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摘要：船舶操纵控制过程是一个多元耦合的复杂控制系统，在应对不同海洋地理环境和海况环境进行船舶操纵控制的指令输出和姿态动作要求不一样，在进行操纵控制系统设计中，需要针对不同的海况环境进行信息采集和参量融合分析。虚拟现实技术（VR）是一种新兴的计算机应用技术，它结合了先进的硬件技术与软件程序，具有巨大的应用前景。
关键词：虚拟现实技术；智能控制；PID；人工智能
1虚拟现实技术的简介
1.1虚拟现实技术的原理
虚拟现实技术概念的诞生是在20世纪80年代初，由拉尼尔提出。我国把虚拟现实技术命名为灵境技术。虚拟现实技术通过计算机等设备进行大量的繁琐运算操作，模拟出一個三维的虚拟空间，使用者可以在这个虚拟空间中进行视觉、触觉、听觉等多种感官感受的实际模拟，成功实现了人与机器的交互沟通，可以通过多种工具与计算机进行交互，使自己真正处于虚拟空间中，有身临其境的感觉。总体来讲，虚拟现实技术是一种基于计算机技术而产生的模拟系统，综合了计算机图形技术和人工智能等技术的发展成果并加以应用，达到了更完美的体验效果。
1.2虚拟现实技术的发展史
虚拟现实技术在1963年之前就已经产生萌芽，1963年到1972年，业界在声、形结合的模拟过程中就已经体现出了虚拟现实的思想；1973年到1989年，初步产生了虚拟现实的概念及相关的理论知识；从1990年开始到现在，各国已在努力将虚拟现实技术不断完善并应用于实际中；2012年Google推出轰动业界的GoogleGlass，颠覆了之前的图像显示设备，真正把普通民众带入虚拟现实中；2013年，头戴式显示器也得到了广泛的关注。
1.3虚拟现实技术的特征
（1）多感知性，就是指将用户不同的感知方式结合起来，包括常见的五官感知（看，听，触，嗅，味）以及运动方面的感知。
（2）存在感，又被人们称作临场感，人们可以沉浸在模拟的环境中难分真假，成为虚拟环境中的主角，体验到和真实世界类似的快感。
（3）交互性，指使用者在虚拟环境中对虚拟对象操作便捷的程度，以及在虚拟环境中得到各种反馈是否自然的程度。我们所处的真实环境通过改变我们的感官感受，从而在虚拟环境中感受真实的环境。
（4）自主性，指在虚拟环境中的虚拟对象遵从现实环境中物理规律的程度。为了达到自主性的要求，虚拟现实采用了三维图形生成技术、动态环境建模技术、立体显示和传感器技术等。其中，三维图形生成技术用于实现虚拟现实环境中的即时生成；动态环境建模技术通过传感器获取现实中的数据，并按照用户对虚拟环境的需求，构建出用户需要的虚拟对象与框架；立体显示和传感器技术为用户提供了与虚拟环境交互的途径，让用户能够有真正身临其境的感觉。
2系统总体设计构架及3D模型建立
2.1系统总体设计
本文研究的基于虚拟现实的船舶操纵控制系统设计的主要功能模块分为3D几何建模模块、场景模型预处理模块、可视化仿真程序设计模块和船舶操纵控制的图形界面模块以及参数设置模块等。首先需要采用Ceator软件进行船舶操纵控制系统的三维模型构建，生成海洋模型和虚拟场景模型，包括对海浪、海面以及海底等场景模型的模拟，在控制程序驱动和可视化仿真程序模块中，采用实时操作控制算法进行控制程序驱动设计，建立船舶的碰撞检测和响应模块，进行船舶操纵控制的场景控制和场景渲染。采用MutigenCreator建立的.flt格式的静态视景渲染模型，进行船舶操纵控制系统的大场景地形视景模型库构建，在STL（标准模板库）和C++驱动程序下，进行船舶操纵控制系统的运行场景设计，采用虚拟现实技术进行船舶操纵控制过程中的特效设置（如云、雾、雨、雪和声效等）和大场景应用，在VegaPrimeAPI中生成船舶操纵控制系统的可视化仿真模型，根据上述总体设计思想，进行船舶操纵控制系统的三维虚拟现实设计。
2.2船舶操纵控制的3D几何模型建模
在MAYA、3DStudioMAX仿真软件下进行船舶操纵控制系统的3D几何模型建模，根据船舶的外形参数特征，采用SceneGraph绘制技术运行DRAW程序进行船舶几何实体结构的外形渲染，结合船舶的外形纹理特征，在不同的海况环境下，进行船舶的偏航、尾流以及姿态参数角的信息加载和控制，构建船舶的边界体（BoundingVolume）模型结构。根据限制体模型结构生成船舶的闭合几何体模型，遍历场景图，判断船舶的位姿状态，将场景数据库中的相关的船舶惯性姿态参量数据和海况数据加载到船舶的反馈控制系统中，进行船舶的姿态控制。
