保证了人身安全。
4、虚拟仿真软件存在的问题：
①现在的虚拟仿真软件功能很强大，但是仿真操作与实际操作还是有较大的差距，仿真操作学生用键盘、鼠标来进行操作，不是在实验室中真正地动手操作，来进行技能训练，在操作中，即使做了危险的操作，也不会对实物和仿真软件造成损坏，容易造成学生麻痹大意的思想，养成不遵守操作规程的不良习惯。
②虚拟仿真软件对计算机及相关的硬件要求高。
③教学类虚拟仿真软件的质量有待提高。
5、结束语
综上所述可见，虚拟仿真软件EWB9应用于教学是一种新的教学模式，一种新的教学理念。但它还不能完全代替理论和实践教学，但能弥补传统教学的不足。虚拟仿真软件应用于教学，能为电子类专业学生学习电子类课程提供了较为合适的虚拟电子实验环境，降低了实验成本，提高了教学质量。今后虚拟仿真软件还应深入研究发展创新，不断地完善。
参考文献：
1、EWB9电子设计技术；李良荣主编；机械工业出版社；2007
2、EWB电路设计入门与应用；钟文耀、段玉生、何丽静编著；清华大学出版社；2000
虚拟仿真电子技术 篇12
关键词：虚拟装配,仿真动画,快速生成,装配路径
0引言
在一个产品的生产环节中,装配是个很重要的节点。装配的工作效率和工作质量对产品的制造周期和产品的质量都有着极大的影响。随着数控机床的广泛应用,装配工作却仍是以人为主,主要依赖于工作人员的技艺水平。因此,装配质量又成了提高产品精度的瓶颈环节,利用计算机进行装配工艺设计成了现代制造系统计算机应用的难点。提高装配的工作效率和工作质量,降低装配成本,提高装配的规范化程度是虚拟装配的重要任务[1]。
本文所研究的用于虚拟装配培训的虚拟装配仿真动画的快速生成技术在保证建模软件强大的装配仿真优势的情况下,针对VRML动画编码制作过程进行分析总结,最终在CAD软件装配仿真开发环境下使用插件式开发平台的方式实现了VRML动画生成,大大提高了机械产品虚拟装配仿真动画的开发与应用范围。
1系统平台的总体设计
1.1系统平台的功能架构
根据VRML动画的开发需要,本文所述的虚拟装配培训仿真动画生成平台总共分为三大功能模块,三维模型导出、虚拟动画定义、虚拟动画导出。 如图1所示。三维模型导出是通过二次开发获取零件模型在整个机械装配体中的三维关系,并根据模型结构树录入零部件间的装配关系信息,并自动生成虚拟场景三维模型。虚拟动画定义是通过可视化操作定义或输入运动参数等信息,制作机械产品的VRML仿真动画。
1.2系统平台的流程设计
针对机械设备的VRML动画开发进行调研,总结了制作的一般过程,根据实际存在的问题及需求确立课题研究的总体思路,制定如图2所示的开发设计流程图。首先,CAD软件中建立模型并导入; 其次,将CAD系统中运动仿真关键参数转换成VRML场景中的参数,实现场景衔接; 然后,将转换后的参数填入标准格式代码中,实现了VRML运动仿真代码生成; 最后,将VRML运动仿真动画代码从生成系统中导出,成为一个. wrl文件。
2装配仿真动画制作的装配路径动画原理与碰撞检查
2.1装配路径动画原理
虚拟场景中的装配运动是有其物理运动规律的,多是以平移、旋转为主,以及既有平移又有旋转的运动,因此,装配运动可以看作是一系列具有确定运动规律的运动段的总和,即:
这里的相邻运动段mi与mi + 1之间的转折点就是运动关键点。为了便于分析与制作动画,本文将装配运动从一个关键点到另一个关键点之间的任何一种运动均简化为平动与转动或平动加转动的合成,才能适用于装配运动的实现[3]。以螺栓螺帽的装配为例,图3中螺帽从P0位置到预定装配位置P3要发生了三次变换,P0到P1位置是一次平移变换,P1到P2是旋转变换,P2到P3是平移变换,共确定出四个关键点。
根据用户和虚拟环境的交互方式,装配路径生成有两种方式: 用户预先指定装配路径的关键点,装配路径以离散点的形式进行定义与记录,通过离散点插值产生连续的装配路径; 将输入设备( 如鼠标、 激光笔、操纵杆等) 的运动与部件的运动关联,用户通过虚拟环境交互,直接控制装配路径[4]。在虚拟装配仿真动画的开发过程中,主要通过前者来生成装配路径,首先指定各部件在空间若干关键点处的平移、旋转、缩放的变化量,然后将这些数据连同模型一起导出,以VRML格式文件存储。装配路径随模型加载到场景中,用户在场景中选择要装配的部件,部件就沿装配路径运动,实现装配仿真[5]。
如果只记录关键点位置,还不足以精确描述装配的细节,所以在演示过程中采用插值法细化关键点之间的位移变化,以图3关键点为例,在“P0 → P1”的路径段设置装配时间后,就会作匀速直线运动,同理在“P1→P2”的路径段作匀速旋转运动。通过插值法运算就能使用户更流畅地观看整个装配过程,不会有跳跃感。
2.2碰撞检查
碰撞检测用于监测两对象的接触关系,以及何时、何处形成碰撞,根据机械设备物理外形的复杂性和检测精度,计算两几何模型间的相互位置。因此对简单模型例如平面与球状物体的判断比较容易, 而对自由曲 面等复杂 结构碰撞 所需的计 算量较大。
