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        一種981鉆井平臺(tái)互動(dòng)展示裝置的設(shè)計(jì)

        2020-10-21 03:57:24王明旭朱云龍石愛軍吳少明秦承運(yùn)
        機(jī)電信息 2020年21期
        關(guān)鍵詞:AR技術(shù)

        王明旭 朱云龍 石愛軍 吳少明 秦承運(yùn)

        摘要:“海洋石油981”深水鉆井平臺(tái)是我國開發(fā)深海油氣資源的戰(zhàn)略裝備,但對(duì)該鉆井平臺(tái)已有的科普展示,以縮小比例仿真模型為主,展示形式單調(diào)。現(xiàn)通過設(shè)計(jì)AR互動(dòng)工作臺(tái),展示鉆井平臺(tái)錨鏈定位、直升機(jī)降落、油輪銜接、火災(zāi)逃生的工作過程;通過設(shè)計(jì)鉆井平臺(tái)機(jī)電模型、三自由度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、大尺寸弧面投影展示鉆井平臺(tái)DP3動(dòng)力定位過程。該機(jī)電裝置互動(dòng)趣味性好,展示效果佳,可推廣應(yīng)用于其他類似科普展示場合。

        關(guān)鍵詞:海洋石油981;AR技術(shù);機(jī)電模型;多媒體投影

        0? ? 引言

        “海洋石油981”深水鉆井平臺(tái)(以下簡稱“981鉆井平臺(tái)”)主要由殼體、各類模塊(導(dǎo)航、定位等)、水下作業(yè)系統(tǒng)(生產(chǎn)系統(tǒng)、采油樹、集油器等)等組成,最大作業(yè)水深3 050 m,甲板面積相當(dāng)于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)足球場,高度相當(dāng)于45層樓,采用了DP3動(dòng)力定位和錨泊定位的組合定位系統(tǒng)。981鉆井平臺(tái)標(biāo)志著中國油氣資源的勘探開發(fā)挺進(jìn)深海,對(duì)于保障我國能源安全和維護(hù)領(lǐng)海主權(quán)具有重要意義[1]。

        針對(duì)981鉆井平臺(tái),中國國際船舶工業(yè)博覽會(huì)上曾展出過該平臺(tái)模型,但模型展示單調(diào)枯燥,知識(shí)內(nèi)容少。借助國家科技支撐計(jì)劃“高新技術(shù)互動(dòng)體驗(yàn)系列展品展示關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)”課題,本文設(shè)計(jì)了981鉆井平臺(tái)機(jī)電模型,應(yīng)用AR技術(shù)和大屏幕投影,綜合展示了鉆井平臺(tái)錨鏈定位、直升機(jī)降落、油輪銜接、火災(zāi)逃生的工作過程以及鉆井平臺(tái)DP3動(dòng)力定位過程。

        1? ? 裝置總體結(jié)構(gòu)

        裝置主要由981鉆井平臺(tái)機(jī)電模型、三自由度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、AR互動(dòng)工作臺(tái)、DP3定位體驗(yàn)工作臺(tái)、弧面展墻、投影儀等組成。裝置總成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        機(jī)電模型仿照981鉆井平臺(tái)縮小制作,通過三自由度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)模擬運(yùn)動(dòng)。DP3定位體驗(yàn)工作臺(tái)設(shè)置3個(gè)風(fēng)浪模式選擇按鈕、1個(gè)“確定”按鈕和1個(gè)“DP3定位”按鈕,按下按鈕,投影儀在弧面展墻播放相關(guān)多媒體內(nèi)容,機(jī)電模型進(jìn)行模擬運(yùn)動(dòng)。AR互動(dòng)工作臺(tái)包含攝像頭和15英寸觸摸屏,可以觀看AR多媒體演示內(nèi)容。

        2? ? 裝置展示工作流程

        2.1? ? 平臺(tái)動(dòng)力定位互動(dòng)展示

        DP3動(dòng)力定位系統(tǒng)是世界上最先進(jìn)的技術(shù),可以不借助錨泊定位,不斷檢測出平臺(tái)實(shí)際位置與目標(biāo)位置偏差,根據(jù)風(fēng)、浪、流等外界干擾力,計(jì)算出平臺(tái)恢復(fù)到目標(biāo)位置所需推力大小,控制推進(jìn)系統(tǒng)動(dòng)作,維持平臺(tái)位置在符合作業(yè)要求的范圍內(nèi)[2-3]。

        DP3定位體驗(yàn)工作臺(tái)上有大風(fēng)、波浪、洋流3個(gè)風(fēng)浪模式選擇按鈕,可以單一選擇或組合選擇。選擇后按下“確定”按鈕,投影儀在弧面展墻上播放相應(yīng)的模擬海況畫面,同時(shí)機(jī)電模型會(huì)根據(jù)相應(yīng)的海況做出運(yùn)動(dòng)反饋。按下“DP3定位”按鈕,投影儀在弧面展墻上播放DP3動(dòng)力定位過程多媒體視頻,機(jī)電模型做出相應(yīng)運(yùn)動(dòng);若不按“DP3定位”按鈕,投影多媒體演示不啟動(dòng)DP3動(dòng)力定位導(dǎo)致的后果。

        2.2? ? 平臺(tái)工作過程互動(dòng)展示

        AR互動(dòng)工作臺(tái)上的觸摸屏可以選擇錨鏈定位、直升機(jī)降落、油輪銜接、火災(zāi)逃生、鉆井流程5個(gè)互動(dòng)演示內(nèi)容。選擇后,轉(zhuǎn)動(dòng)屏幕,攝像頭識(shí)別機(jī)電模型的特定位置,觸摸屏畫面中AR多媒體內(nèi)容演示相應(yīng)工作過程。