2.3基于MUltiGen虚拟平台的船舶智能控制器研究
本文利用Multigencreator开发平台生成了船舶航向控制、运动和舵角控制的虚拟场景，建立了人机交互性良好的显示界面，并引入虚拟控制变量和各种控制算法，最终实现了船舶运动控制虚拟现实仿真。如图1所示。
3智能控制技术的应用——以温度控制为例
3.1冷却水温度智能控制方案设计
为了提高船舶柴油主机水冷却系统的工作性能，本文设计了一种水冷却系统的智能温度控制系统，实现水冷却系统的自动化水温控制。如图2所示。
该冷却水系统的智能温度控制系统主要由功能模块、转换电路、控制器和其他硬件组成，其中，功能模块包括温度测量、功率测量、压力测量等，硬件设备包括显示器、警示电路、三通阀、柱塞泵和电源电路等。
3.2温度控制电路设计
温度控制电路是该温度智能控制的核心，本研究在设计温度控制电路时，对温度传感器的选取投入了大量的精力。温度数据采集效果决定了温度智能控制系统的工作精度，有重要的意义，常见的温度传感器包括热电阻传感器、热敏传感器等。通过大量的对比与试验，本研究采用热电偶式温度传感器采集管路中的水温数据。选用热电偶式温度传感器的原因为：
该温度传感器的测量精度高，直接与被测对象接触，没有中间介质的干扰；热电偶传感器的测量温度范围广，测温范围普遍在–50℃-1600℃，某些特殊合金的热电偶测温范围甚至可达–250℃-278000℃；构造简单，使用方便。本研究设计的部分温度控制电路如图3所示。
3.3主机冷却水系统的温度控制仿真试验
此外，为了验证本研究设计水温智能控制系统是否能满足温度控制需求，本研究基于Matlab软件平台对该系统进行仿真。仿真试验设定柴油主机的功率不断增加，记录柴油主机缸套的温度变化，试验结果如图4所示。
结语：
虚拟现实技术还面临着许多困难，人们正一步步的解决这些困难，正努力让虚拟现实技术在更多方面造福人类。我国对此也正在进行很多研究，努力为虚拟现实技术的发展做贡献，以求在未来的国际舞台上在虚拟现实技术方面有自己的优势，同时这也可以更好的方便人们的生活，促进经济的发展。
参考文献：
[1]张兴星，关克平.基于虚拟现实技术的船舶水尺检测评估系统研究[J].中国水运（下半月），2017，17（01）：73-75.
关键词：虚拟现实技术；智能控制；PID；人工智能
1虚拟现实技术的简介
1.1虚拟现实技术的原理
虚拟现实技术概念的诞生是在20世纪80年代初，由拉尼尔提出。我国把虚拟现实技术命名为灵境技术。虚拟现实技术通过计算机等设备进行大量的繁琐运算操作，模拟出一個三维的虚拟空间，使用者可以在这个虚拟空间中进行视觉、触觉、听觉等多种感官感受的实际模拟，成功实现了人与机器的交互沟通，可以通过多种工具与计算机进行交互，使自己真正处于虚拟空间中，有身临其境的感觉。总体来讲，虚拟现实技术是一种基于计算机技术而产生的模拟系统，综合了计算机图形技术和人工智能等技术的发展成果并加以应用，达到了更完美的体验效果。
1.2虚拟现实技术的发展史
虚拟现实技术在1963年之前就已经产生萌芽，1963年到1972年，业界在声、形结合的模拟过程中就已经体现出了虚拟现实的思想；1973年到1989年，初步产生了虚拟现实的概念及相关的理论知识；从1990年开始到现在，各国已在努力将虚拟现实技术不断完善并应用于实际中；2012年Google推出轰动业界的GoogleGlass，颠覆了之前的图像显示设备，真正把普通民众带入虚拟现实中；2013年，头戴式显示器也得到了广泛的关注。
1.3虚拟现实技术的特征
（1）多感知性，就是指将用户不同的感知方式结合起来，包括常见的五官感知（看，听，触，嗅，味）以及运动方面的感知。
（2）存在感，又被人们称作临场感，人们可以沉浸在模拟的环境中难分真假，成为虚拟环境中的主角，体验到和真实世界类似的快感。
（3）交互性，指使用者在虚拟环境中对虚拟对象操作便捷的程度，以及在虚拟环境中得到各种反馈是否自然的程度。我们所处的真实环境通过改变我们的感官感受，从而在虚拟环境中感受真实的环境。
