CN110310541A - 一种空天地海一体化舰船通信网络虚拟仿真与实验教学平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空天地海一体化舰船通信网络虚拟仿真与实验教学平台包括：三维建模单元：用于将通信设备、舰船、移动基站、岸基调度中心通过虚拟三维空间搭建成移动通信网并构建虚拟通信环境；教学单元：用于在三维场景下向学生展示集知识讲解与学生操作于一体的基础预备知识以及基于实物三维演示的典型通信过程；人机交互单元：用于实现学生用户与教学平台之间的语音交互、视频交互、以及文字信息交互；场景开发单元：用于将海洋以及天气环境信息通过Unity 3D软件构建虚拟通信环境并搭建成空天地海一体化的通信网；考核单元：用于对学生用户在教学单元内所掌握的知识进行在线考核同时输出考核成绩。

Description

一种空天地海一体化舰船通信网络虚拟仿真与实验教学平台

技术领域

本发明涉及舰船通信网络虚拟仿真技术领域，尤其涉及一种空天地海一体化舰船通信网络虚拟仿真与实验教学平台。

背景技术

目前，各学科都进行了诸多虚拟可视化技术与教学领域相结合的尝试，例如在通信领域，贾鹏万等人在《基于VR-Platform的无人机中继通信虚拟教学***》文章中针对无人机中继通信教学***的组成和功能进行详细介绍，陈猛等人在《基于EON的通信电台虚拟教学***》文章中以某型通信电台的操作为研究对象，探讨利用虚拟现实软件开发教学***的设计方案。虽然虚拟可视化技术已逐步应用于教学领域并不断完善，但目前仍缺乏一种针对海上无线通信的虚拟仿真与实验教学***，对涉及海上通信领域学习的学生进行实验考核。

发明内容

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种空天地海一体化舰船通信网络虚拟仿真与实验教学平台，，具体包括

三维建模单元：用于将通信设备、舰船、移动基站、岸基调度中心通过虚拟三维空间搭建成移动通信网并构建虚拟通信环境；

教学单元：用于在三维场景下向学生展示集知识讲解与学生操作于一体的基础预备知识以及基于实物三维演示的典型通信过程；

人机交互单元：用于实现学生用户与教学平台之间的语音交互、视频交互、以及文字信息交互；

场景开发单元：用于将海洋以及天气环境信息通过Unity 3D软件构建虚拟通信环境并搭建成空天地海一体化的通信网；

考核单元：用于对学生用户在教学单元内所掌握的知识进行在线考核同时输出考核成绩。

进一步的，所述教学单元至少包括基础预备知识学习模块和典型通信***学习模块，所述基础预备知识学习模块内存储有无线传播方式基础理论与实验知识、无线通信频率基础理论与实验知识、星基舰船通信实验知识、舰船天线基础实验知识以及舰船通信网络安全基础实验知识；

所述典型通信***学习模块内存储有典型舰船通信***原理信息、岸基通信***学习与实验信息；其中典型舰船通信***原理信息至少包括船舶常用应急通信设备的原理讲解知识、设备外观、设备组成部分、设备操作以及通信过程的动画演示信息，岸基通信***学习与实验信息至少包括岸基通信设备的原理讲解、设备外观、设备组成部分以及设备操作信息。

