一種基于虛擬視景的綜合船橋模擬試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王靜綺 ，胡 鍇

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一種基于虛擬視景的綜合船橋模擬試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王靜綺 ，胡 鍇

(中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

將綜合船橋系統(tǒng)硬件設(shè)備與傳統(tǒng)具有物理真實(shí)感的船舶操縱模擬器進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，組建綜合船橋系統(tǒng)的陸上檢測測試評估平臺成為船舶操縱模擬器新的發(fā)展思路。以自主研發(fā)的綜合船橋系統(tǒng)為目標(biāo)組建虛擬視景模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了綜合船橋系統(tǒng)與虛擬視景模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的互聯(lián)互動(dòng)互操作，經(jīng)驗(yàn)證，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)綜合船橋系統(tǒng)陸上檢測調(diào)試功能。相比原有的實(shí)船測試方式能夠有效的縮短系統(tǒng)研發(fā)周期，減少設(shè)備研制風(fēng)險(xiǎn)。

綜合船橋系統(tǒng) 虛擬視景 模擬試驗(yàn)系統(tǒng)

0 引言

綜合船橋虛擬視景模擬試驗(yàn)系統(tǒng)是一種以先進(jìn)綜合船橋技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合船舶操縱模擬器相關(guān)技術(shù)，將各種船用導(dǎo)航、通信、操縱和控制等設(shè)備進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，并運(yùn)用計(jì)算機(jī)、現(xiàn)代控制、信息融合處理、虛擬現(xiàn)實(shí)和船舶水動(dòng)力學(xué)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)的基于真實(shí)船橋設(shè)備的航海過程半物理仿真系統(tǒng)。

以本單位自主研發(fā)的綜合船橋系統(tǒng)為對象，提出了一套半物理虛擬視景模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的組建方案，本試驗(yàn)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)物理的綜合船橋設(shè)備在虛擬的環(huán)境中聯(lián)動(dòng)，同時(shí)能夠部分代替綜合船橋設(shè)備的實(shí)船測試。經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，能夠縮短綜合船橋系統(tǒng)的開發(fā)周期，減少設(shè)備的開發(fā)成本。

1 系統(tǒng)組成

綜合船橋虛擬視景模擬試驗(yàn)系統(tǒng)主要由三維視景系統(tǒng)、視景模擬試驗(yàn)系統(tǒng)主控制器、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)、導(dǎo)航信息模擬系統(tǒng)、雷達(dá)信號解碼器、綜合船橋系統(tǒng)等組成，如圖1[1]所示。

1.1三維視景系統(tǒng)

三維視景系統(tǒng)主要由三維場景模型庫構(gòu)建、海洋環(huán)境模擬和三維渲染組成，主要用于提供船舶虛擬航行的可視環(huán)境，是人機(jī)交流的橋梁、各種信息流交互和表達(dá)的平臺，主要負(fù)責(zé)視景中的各種設(shè)備和特殊現(xiàn)象的真實(shí)感模擬仿真和管理。

本系統(tǒng)為綜合船橋設(shè)備提供虛擬操作環(huán)境，使得真實(shí)的綜合船橋設(shè)備能夠在虛擬的環(huán)境場中運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)基于船橋系統(tǒng)的船舶運(yùn)動(dòng)半物理仿真。三維視景[2]選擇國內(nèi)典型港口，通過實(shí)地測量和攝影攝像，結(jié)合電子海圖數(shù)據(jù)，利用建模工具建立相關(guān)港口的可顯示具有豐富紋理的天空、水面、白浪、太陽（日出日落）、月亮、下雨、云層、霧、物標(biāo)船、浮標(biāo)浮筒、纜樁纜繩、建筑物、橋梁、山脈、其他岸上景觀、水面反光等內(nèi)容的水域三維模型。

系統(tǒng)輸入：位置（經(jīng)度，緯度）、船舶吃水深度、速度V、運(yùn)行方向（V_x, V_y）、舵角船舶側(cè)滾角、船舶俯仰角、波浪類型、風(fēng)力級數(shù)、風(fēng)向、天氣、時(shí)間等。

系統(tǒng)輸出：視景圖像、反饋力、輸出所受力大小、輸出所受力的方向等。

1.2視景模擬試驗(yàn)系統(tǒng)主控制器

視景模擬試驗(yàn)系統(tǒng)主控制器作為仿真系統(tǒng)的主控單元，是整個(gè)仿真系統(tǒng)的核心，可以用它創(chuàng)建、保存、運(yùn)行、監(jiān)視、存儲、修改和重放各種船舶航行模擬。

