中原工学院毕业设计（论文）
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。
虚拟实验室InternetHTTPHTTP(1)(1)协作服务器管理数据库客户端 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e＝yu-yd→0。
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决策分析预处理Yu+前馈调节器+-反馈调节器智能扩展Yd-r虚虚拟拟算算法法
自适应机构图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]。虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)是指综合利用计算机图形系统和各种显示、控制等接口设
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备生成的给人多种感官刺激和交互性操作的虚拟环境(Virtua1 Environment)，是一种高级的人机交互系统。虚拟现实技术是一门由多学科交叉形成的一个全新的研究领域，汇集了计算机图形学、多媒体技术、人工智能、人机接口技术、传感器技术、仿真、微电子、高度并行的实时计算技术和人的行为学研究等多项关键技术，是这些技术高层次的集成和渗透。
虚拟现实的功能有：给用户制造一个三维现实世界的感觉；使用户能够与界面中的环境交互，并能在其中动作，使用户能直接和界面中的图形实时地交互，用户作为界面中的主人在虚拟世界中遨游；用户能从任意的观察点来观察他所想看到的物体，改变物体的位置和方向，控制物体的行为和外形，对界面中的物体进行评价而不需要预先编程。从本质上讲，虚拟现实系统是一种高级的多通道人机交互系统，它对沉浸式系统要求采用自然方式的交互操作，对于非沉浸式系统也可使用常规交互设备进行交互操作。
虚拟现实的概念模型如图1-3所示：
感官刺激信号 介 入 者（人）感知系统反应动作反应系统虚拟世界（环境）
图1-3 虚拟现实的概念模型
因此，人机交互是虚拟现实的核心，它强调的是人、机两者之间的交互操作，即反映出人在虚拟世界(环境)的体验。虚拟现实技术潜力巨大，应用前景十分广阔，越来越多地被应用于科学研究，已被认为是重要的科学探索工具。利用这项技术，在新产品、新计划或新概念还远没有成为现实之前，人们就能够以较为现实的方式对其进行观察和探索。从这个意义上讲，虚拟现实技术是一种非常独特的技术，很难有别的技术可以取而代之。虚拟设计是虚拟现实技术在机械产品设计方面的一个应用。
1.2.3虚拟设计的特点
一个完整的虚拟现实系统应包含一个逼真的三维虚拟环境和符合人们自然交互
习惯的人机交互界面，具有以下几个特点：
(1) 多感知性(Multi Sensory) VR系统具有感知视、听、触嗅、味觉及运动等多种信息的能力。
(2) 沉浸感(Immersion) 指用户感到作为主角存在于虚拟环境并与其“融合”的真
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实程度。
(3)交互性(Interaction) 指用户通过交互设备对虚拟环境中对象的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度。
(4) 自主性(Autonomy) 指虚拟环境中物体可按各自的模型、属性和规则自主运动，即虚拟环境中的物体应具有与在现实世界中相同的物理属性。例如，当受到力的推动时，物体会向力的方向移动，或翻倒、或从桌面落到地面等。
(5) 多信息通道性 虚拟设计时，用户除了通过视觉感受虚拟原型的信息外，还可以通过听觉、触觉、嗅觉等其它信息通道来接受信息。在交互时，除支持普通的键盘、鼠标外，还支持三维鼠标、跟踪球、操纵杆、数据衣、数据手套、声音命令、动作、目光等其它交互设备和手段，支持更多的设计行为(建模、仿真、修改、评估、预测等)。
(6) 实时性 虚拟设计时，设计者作为虚拟环境的参与者，与虚拟环境融为一体，可以随意观察想观察的对象，改变物体的位置和方向，控制物体的行为和外形，并立即得到相应的响应，具有所见即所得的实时性。
(7) 高效率 传统的产品开发制造需要从“试设计—样机制作—实验评价—产品设计”反复循环，需要反复制造与实验物理样机，时间长，成本高、效率低、风险大。采用虚拟设计后，它的“设计—加工—装配—评价”等阶段都可以在虚拟环境下进行，时间短、成本低、效率高，风险小，可以迅速对市场的需要做出反应。例如，波音777飞机的设计，由于采用了虚拟设计，对比以往的飞机设计，公司节省了94%的花费，减少了93%的设计更改，而且使模具的设计精度提高了10倍，从而大大降低了费用，同时使制造周期缩短了近一半。
1.2.4虚拟设计的优点 虚拟设计具有以下优点：
(1)虚拟设计继承了虚拟现实技术的所有特点。
(2)具备仿真技术的可视化特点，便于随时改变输入变量实时仿真实验结果。 (4)支持Internet互联，利于资源共享和优势互补，随时随地更改参数并进行实验。 (5)便于利用和补充各种先进技术，保持技术上的领先优势。
1.3课题研究的主要内容
智能控制虚拟实验室的功能是让学生在网络环境中进行智能控制实验。本设计最终目标是完成智能控制虚拟实验室的BP神经网络控制器的设计。建立起一个虚拟实验室，
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