（4）自主性，指在虚拟环境中的虚拟对象遵从现实环境中物理规律的程度。为了达到自主性的要求，虚拟现实采用了三维图形生成技术、动态环境建模技术、立体显示和传感器技术等。其中，三维图形生成技术用于实现虚拟现实环境中的即时生成；动态环境建模技术通过传感器获取现实中的数据，并按照用户对虚拟环境的需求，构建出用户需要的虚拟对象与框架；立体显示和传感器技术为用户提供了与虚拟环境交互的途径，让用户能够有真正身临其境的感觉。
2系统总体设计构架及3D模型建立
2.1系统总体设计
本文研究的基于虚拟现实的船舶操纵控制系统设计的主要功能模块分为3D几何建模模块、场景模型预处理模块、可视化仿真程序设计模块和船舶操纵控制的图形界面模块以及参数设置模块等。首先需要采用Ceator软件进行船舶操纵控制系统的三维模型构建，生成海洋模型和虚拟场景模型，包括对海浪、海面以及海底等场景模型的模拟，在控制程序驱动和可视化仿真程序模块中，采用实时操作控制算法进行控制程序驱动设计，建立船舶的碰撞检测和响应模块，进行船舶操纵控制的场景控制和场景渲染。采用MutigenCreator建立的.flt格式的静态视景渲染模型，进行船舶操纵控制系统的大场景地形视景模型库构建，在STL（标准模板库）和C++驱动程序下，进行船舶操纵控制系统的运行场景设计，采用虚拟现实技术进行船舶操纵控制过程中的特效设置（如云、雾、雨、雪和声效等）和大场景应用，在VegaPrimeAPI中生成船舶操纵控制系统的可视化仿真模型，根据上述总体设计思想，进行船舶操纵控制系统的三维虚拟现实设计。
2.2船舶操纵控制的3D几何模型建模
在MAYA、3DStudioMAX仿真软件下进行船舶操纵控制系统的3D几何模型建模，根据船舶的外形参数特征，采用SceneGraph绘制技术运行DRAW程序进行船舶几何实体结构的外形渲染，结合船舶的外形纹理特征，在不同的海况环境下，进行船舶的偏航、尾流以及姿态参数角的信息加载和控制，构建船舶的边界体（BoundingVolume）模型结构。根据限制体模型结构生成船舶的闭合几何体模型，遍历场景图，判断船舶的位姿状态，将场景数据库中的相关的船舶惯性姿态参量数据和海况数据加载到船舶的反馈控制系统中，进行船舶的姿态控制。
2.3基于MUltiGen虚拟平台的船舶智能控制器研究
本文利用Multigencreator开发平台生成了船舶航向控制、运动和舵角控制的虚拟场景，建立了人机交互性良好的显示界面，并引入虚拟控制变量和各种控制算法，最终实现了船舶运动控制虚拟现实仿真。如图1所示。
3智能控制技术的应用——以温度控制为例
3.1冷却水温度智能控制方案设计
为了提高船舶柴油主机水冷却系统的工作性能，本文设计了一种水冷却系统的智能温度控制系统，实现水冷却系统的自动化水温控制。如图2所示。
该冷却水系统的智能温度控制系统主要由功能模块、转换电路、控制器和其他硬件组成，其中，功能模块包括温度测量、功率测量、压力测量等，硬件设备包括显示器、警示电路、三通阀、柱塞泵和电源电路等。
3.2温度控制电路设计
温度控制电路是该温度智能控制的核心，本研究在设计温度控制电路时，对温度传感器的选取投入了大量的精力。温度数据采集效果决定了温度智能控制系统的工作精度，有重要的意义，常见的温度传感器包括热电阻传感器、热敏传感器等。通过大量的对比与试验，本研究采用热电偶式温度传感器采集管路中的水温数据。选用热电偶式温度传感器的原因为：
该温度传感器的测量精度高，直接与被测对象接触，没有中间介质的干扰；热电偶传感器的测量温度范围广，测温范围普遍在–50℃-1600℃，某些特殊合金的热电偶测温范围甚至可达–250℃-278000℃；构造简单，使用方便。本研究设计的部分温度控制电路如图3所示。
3.3主机冷却水系统的温度控制仿真试验
此外，为了验证本研究设计水温智能控制系统是否能满足温度控制需求，本研究基于Matlab软件平台对该系统进行仿真。仿真试验设定柴油主机的功率不断增加，记录柴油主机缸套的温度变化，试验结果如图4所示。
结语：
虚拟现实技术还面临着许多困难，人们正一步步的解决这些困难，正努力让虚拟现实技术在更多方面造福人类。我国对此也正在进行很多研究，努力为虚拟现实技术的发展做贡献，以求在未来的国际舞台上在虚拟现实技术方面有自己的优势，同时这也可以更好的方便人们的生活，促进经济的发展。
参考文献：
[1]张兴星，关克平.基于虚拟现实技术的船舶水尺检测评估系统研究[J].中国水运（下半月），2017，17（01）：73-75.