1.3網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的配置以及各PC機(jī)運(yùn)行船臺監(jiān)視與遠(yuǎn)程操作等。本系統(tǒng)配置市購成熟網(wǎng)管軟件。

1.4導(dǎo)航信息模擬系統(tǒng)

導(dǎo)航信息模擬系統(tǒng)可模擬生成各類導(dǎo)航傳感器[3]（GPS、羅經(jīng)、計(jì)程儀等）的數(shù)據(jù)信息，通過預(yù)定義接口形式向船舶及時(shí)發(fā)布航行參數(shù)（航向、位置、速度、轉(zhuǎn)彎半徑等）；模擬船舶各種航行狀態(tài)，產(chǎn)生導(dǎo)航傳感器各類狀態(tài)報(bào)警信息。

1.5雷達(dá)信號解碼器

雷達(dá)信號解碼器主要完成從模擬試驗(yàn)系統(tǒng)中接收雷達(dá)回波信號模擬器所傳來的模擬圖像信息、船艏信號、觸發(fā)信號和同步信號，接收ARPA目標(biāo)模擬器所傳來的目標(biāo)船的方位、航向、速度、轉(zhuǎn)向速率等信息，根據(jù)自研綜合船橋系統(tǒng)要求進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，通過自研綜合船橋系統(tǒng)提供的接口電路要求輸入到自研綜合船橋系統(tǒng)雷達(dá)里面，驅(qū)動(dòng)雷達(dá)工作。

1.6綜合船橋系統(tǒng)

本系統(tǒng)綜合船橋系統(tǒng)采用本單位自主研發(fā)綜合船橋系統(tǒng)實(shí)船配套設(shè)備。

2船舶運(yùn)動(dòng)模型

虛擬視景模擬試驗(yàn)系統(tǒng)主控制器作為仿真系統(tǒng)的主控單元，是整個(gè)仿真系統(tǒng)的核心，可以用它創(chuàng)建、保存、運(yùn)行、監(jiān)視、存儲、修改和重放各種船舶航行模擬。試驗(yàn)人員可通過主控制器實(shí)現(xiàn)本船模擬，并實(shí)施船舶運(yùn)動(dòng)控制。

作為主控制器的核心，船舶運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要用來實(shí)現(xiàn)船舶的航向控制和航跡控制功能，并基于組建的船舶運(yùn)動(dòng)模型[4-6]，將其轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的狀態(tài)空間形式，采用傳統(tǒng)的比例-微分-積分控制算法來實(shí)現(xiàn)，控制變量時(shí)舵角和螺旋槳轉(zhuǎn)速，輸出是航向和水平面上的位置。

由于在實(shí)際環(huán)境中的船舶運(yùn)動(dòng)相當(dāng)復(fù)雜，考慮到模擬試驗(yàn)系統(tǒng)主要用于完成真實(shí)綜合船橋系統(tǒng)設(shè)備的聯(lián)合調(diào)試及功能測試，本系統(tǒng)船舶運(yùn)動(dòng)模型僅考慮四自由度的運(yùn)動(dòng)。

假定船舶操縱運(yùn)動(dòng)分析采用三種坐標(biāo)系來描述[7]，如圖2所示。其中，O-X0Y0Z0是固定在地球表面的慣性坐標(biāo)系，其OX0軸指向正北，OY0軸指向正東，OZ0軸指向地心；G-xyz為船體坐標(biāo)系，固定在船體重心處，隨著船體的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，其Ox軸指向船首, Oy軸指向右舷,Oz軸指向船體下方；G-x’y’z’也是固定在船體重心處，但是G-x’y’平面與O-X0Y0平面保持平行，用以描述船體運(yùn)動(dòng)。θ、、ψ分別為縱向、橫向和垂向的姿態(tài)角。

基于分離模型(MMG)的思想分別計(jì)算力和力矩,推導(dǎo)得到船舶四自由度動(dòng)力學(xué)方程為（1）（2）式。

(1)、(2)式中:X、Y、K、與N為船體在相應(yīng)的四自由度方向上的力和力矩；下標(biāo)為P、R、F的變量分別為螺旋槳、舵和鰭的力與力矩；下標(biāo)為wind、wave與current的變量分別為風(fēng)、浪、流的力與力矩;為船舶質(zhì)量；m、m分別為縱向、橫向船舶的附加質(zhì)量；I、I、分別為繞Ox、Oz軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；J、J分別為繞Ox、Oz軸的附加轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；分別為縱向、橫向的速度及繞Ox、Oy軸的角速度，x、y分別為縱向、橫向的坐標(biāo)。在本系統(tǒng)中，只考慮浪力的影響，其它因素如風(fēng)、流等于此類似，對上述四自由度方程進(jìn)行變換，獲得分別以四個(gè)自由度位置坐標(biāo)為因變量的二階微分方程組，如（2）式。

