（VR虚拟现实）虚拟设计

摘要虚拟设计是近年来发展起来的一个新的研究领域，智能控制虚拟实验室则是智能控制教学上的一个很好的工具。鉴于传统实验室需要的设备，资金，场地等问题，利用虚拟实验室进行实验教学能够很大程度上的节约成本，同时用户在计算机前就能完成实验，查看实验结果，也能提高效率，节省时间。本课题主要是建立可以进行智能控制虚拟实验，其模拟的是天煌教仪生产的“THJ-2型高级过程控制系统实验装置”。本设计由三个主要部分构成：虚拟实验室的3D造型、智能控制实验仿真、图形用户界面（GUI）。在具体的实现过程中，利用VRML语言完成虚拟实验室3D模型的建立；通过MATLAB的强大数据处理功能实现了BP神经网络控制实验的仿真和GUI的设计；最后利用MATLAB对系统进行封装，形成独立的可执行程序。用户可通过封装程序界面打开GUI界面，在GUI界面中进行实验，设置参数，并能够察看系统的仿真曲线，实现虚拟实验的效果。关键字：虚拟实验室、VRML、BP神经网络、MATLAB AbstractVirtual design is developed in new area of research in recent years, Virtual Intelligent Control Laboratory is a good teaching tool of Intelligent Control Education. In view of the need for traditional laboratory equipment, funds, space and other issues, using virtual laboratory for experimental teaching in a large extent the cost savings, while people will be able to be completed the experiment to see results, but also improve efficiency, save time by using computer.The main issue is the establishment of a virtual intelligent control can be simulated laboratory equipment is “THJ-2 advanced process control system experimental” made by Tianhuang company .The design is consists of three main parts: the 3D Virtual Laboratory modeling, the simulation of intelligent control, the graphical user interfaces (GUI). The realization of the specific process, by using of VRML language to complete the virtual 3D model laboratory; through MATLABs powerful data-processing functions to do a BP neural network control experiment simulation and make GUI design; the final, using MATLAB to let the system package to form an independent executable program. Users can open the GUI interface package interface, the GUI interface in the experiment, set parameters, and be able to see the simulation curve, the effect of virtual experiments.Keywords: Virtual Laboratory, VRML, BP neural network controller, MATLAB目 录第1章 引言1 1.1课题的研究背景及研究目地1 1.2虚拟实验室的介绍31.2.1 虚拟实验室的概念31.2.2 虚拟设计的技术基础31.2.3 虚拟设计的特点41.2.4虚拟设计的优点5 1.3课题研究的主要内容5第2章 VRML虚拟实验设备设计7 2.1 VRML技术基础知识72.1.1 VRML技术概述82.1.2 VRML文件组成82.1.3 VRML节点简介82.2实验装备简介112.3虚拟实验室的设计112.3.1 部分元件设计及程序.112.3.2 由零件组成控制面板的小单元142.3.3 各控制单元组成完整的控制面板16第3章 神经网络理论173.1神经网络理论概述17 3.2 BP神经网络18第4章 基于MATLAB的BP神经网络控制器的设计及其实验仿真204.1基于BP神经网络控制器的设计204.2 BP-PID控制实验仿真234.2.1 MATLAB 简介.234.2.2 BP-PID控制实验仿真244.3图形用户界面(GUI)的设计324.3.1MATLAB图形用户界面简介.324.3.2图形用户界面实现的功能344.3.3图形用户界面的实现过程344.4系统封装374.4.1 封装目地.374.4.2 MATLAB封装具体过程38第5章 结论39参考文献40致谢41附录一 VRML设计部分程序42附录二 MATLAB设计GUI程序46III中原工学院毕业设计（论文）第一章 引 言近些年来，迅速发展的计算机硬件技术与不断改进的计算机软件系统相匹配，使得基于大型数据集合的声音和图像的实时动画制作成为可能；人机交互系统的设计不断创新，新颖、实用的输入输出设备不断地进入市场。