三维视景仿真下的船舶分油机系统设计

本文针对目前在实船上广泛使用的Alfa Laval S系列分油机的EPC-50控制系统，设计了船用分油机的三维视景仿真系统。

船舶分油机是船舶动力系统不可或缺的重要设备之一，其作用是对船舶主机和辅机等设备的燃油和滑油进行分离净化，其仿真系统的研发有助于轮机模拟器的发展。

采用的是以PLC作为控制器，虽然PLC工作稳定可靠，但价格相对贵，增加生产成本。采用单片机作为主控芯片，单片机存在处理速度慢，资源有限等缺点，增加电路的复杂性，也不能够搭载嵌入式实时操作系统，不能很好的对船舶分油机系统进行仿真模拟。虽然采用了32位嵌入式芯片，但是在软件的仿真上，采用了二维操作界面，不能真实模拟船舶分油机的状态。采用虚拟现实技术，制作了船舶分油机的虚拟拆装3D互系统，但缺乏分油机的管理操作训练。

针对以上问题，本文采用32位嵌入式芯片STM32作为主控芯片，该主控芯片基于ARM Cortex-M4内核，内嵌1M Flash和192KB RAM，并且可以达到168MHz的运行速度，可以轻松运行嵌入式实时操作系统。控制板的软件设计方面，通过uCOS-II操作系统和以太网通信，实现实时与上位机的交互。采用C#语言，搭建船舶分油机系统的数学模型，并基于3ds MAX和Unity3D平台，搭建三维上位机操作软件，将虚拟现实技术引入到船舶分油机模拟器中，建立一个高度逼真的多模式训练系统，具有很强的沉浸感，从而给学员带来真实的培训体验。

1 系统总体设计

船舶分油机模拟系统是通过数学建模的方法，结合实物控制箱，将实际船舶上的分油机进行仿真的一套系统，船舶分油机模拟系统结构图如图1所示。

图1 船舶分油机模拟系统结构图

实物控制箱与实际的Alfa Laval S系列分油机的EPC－50控制箱高度相似，严格参照实物进行1∶1比例进行模拟，控制箱由嵌入式控制单元、仪表、液晶显示器、按键、LED信号灯等组成。PC机上运行的是分油机系统仿真软件，此软件分成模型端和三维端，船舶分油机的数学模型在模型端中体现，三维端采用3dsMAX软件对分油机进行建模和材质贴图，开发完成后发布为。FBX文件，并将该文件导入到Unity3D软件进行系统合成和交互开发，生成基于Unity3D引擎的三维仿真环境，这其中包括了船舶分油机场景数据库、Unity3D渲染引擎和碰撞检测等交互处理。

2 硬件电路设计

分油机嵌入式控制单元的硬件电路包括电源电路、数字量输入电路、数字量输出电路、模拟量输入电路、模拟量输出电路、显示电路、以太网通信电路等部分组成，分油机仿真系统硬件电路设计如图2所示。电源电路采用船舶控制系统常用的24V直流电源，经过防反接、降压、滤波处理，形成3.3V用于STM32主控芯片等系统使用。

图2 分油机仿真系统硬件电路设计

数字量输入电路和模拟量输入电路为信号采集部分，数字量输入主要采集按键信号，EPC-50分油机控制面板上共有7个按键，STM32通过ZLG7290芯片控制和管理这7个按键，ZLG7290芯片采用IIC总线方式与STM32进行通信和数据交互。模拟量采集电路主要用于对传感器采集的数据进行传输与处理，这部分数据包括了净油出口水分浓度、净油出口压力、带分油温度和压力等模拟量，这些信号通过转换电路转换成0～3.3V电压信号后送入STM32，从而实现对温度压力等模拟量信号的采集。

为确保仿真系统的通信实时性，主控单元与上位机采用以太网通信方式，以太网通信芯片采用WIZnet公式生产的W5500芯片，该芯片内部不仅集成了PHY和MAC层，内部的逻辑门电路还实现了TCP/IP协议栈的传输层和网络层，与STM32之间采用通用的80MHz高速SPI进行数据通信，具有占用引脚资源少，操作简单等优势。

3 分油机三维仿真软件设计

分油机模拟软件开发应用的工具有MATLAB、Visual Studio 2015、3dsMAX和Unity3D。数学建模工具为MATLAB，在MATLAB中建立分油机控制系统和管路的数学模型，并对模型的正确性进行验证，在验证正确性之后在Visual Studio 2015中应用C#建立仿真系统的模型端。分油机三维仿真软件的系统采用3dsMAX进行三维建模，并在Unity3D中进行系统合成与交互，形成基于Unity3D引擎的虚拟现实环境，分油机三维虚拟仿真软件系统框架如图3所示。

图3 分油机三维虚拟仿真系统框架

分油机三维虚拟仿真软件系统主要包括了三维模型模块和数学模型模块。三维模型模块由分油机三维场景数据库、三维图形渲染和三维图形交互，三维场景数据库主要用于存储分油机、管路、控制箱等的三维模型与贴图素材，三维图形渲染采用Unity3D内置的渲染引擎，对显示效果进行优化，三维图形交互是用于用户与三维场景中的交互，实现漫游功能、碰撞检测功能和三维拾取功能等。用户通过鼠标键盘等外部输入设备，对分油机三维场景中的阀件、按钮等进行操作，这些操作通过通信协议传输到数学模型模块中，数学模型模块对这些操作进行计算并做出响应，输出的响应同时作用于三维虚拟软件界面和半实物控制箱，这些输出结果使得三维软件和半实物控制柜的指示灯、仪表实现状态更新，同样用户对实物控制柜的操作也是通过网络通信传输到数学模型模块，并在三维虚拟仿真软件界面上实时更新显示。图4为分油机EPC－50三维仿真界面，图5为船舶分油机间三维仿真界面。

图4 分油机EPC－50三维仿真界面

图5 船舶分油机间三维仿真界面

4 实验验证

船舶分油机三维仿真系统数据仿真类教学实验设备，对分油机系统的实验验证只要是对其与三维上位机的通信测试、稳定性测试与分油机运行逻辑正确性进行测试。

分油机三维仿真软件(上位机)与嵌入式控制单元(下位机)之间采用以太网进行数据通信，其通信协议是UDP协议。通过以太网测试工具进行通信测试，能够实现正常UDP通信。接下来是实现三维虚拟仿真软件与嵌入式控制单元之间的联合调试，将PC机与嵌入式控制单元接入同一个局域网内，测试结果是PC三维虚拟仿真软件与控制箱的状态能够实现同步。按照分油机操作流程进行实验，可以正常实现燃油净化，按照EPC－50故障设置进行实验，也实现故障模拟测试。

5 结束语

基于嵌入式和三维仿真技术的船舶分油机仿真系统设计，以EPC－50控制系统为母型进行设计，对传统船舶分油机模拟器进行虚拟设计生成可漫游、交互的分油机训练系统，采用三维仿真技术，进一步提高了船舶分油机仿真系统环境的真实性，能够使学员充分掌握分油机系统的操作，提高对故障的分析解决能力。采用ARM嵌入式微处理器，具有成本低，运算速度快的优点，很好的促进了仿真系统的推广。该船舶分油机仿真系统已经投入实际的生产使用，结果表明该方案可行，并取得了满意使用效果。

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