        3? ? 裝置主要設(shè)計(jì)內(nèi)容

        3.1? ? 三自由度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        三自由度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)用于帶動(dòng)981鉆井平臺(tái)機(jī)電模型進(jìn)行X軸、Y軸水平移動(dòng)和繞Z軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)由X軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、Y軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、Z軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、坦克鏈、模型安裝架、支撐滑軌等零部件組成。

        X軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是通過伺服電機(jī)帶動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng),從而帶動(dòng)裝在絲桿上的絲桿螺母沿X軸方向移動(dòng)。Y軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)整體安裝在X軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上方,與X軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的絲桿螺母連接,帶動(dòng)Y軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)整體沿X軸方向移動(dòng)。Y軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)同樣是通過伺服電機(jī)帶動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng),從而帶動(dòng)裝在絲桿上的絲桿螺母沿Y軸方向移動(dòng)。Z軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)整體安裝在Y軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上方,與Y軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的絲桿螺母連接,由Y軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)沿Y軸方向移動(dòng)。Z軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由大小齒輪、旋轉(zhuǎn)軸、伺服電機(jī)等零部件組成,伺服電機(jī)帶動(dòng)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng),小齒輪帶動(dòng)大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng),從而帶動(dòng)模型安裝架以及安裝架上的981鉆井平臺(tái)機(jī)電模型轉(zhuǎn)動(dòng),以此實(shí)現(xiàn)981鉆井平臺(tái)機(jī)電模型的三自由度運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總成圖如圖2所示。

        3.2? ? AR互動(dòng)工作臺(tái)設(shè)計(jì)

        AR互動(dòng)工作臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)觸摸屏兩個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng):觸摸屏的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和觸摸屏的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。屏幕轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由轉(zhuǎn)軸、軸承座、深溝球軸承、摩擦塊、小圓螺母等零件組成,轉(zhuǎn)軸通過深溝球軸承和小圓螺母固定在軸承座上,然后整體固定在臺(tái)面上,觸摸屏框安裝在轉(zhuǎn)軸上,從而實(shí)現(xiàn)觸摸屏的轉(zhuǎn)動(dòng)。屏幕翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由調(diào)心軸承、限位槽、小圓螺母、限位塊、轉(zhuǎn)軸、手柄、安裝支架等零件組成,轉(zhuǎn)軸一端裝有手柄,中間部位通過調(diào)心軸承和小圓螺母固定在安裝支架上,另一端固定安裝在觸摸屏框上。轉(zhuǎn)動(dòng)手柄帶動(dòng)觸摸屏實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。工作臺(tái)總成結(jié)構(gòu)如圖3所示。

        展品采用了基于模型追蹤技術(shù)的AR互動(dòng)技術(shù),并基于Vuforia SDK較好地實(shí)現(xiàn)了PC端的AR應(yīng)用開發(fā),文獻(xiàn)[4]中對(duì)AR互動(dòng)軟件的具體開發(fā)進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

        3.3? ? 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        電控系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)鉆井平臺(tái)機(jī)電模型的三自由度運(yùn)動(dòng)、AR互動(dòng)多媒體播放、投影多媒體播放等功能。兩臺(tái)AR互動(dòng)工作臺(tái)的攝像頭和觸摸屏各連接一臺(tái)電腦,地面投影儀連接一臺(tái)電腦,一臺(tái)電腦連接正面投影(弧形投影墻)和運(yùn)動(dòng)控制卡,運(yùn)動(dòng)控制卡連接機(jī)電模型的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。4臺(tái)電腦通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)連接進(jìn)行通信,裝置電氣系統(tǒng)如圖4所示。

        4? ? 結(jié)語

        通過AR互動(dòng)、機(jī)電模型與大屏幕投影相融合,本文設(shè)計(jì)的裝置以較為趣味的方式展示了981鉆井平臺(tái)錨鏈定位、直升機(jī)降落、油輪銜接、火災(zāi)逃生的工作過程以及鉆井平臺(tái)DP3動(dòng)力定位過程。該裝置已由課題組織單位捐贈(zèng)給國內(nèi)某科技館,裝置目前運(yùn)行良好。相較于常見的靜態(tài)模型或純多媒體影片,本文設(shè)計(jì)的裝置展示內(nèi)容豐富,可多人同時(shí)操作體驗(yàn),科普展示效果有了較大提升。該裝置展示形式也可拓展應(yīng)用于其他的展示場合。

        [參考文獻(xiàn)]

        [1] 史三東.走近“海洋石油981”深水鉆井平臺(tái)[J].國防科技工業(yè),2012(6):52-54.

        [2] 竇培林,袁洪濤,宋金揚(yáng),等.深水半潛式鉆井平臺(tái)DP3動(dòng)力定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用[J].海洋工程,2010,28(4):117-121.

        [3] 王芳,萬磊,姜大鵬,等.DP-3級(jí)動(dòng)力定位控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào),2012,20(1):130-138.

        [4] 秦承運(yùn),朱云龍,戴海波,等.基于Vuforia SDK與模型追蹤技術(shù)的PC端AR技術(shù)開發(fā)[J].信息與電腦(理論版),2018(3):35-37.

        收稿日期:2020-05-18

        作者簡介:王明旭(1962—),男,安徽合肥人,工程師,從事企業(yè)管理、科普展品創(chuàng)意研發(fā)、智能化產(chǎn)品研發(fā)工作。

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