而这些都为虚拟现实系统的发展打下了良好的基础。同时，虚拟现实技术也逐渐从飞行仿真、战争应用到教育、科研、娱乐、建筑、医疗、工业等各个方面。1.1课题的研究背景及发展方向有人认为，80年代是个人计算机时代，90年代是多媒体时代，21世纪初则是虚拟现实技术时代。而虚拟现实技术的诞生可以追溯到上个世纪的六十年代。1965年，Ivan Sutherland在篇名为The Ultimate Display（终极的显示）的论文中首次提出了包括具有交互图形显示、力反馈设备以及声音提示的虚拟现实系统的基本思想，从此，人们正式开始了对虚拟现实系统的研究探索历程。1966年，美国MIT的林肯实验室正式开始了头盔式显示器HMD的研制工作。在这第一个HMD的样机完成不久，研制者又把能模拟力量和触觉的力反馈装置加入到这个系统中。1970年，出现了第一个功能较齐全的HMD系统。1984年，Willia Gibson写了一本名为 Neuro-mancer的书，书中幻想计算机用户可以把自己的脑神经网络接入计算机，这样用户便可以神游于由计算机模拟成的虚拟世界中。他把这个世界称为“控制空间”（Cyber Space）。在这以后，人们又提出了“虚拟现实”。“人工现实”、“远程现场控制”等设想，统称为虚拟现实技术。基于从60年代以来所取得的一系列成就，美国的VPL公司的创建者 Jaron Lamer在80年代初最后确定以虚拟现实（Virtual Reality）一词作为这一领域的专用术语。80年代，美国宇航局（NASA）及美国国防部组织了一系列有关虚拟现实技术的研究，并取得了令人瞩目的研究成果。 1984年，NASA Ames研究中心虚拟行星探测实验室的M.McGreevy 和J.Humphries博士组织开发了用于火星探测的虚拟环境视觉显示器，将火星探测器发回的数据输入计算机，为地面研究人员构造了火星表面的三维虚拟环境。1990年在美国Dallas召开的Siggraph的会议上，对VR技术进行了讨论，明确提出了VR技术的主要内容是：实时三维图形生成技木、多传感器交互技术，以及高分辨率显示技术，为VR技术的发展确定了研究方向1。1、协作式虚拟实验室2协作技术分为两个主要部分：信息共享技术和通信技术。通信技术现阶段已比较成熟，而信息共享技术则比较难以实现，因为它一方面要求实现复杂数据类型的转换；另一方面，它还没有较好的群件。原因一是CSCW（Computer Supported Cooperative Work）尚处未成熟阶段；二是协作任务的不同，开发一套普遍适用的规则较难。因此，协作式虚拟实验室的目标设计很重要，其目标就是要减少地域障碍，使学生能在网上一起进行科学实验和讨论。在协作式虚拟实验室中，每个用户都有一个特定的个人域并共享一个群域，通过这种方式，个人和小组工作既可以个别发生，又可以同时发生。图1-1 协作式虚拟实验室原理图麻省理工学院针对虚拟实验室中的协作效果进行了对比性研究，将21个使用过WebLab的MIT本科生分成三组：单独组、协作组和指导组。实验结果表明：人们独自工作时速度快，与他人协作时速度慢，但正确率比单独组高。因为在与他人协作时，实验是以讨论的方式展开的，提出自己的解决方法，通过交流、讨论和验证各自的观点，最终得出正确的解决方案。2、自适应虚拟实验室2在日常语言中，“自适应”是指生物变更自己的习性以适应新的环境的一种特征。直观地说，“自适应实验”即指能修正自己的特征以响应规则原理的变化，并根据学习者的学习过程生成一个反馈回路，为学习者提供一个自适应的获取知识和技能的实验学习环境。自适应实验室系统原理框图如图1-2所示，假定系统的输入r，经过预处理单元处理后其输出为yu，当被控对象结构变化或参数偏离时，自适应机构根据参考模型输出与被控对象输出之差及其变化，产生一个自适应信号，调整前馈、反馈调节器，使其参数收敛，即eyu-yd0。图1-2 自适应虚拟实验室原理图虚拟实验室增强并扩展了实验教学的功能，以前所未有的方式将学生和实验仪器联系起来，为学生提供了一种崭新的实验方式。在使用虚拟实验室的过程中，如果能把模拟的与真实的相比较，加强学习者之间的相互合作，并注重激发学习者的兴趣、促使其进行探究，那必将会产生巨大的教育价值。1.2虚拟实验室的介绍1.2.1虚拟实验室的概念虚拟实验室可以说是教育领域应用信息技术的一种创新：允许人们访问和使用自己没有的设备资源，使得处于不同地理位置的学习者可以同时对一个实验项目进行实验工作，可以接触最新的仪器。目前，有关虚拟实验室的定义主要有两种3：所谓虚拟实验是指在计算机系统中采用虚拟现实技术实现的各种虚拟实验环境，实验者可以像在真实的环境中一样完成各种预定的实验项目，所取得的学习或训练效果等值于甚至优于在真实环境中所取得的效果。虚拟实验室是一个创造和引导模拟实验的交互环境：即实验场所。它由实验所依赖的模拟程序、实验单元、工具和参考资料组成。用户可以通过增加新的物体、建立新的实验并把它们转化成超文本文件来扩充实验室。1.2.2虚拟设计的技术基础虚拟设计是在虚拟现实技术的基础上产生的，其技术基础是“虚拟现实”4。虚