进一步的，所述三维建模单元至少包括物理建模模块、模型纹理贴图模块、视觉效果渲染模块和模型格式转换模块；

所述物理建模模块采用3Ds Max建模软件将实际通信设备、舰船、移动基站、岸基调度中心通过虚拟三维空间构建出具有三维数据的模型展现；

所述模型纹理贴图模型根据3Ds Max工具栏中的操作选项选择待贴图片、并将材质添加至待贴图片完成贴图操作；

所述视觉效果渲染模块将3D模型所在场景进行视野、角度、相机的参数的调整；

所述模型格式转换模块将3Ds Max建模软件中的.max文件通过max图标设置为.fbx格式。

进一步的，所述人机交互单元包括界面切换设计模块、角色视角控制模块、漫游行走交互模块、碰撞检测响应模块、场景调度管理模块；

所述界面切换设计模块接收学生用户通过按钮输入的点击指令信息对***界面进行实时切换；

所述角色视角控制模块从不同角度、不同窗口展现虚拟场景以及通信设备各部件的外观画面及操作过程；

所述漫游行走交互模块通过鼠标或键盘控制虚拟场景的旋转、缩放以及舰船、卫星设备的移动和转向；

所述碰撞检测响应模块对虚拟三维空间内所有模型的运动状态进行实时监测、当设备出现碰撞前所述碰撞检测响应模块通过控制脚本禁止模型前进；

所述场景调度管理模块对虚拟三维空间内设备的运动状态进行实时监督、协调和指挥。

进一步的，所述场景开发单元包括通信环境建模模块、物理模型导入模块、动画演示制作模块；

所述通信环境建模模块对海洋和天气环境信息过虚拟仿真软件构建虚拟通信环境；

所述物理模型导入模块对三维建模单元所构建的.fbx格式的三维虚拟模型添加到Unity 3D开发引擎中，同时为模型添加脚本；

所述动画演示制作模块采用Unity 3D软件中的动画控制器控制动画，同时设置动画的文本、颜色属性，通过编辑每帧画面的显示状态完成整个动画的制作。

进一步的，所述考核单元包括理论考核模块、综合实验考核模块和实验报告生成模块；

所述理论考核模块对学生在基础预备知识学习模块内的学习情况进行考核、同时记录学生操作与时长；

所述综合实验考核模块内存储有紧急通信场景模拟综合实验、安全通信场景模拟综合实验和舰船编队通信模拟综合实验信息，所述综合实验考核模块以三维立体形式显示内部存储的信息、并对学生所掌握的学习情况进行考核、同时对学生成绩进行整体统计并分析；

所述实验报告生成模块内存储有学生考核过程的操作情况和实验数据。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种空天地海一体化舰船通信网络虚拟仿真与实验教学平台，该平台将3Ds Max和Unity 3D相结合进行三维建模、交互设计和场景开发，因此实现了三维空间下的通信设备演示、***架构观察、通信组网仿真和通信性能计算功能。该平台提供通信设备虚拟模型和交互操作，能够充分发挥学生的主体作用，另外该平台还搭建虚拟的海上通信实验环境，学生可以验证科学理论或提出自己的想法并实践，另外该平台集图像、视频、动画和文字为一体，整个***实现了舰船通信知识与现代科技相结合的效果，为海上通信虚拟教学***的整合和完善奠定了基础。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明空天地海一体化舰船通信网络虚拟仿真与实验教学平台的功能框图；

图2为本发明空天地海一体化舰船通信网络虚拟仿真与实验教学平台的结构框图；

图3为本发明中该平台的工作流程图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

如图1和图3所示的一种空天地海一体化舰船通信网络虚拟仿真与实验教学平台，具体包括：三维建模单元、教学单元、人机交互单元、场景开发单元和考核单元。

所述三维建模单元利用三维建模软件还原出现实中的通信设备、舰船等元素，为仿真海洋通信提供必要设施，同时将通信设备、舰船、基站等必要物理设施、利用三维建模软件通过虚拟三维空间构建出具有三维数据的模型。

所述教学单元在三维场景下向学生展示集知识讲解与学生操作于一体的基础预备知识以及基于实物三维演示的典型通信过程。

所述人机交互单元：用于实现学生用户与教学平台之间的语音交互、视频交互、以及文字信息交互。其中该平台的人机交互界面和导航模块可以引导学生进行模块化学习及实验，学生可在引导下自主学习，独立探索，增强自主学习能力。

所述场景开发单元用于将海洋以及天气环境信息通过Unity 3D软件构建虚拟通信环境并搭建成空天地海一体化的通信网；

所述考核单元用于对学生用户在教学单元内所掌握的知识进行在线考核同时输出考核成绩。当学生在教学单元内对相关知识进行学***台后台计算，最终理论考核成绩在实验报告中生成。

进一步的，教学单元至少包括基础预备知识学习模块和典型通信***学习模块。

所述基础预备知识学习模块内存储有无线传播方式基础理论与实验知识、无线通信频率基础理论与实验知识、星基舰船通信实验知识、舰船天线基础实验知识以及舰船通信网络安全基础实验知识，以上基础知识以三维立体形式展示给学生，这样可以加深学生对知识的理解，其中学生可以采用基础预备知识学习模块对其内部存储的知识进行重复性学习，在学生学习的过程中可以进行人机交互，以增强学习的趣味性。