目前常用的碰撞检测算法有四种[6]: 几何分析法、扫描法、包围盒法、空间分解法。在VRML中Collision节点的碰撞检测实际上采用的是包围盒法。VRML利用Collision节点简单地实现了碰撞检测,当一个给定的节点经过某些变换( 例如被平移、 旋转、缩放等) 时,测定是否会遭遇以另一个节点形式存在的障碍物,通过ECMAScript接口,利用Collidee和Collision对象实现VRML环境下物体之间的碰撞检测。前者作为被变换的节点的代理物,包含有变换矩阵等相关参数,承载了变换矩阵的参数和其它相关数据; 后者描述了在一次碰撞的情况下, 和另一个节点相撞的一个节点的要点[7],存储有每一个待检测是否产生碰撞的表面的位置,法线,面的序号以及路径等信息。具体的属性以及成员函数如表1 - 2所示。
3虚拟装配仿真动画的快速生成技术的实现
3.1基于模板的代码生成模块的流程
基于模板的代码生成模块的流程如图4所示。 实现生成的VRML代码包括四部分: 模型节点代码、动画原型节点PROTO、动画代码和动画连续播放脚本代码。模型节点代码中包含了模型描述信息; 动画原型节点定义了动画的参数和内部的逻辑运算关系,在此,定义一个生成模块使用的模板,来完成原型节点的封装; 数据定义文件是通过键码定义或者对话框输入的形式,对动画参数设定,由于该部分参数数据量不是很大,所以,在程序实现中,并没有采用数据库单独存放,而是直接定义了一个矩阵存放; 动画代码也就是将动画原型节点输入参数进行实例化,生成了一步装配动画的动画代码; 动画连续播放脚本代码是指制作虚拟装配仿真动画时, 动画是按照装配步骤来制作的,每一步的装配对应着一步动画,在每步动画之间需要实现连续播放,这就需要生成动画连续播放脚本代码。动画连续播放脚本代码是根据每一步动画节点引用以及每步动画的持续时间来生成的。
写出代码文件功能最终将模型节点代码、动画原型节点PROTO、动画代码、动画连续播放脚本代码整合到一个VRML文件中。具体的整合方法是: 通过函数creat VRML( ) 新建VRML文档,然后通过参数赋值的方式将模型节点代码、动画原型节点PROTO、动画代码、动画连续播放脚本代码分别赋给四个文本参数,将这四个参数的内容写入新建的VRML文档。
3.2虚拟装配仿真动画的快速生成的实现
3.2.1最小运动单元装配仿真动画生成的实现
生成模板中对应的变量实际上在Solidworks运动仿真中都具有一个对应参数,生成一步装配仿真动画的过程,实际上就是将对应的参数赋予给模板中的变量的过程。其对应关系如表3所示。
由此可知,生成程序抛去赋予的过程,还必须要有获取Solidworks中对应参数的功能,以实现鼠标选取的零部件包含空间位姿信息的变换矩阵的功能,其代码实现如下:
在实际开发过程中,坐标属性会出现偏差,究其原因,是Solidworks软件与VRML的空间坐标系的不同,这有必要实现两者坐标系的统一,然后进行赋值生成。为此,设计一个输入界面来完成,如图5所示。
3.2.2由Solidworks向VRML场景坐标转换及完整装配仿真动画生成
Solidworks环境下,用卡氏右手立体坐标系统描述空间位置,三维模型相对于世界坐标系原点的位置和方向可以用一个包含16个元素的4 × 4阶矩阵表示。如图6所示,从变换功能上可将此4阶方阵分为四个子矩阵,其中左上角的3 × 3矩阵可产生比例、旋转等变换; 左下方三个ti变量分别产生沿x轴、y轴、z轴的平移变换; 右下角的s产生全局比例变换; 右侧pi可实现投影变换。
本课题研究的是机械产品的虚拟动画,针对其中的刚性物体而言,运动形式主要有两种形式: 平移和旋转,绝大多数的运动都是以这两种运动形式复合而成。位于坐标( x,y,z) 的几何模型,平移到原点,并绕过坐标原点的任意倾斜轴线旋转 θ 角时,其变换矩阵为:
其中,θ 代表零件在装配体中绕任意轴旋转的角度, n1,n2,n3为该轴的方向余弦,x,y,z分别为该零件的在空间中的位置。
在VRML场景中通过利用Solidworks API函数获取矩阵中每个元素的值,并通过Vrml Pad编辑器的API函数接受所有的值,从而获得虚拟场景中所需要的translation和rotation的值。部分代码如下:
这样,就把Solidworks三维场景中三维模型的位置关系,转换成VRML虚拟场景中识别的参数, 实现了两者坐标变换方式的统一。
单个零部件装配的过程,是由数个最小运动单元组成的,他们之间需要有脚本文件链接起来,才能使得装配仿真动画可以连贯地运行下去。
连续播放脚本实际上是一种逻辑上的关联顺序,可以实现上一步最小运动单元动画运行之后跳转到下一步动画。这种逻辑上的关系,使得完成该步最小运动单元装配动画的编辑后,点击下一步 ( 如图5所示) ,生成程序将自动在该步动画代码后面追加连续播放脚本,并给对应变量赋值。通过对单个零部件装配过程分解出的最小运动单元装配仿真动画进行串联,可以得出单个零部件的完整装配仿真动画。
4机械手虚拟装配仿真动画生成实例应用
根据虚拟装配仿真动画生成的理论,结合机械手的虚拟装配动画的生成过程,验证该理论的可行性。首先,用Solidworks打开定义约束关系的机械手的三维模型,运行“vrml动画制作”模块,系统会自动通过遍历装配体的形式把机械手的零件的名称按照一定的规则列在界面中,以方便虚拟装配动画的制作,用户可以点击相应的零件进行该零件装配动画制作时相关参数的设置,最后确定生成虚拟装配动画文件。具体操作如图7所示。
5结束语