王明旭 朱云龍 石愛軍 吳少明 秦承運

摘要：“海洋石油981”深水鉆井平臺是我國開發(fā)深海油氣資源的戰(zhàn)略裝備，但對該鉆井平臺已有的科普展示，以縮小比例仿真模型為主，展示形式單調(diào)?，F(xiàn)通過設(shè)計AR互動工作臺，展示鉆井平臺錨鏈定位、直升機(jī)降落、油輪銜接、火災(zāi)逃生的工作過程;通過設(shè)計鉆井平臺機(jī)電模型、三自由度運動系統(tǒng)、大尺寸弧面投影展示鉆井平臺DP3動力定位過程。該機(jī)電裝置互動趣味性好，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（以下簡稱“981鉆井平臺”）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)于一個標(biāo)準(zhǔn)足球場，高度相當(dāng)于45層樓，采用了DP3動力定位和錨泊定位的組合定位系統(tǒng)。981鉆井平臺標(biāo)志著中國油氣資源的勘探開發(fā)挺進(jìn)深海，對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981鉆井平臺，中國國際船舶工業(yè)博覽會上曾展出過該平臺模型，但模型展示單調(diào)枯燥，知識內(nèi)容少。借助國家科技支撐計劃“高新技術(shù)互動體驗系列展品展示關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)”課題，本文設(shè)計了981鉆井平臺機(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DP3動力定位過程。

1? ? 裝置總體結(jié)構(gòu)

裝置主要由981鉆井平臺機(jī)電模型、三自由度運動系統(tǒng)、AR互動工作臺、DP3定位體驗工作臺、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鉆井平臺縮小制作，通過三自由度運動系統(tǒng)實現(xiàn)模擬運動。DP3定位體驗工作臺設(shè)置3個風(fēng)浪模式選擇按鈕、1個“確定”按鈕和1個“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)行模擬運動。AR互動工作臺包含攝像頭和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? ? 平臺動力定位互動展示

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

DP3定位體驗工作臺上有大風(fēng)、波浪、洋流3個風(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，同時機(jī)電模型會根據(jù)相應(yīng)的海況做出運動反饋。按下“DP3定位”按鈕，投影儀在弧面展墻上播放DP3動力定位過程多媒體視頻，機(jī)電模型做出相應(yīng)運動;若不按“DP3定位”按鈕，投影多媒體演示不啟動DP3動力定位導(dǎo)致的后果。

2.2? ? 平臺工作過程互動展示

AR互動工作臺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個互動演示內(nèi)容。選擇后，轉(zhuǎn)動屏幕，攝像頭識別機(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)計內(nèi)容

3.1? ? 三自由度運動系統(tǒng)設(shè)計

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

X軸驅(qū)動系統(tǒng)是通過伺服電機(jī)帶動絲桿轉(zhuǎn)動，從而帶動裝在絲桿上的絲桿螺母沿X軸方向移動。Y軸驅(qū)動系統(tǒng)整體安裝在X軸驅(qū)動系統(tǒng)上方，與X軸驅(qū)動系統(tǒng)中的絲桿螺母連接，帶動Y軸驅(qū)動系統(tǒng)整體沿X軸方向移動。Y軸驅(qū)動系統(tǒng)同樣是通過伺服電機(jī)帶動絲桿轉(zhuǎn)動，從而帶動裝在絲桿上的絲桿螺母沿Y軸方向移動。Z軸驅(qū)動系統(tǒng)整體安裝在Y軸驅(qū)動系統(tǒng)上方，與Y軸驅(qū)動系統(tǒng)中的絲桿螺母連接，由Y軸驅(qū)動系統(tǒng)帶動沿Y軸方向移動。Z軸驅(qū)動系統(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)帶動小齒輪轉(zhuǎn)動，小齒輪帶動大齒輪轉(zhuǎn)動，從而帶動模型安裝架以及安裝架上的981鉆井平臺機(jī)電模型轉(zhuǎn)動，以此實現(xiàn)981鉆井平臺機(jī)電模型的三自由度運動。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總成圖如圖2所示。

3.2? ? AR互動工作臺設(shè)計

AR互動工作臺主要實現(xiàn)觸摸屏兩個自由度的運動：觸摸屏的旋轉(zhuǎn)運動和觸摸屏的翻轉(zhuǎn)運動。屏幕轉(zhuǎn)動運動機(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，然后整體固定在臺面上，觸摸屏框安裝在轉(zhuǎn)軸上，從而實現(xiàn)觸摸屏的轉(zhuǎn)動。屏幕翻轉(zhuǎn)運動機(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)動手柄帶動觸摸屏實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)運動。工作臺總成結(jié)構(gòu)如圖3所示。

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

3.3? ? 電控系統(tǒng)設(shè)計

電控系統(tǒng)主要實現(xiàn)鉆井平臺機(jī)電模型的三自由度運動、AR互動多媒體播放、投影多媒體播放等功能。兩臺AR互動工作臺的攝像頭和觸摸屏各連接一臺電腦，地面投影儀連接一臺電腦，一臺電腦連接正面投影（弧形投影墻）和運動控制卡，運動控制卡連接機(jī)電模型的運動驅(qū)動系統(tǒng)。4臺電腦通過網(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、機(jī)電模型與大屏幕投影相融合，本文設(shè)計的裝置以較為趣味的方式展示了981鉆井平臺錨鏈定位、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DP3動力定位過程。該裝置已由課題組織單位捐贈給國內(nèi)某科技館，裝置目前運行良好。相較于常見的靜態(tài)模型或純多媒體影片，本文設(shè)計的裝置展示內(nèi)容豐富，可多人同時操作體驗，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[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DP3動力定位系統(tǒng)設(shè)計和應(yīng)用[J].海洋工程，2010，28（4）：117-121.

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

[4] 秦承運，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。