进一步的，典型通信***学习模块内存储有典型舰船通信***原理信息、岸基通信***学习与实验信息；其中典型舰船通信***原理信息至少包括船舶常用通信设备的原理讲解知识、设备外观、设备组成部分、设备操作以及通信过程的动画演示信息，岸基通信***学习与实验信息至少包括岸基通信设备的原理讲解、设备外观、设备组成部分以及设备操作信息。上述信息都是以典型通信***学习中的设备为基础进行三维建模，这样可以便于学生对通信设备的观察与实验，旨在让学生了解当前舰船通信常用设备的相关知识。

进一步的，如图2所示，所述三维建模单元至少包括物理建模模块、模型纹理贴图模块、视觉效果渲染模块和模型格式转换模块。

所述物理建模模块采用3Ds Max建模软件将实际通信设备、舰船、移动基站、岸基调度中心、搜救中心等通过虚拟三维空间构建出具有三维数据的模型展现；

所述模型纹理贴图模块根据3Ds Max工具栏中的操作选项选择待贴图片、并将材质添加至具有三维数据的模型完成贴图操作；

所述视觉效果渲染模块将3D模型所在场景进行视野、角度、相机的参数的调整、即可实现对模型的渲染；

所述模型格式转换模块将3Ds Max建模软件中的.max文件通过max图标设置为.fbx格式，即可在Unity场景中使用。

进一步的，所述人机交互单元包括界面切换模块、角色视角控制模块、漫游行走交互模块、碰撞检测响应模块、场景调度管理模块。

所述界面切换模块接收学生用户通过按钮输入的点击指令信息对***界面进行实时切换，由于界面是整个教学***的重要组成，为用户提供方便的交互窗口。用户在***界面进行操作，***界面及时的向用户反馈相关信息，引导用户完成相应学习任务；通过对功能按钮的点击操作，可以进入下一级或返回上一级的学习界面。

所述角色视角控制模块从不同角度、不同窗口展现虚拟场景以及通信设备各部件的外观画面及操作过程。其中用户可以从不同的角度、位置观察通信虚拟场景以及通信设备各部件的外观及操作按键，通过多窗口、多视角展示通信装备各组成部件以及相关附属设备的外形、参数和用途，供使用者在三维空间全方位观察学习，观测过程中还具有文字介绍、语音讲解、动画演示等辅助功能。

所述漫游行走交互模块通过鼠标或键盘控制虚拟场景的旋转、缩放以及舰船、卫星设备的移动和转向。

所述碰撞检测响应模块对虚拟三维空间内设备的运动状态进行实时监测、当设备出现碰撞前所述碰撞检测响应模块通过控制脚本禁止模型继续前进。

进一步的，所述场景开发单元包括通信环境建模模块、物理模型导入模块、动画演示制作模块；

所述通信环境建模模块对海洋和天气环境信息过虚拟仿真软件构建虚拟通信环境；

所述物理模型导入模块对三维建模单元所构建的.fbx格式的三维虚拟模型添加到Unity 3D开发引擎中，同时为模型添加脚本；

所述动画演示制作模块采用Unity 3D软件中的动画控制器控制动画，同时设置动画的文本、颜色属性，通过编辑每帧画面的显示状态完成整个动画的制作。

进一步的，所述考核单元包括理论考核模块、综合实验考核模块和实验报告生成模块；

所述理论考核模块对学生在基础预备知识学习模块内的学习情况进行考核、同时记录学生操作与时长；

所述综合实验考核模块内存储有紧急通信场景模拟综合实验、安全通信场景模拟综合实验和舰船编队通信模拟综合实验信息，所述综合实验考核模块以三维立体形式显示内部存储的信息、并对学生所掌握的学习情况进行考核、同时对学生成绩进行整体统计并分析。

所述实验报告生成模块内存储有学生考核过程的操作情况和实验数据。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种空天地海一体化舰船通信网络虚拟仿真与实验教学平台，其特征在于包括：

三维建模单元，用于将通信设备、舰船、移动基站、岸基调度中心通过虚拟三维空间搭建成移动通信网并构建虚拟通信环境；

教学单元，用于在三维场景下向学生展示集知识讲解与学生操作于一体的基础预备知识以及基于实物三维演示的典型通信过程；

人机交互单元，用于实现学生用户与教学平台之间的语音交互、视频交互、以及文字信息交互；

场景开发单元，用于将海洋以及天气环境信息通过Unity 3D软件构建虚拟通信环境并搭建成空天地海一体化的通信网；

考核单元，用于对学生用户在教学单元内所掌握的知识进行在线考核同时输出考核成绩。

2.根据权利要求1所述的一种空天地海一体化舰船通信网络虚拟仿真与实验教学平台，其特征还在于：所述教学单元至少包括基础预备知识学习模块和典型通信***学习模块，所述基础预备知识学习模块内存储有无线传播方式基础理论与实验知识、无线通信频率基础理论与实验知识、星基舰船通信实验知识、舰船天线基础实验知识以及舰船通信网络安全基础实验知识；

所述典型通信***学习模块内存储有典型舰船通信***原理信息、岸基通信***学习与实验信息；其中典型舰船通信***原理信息至少包括船舶常用应急通信设备的原理讲解知识、设备外观、设备组成部分、设备操作以及通信过程的动画演示信息，岸基通信***学习与实验信息至少包括岸基通信设备的原理讲解、设备外观、设备组成部分以及设备操作信息。

3.根据权利要求1所述的一种空天地海一体化舰船通信网络虚拟仿真与实验教学平台，其特征还在于：所述三维建模单元至少包括物理建模模块、模型纹理贴图模块、视觉效果渲染模块和模型格式转换模块；

所述物理建模模块采用3Ds Max建模软件将实际通信设备、舰船、移动基站、岸基调度中心通过虚拟三维空间构建出具有三维数据的模型展现；

所述模型纹理贴图模型根据3Ds Max工具栏中的操作选项选择待贴图片、并将材质添加至待贴图片完成贴图操作；

所述视觉效果渲染模块将3D模型所在场景进行视野、角度、相机的参数的调整；

所述模型格式转换模块将3Ds Max建模软件中的.max文件通过max图标设置为.fbx格式。

4.根据权利要求1所述的一种空天地海一体化舰船通信网络虚拟仿真与实验教学平台，其特征还在于：所述人机交互单元包括界面切换设计模块、角色视角控制模块、漫游行走交互模块、碰撞检测响应模块、场景调度管理模块；

所述界面切换设计模块接收学生用户通过按钮输入的点击指令信息对***界面进行实时切换；

所述角色视角控制模块从不同角度、不同窗口展现虚拟场景以及通信设备各部件的外观画面及操作过程；

所述漫游行走交互模块通过鼠标或键盘控制虚拟场景的旋转、缩放以及舰船、卫星设备的移动和转向；

所述碰撞检测响应模块对虚拟三维空间内所有模型的运动状态进行实时监测、当设备出现碰撞前所述碰撞检测响应模块通过控制脚本禁止模型前进；

所述场景调度管理模块对虚拟三维空间内设备的运动状态进行实时监督、协调和指挥。

5.根据权利要求1所述的一种空天地海一体化舰船通信网络虚拟仿真与实验教学平台，其特征还在于：所述场景开发单元包括通信环境建模模块、物理模型导入模块、动画演示制作模块；

所述通信环境建模模块对海洋和天气环境信息过虚拟仿真软件构建虚拟通信环境；

所述物理模型导入模块对三维建模单元所构建的.fbx格式的三维虚拟模型添加到Unity 3D开发引擎中，同时为模型添加脚本；

所述动画演示制作模块采用Unity 3D软件中的动画控制器控制动画，同时设置动画的文本、颜色属性，通过编辑每帧画面的显示状态完成整个动画的制作。

6.根据权利要求1所述的一种空天地海一体化舰船通信网络虚拟仿真与实验教学平台，其特征还在于：

所述考核单元包括理论考核模块、综合实验考核模块和实验报告生成模块；

所述理论考核模块对学生在基础预备知识学习模块内的学习情况进行考核、同时记录学生操作与时长；

所述综合实验考核模块内存储有紧急通信场景模拟综合实验、安全通信场景模拟综合实验和舰船编队通信模拟综合实验信息，所述综合实验考核模块以三维立体形式显示内部存储的信息、并对学生所掌握的学习情况进行考核、同时对学生成绩进行整体统计并分析；

所述实验报告生成模块内存储有学生考核过程的操作情况和实验数据。