船體各個(gè)方向上的附加質(zhì)量可以用相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算，可以表達(dá)為船體外形尺度的函數(shù)，因此對于某個(gè)固定的船，附加質(zhì)量是常數(shù)。船體所受到的流體力可以用貴島模型來計(jì)算，或者用根據(jù)元良圖譜總結(jié)的周昭明公式來計(jì)算，這些經(jīng)驗(yàn)公式的區(qū)別在于模擬的精度，但都把上式右端的船體力展成船舶四個(gè)自由度上的位置坐標(biāo)的多項(xiàng)式函數(shù)，為了研究高海況下船舶的吸波減搖運(yùn)動(dòng)控制，需要考慮非線性流體動(dòng)力，因此需要把流體動(dòng)力項(xiàng)展開到二階，不失一般性，不影響要研究的問題的本質(zhì)，此次不一一列舉上述流體動(dòng)力項(xiàng)公式。 螺旋槳的推力可以用下述一組公式描述:

而舵引起的水動(dòng)力可以用如下一組公式描述：

其中,F為舵法向力,為舵角,α, x為舵與船體的水動(dòng)力影響系數(shù), x, z為舵的縱向和垂向坐標(biāo),A,V為舵面積和舵處的來流速度,C(λ,α)為舵的法向力系數(shù),其中,λ為舵的展舷比,α為來流攻角,其具體形式由實(shí)驗(yàn)確定。

鰭的水動(dòng)力由以下公式確定：

其中A為鰭的投影面積、C為鰭的升力系數(shù)斜率、α為減搖鰭控制系統(tǒng)作用下的轉(zhuǎn)動(dòng)鰭角、l為鰭中心至船重心的長度、β為鰭的法線與水平面的夾角、l為鰭的升力作用線到重心的距離在OX軸上的投影。

技術(shù)方案:基于Matlab的動(dòng)態(tài)庫文件，嵌入到系統(tǒng)總控程序。

系統(tǒng)輸入：船舶線形參數(shù)，如兩柱間長、寬、吃水、排水量等，舵的形狀參數(shù)，螺旋槳的形狀參數(shù)，外界擾動(dòng)的數(shù)據(jù)，如風(fēng)況、浪級、流的大小和方向等。

系統(tǒng)輸出：船舶四自由度的實(shí)時(shí)位移和速度。

3 設(shè)備安裝與場地設(shè)計(jì)

本虛擬視景模擬試驗(yàn)系統(tǒng)采用高亮度DLP投影儀、柱形屏幕以及數(shù)字幾何校正和邊緣融合軟件，使投影畫面做到無縫拼接和高亮度顯示。安置房間大于12 m×10 m空間，挑高4 m。仿真模擬艙室將綜合船橋系統(tǒng)放置其中，艙室鋪設(shè)防靜電地板，電纜從地板下部走線，其他位置由線槽走線，投影儀懸掛安裝。供電電源位置由實(shí)際搭建情況協(xié)調(diào)。

投影儀的投影面為柱面環(huán)幕投射，屏幕為一個(gè)連貫的圓弧形，最佳觀察點(diǎn)在圓弧的圓心位置，從這個(gè)位置來觀察圖像，將獲得一個(gè)大視角、圖像無變形的完美效果，仿佛身臨其境[8]。該環(huán)幕方式為高端視景仿真系統(tǒng)的首選。該投影方式的優(yōu)點(diǎn)為：1）幕與幕之間的拼接處無痕跡；2）畫面和色彩連貫、幕與幕之間無幾何變形；3）觀眾沉浸感較強(qiáng)。

依據(jù)本系統(tǒng)的使用需求和場地情況，模擬試驗(yàn)室采用5臺高亮度DLP投影機(jī)，顯示5通道180°水平視場角的大屏幕視景系統(tǒng)。

4 結(jié)束語

以本單位自主研發(fā)綜合船橋系統(tǒng)為對象，結(jié)合實(shí)際使用需求，提出了一套半物理虛擬視景模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的組建方案。經(jīng)實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證[9]，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)真實(shí)的綜合船橋設(shè)備在虛擬的仿真試驗(yàn)環(huán)境中聯(lián)動(dòng)，能夠部分替代綜合船橋設(shè)備的實(shí)船測試[10]，達(dá)到了縮短綜合船橋系統(tǒng)的開發(fā)周期，減少設(shè)備開發(fā)成本的目的。

[1] 張安陽．航海模擬器在IBS研發(fā)過程中作用的研究與實(shí)踐[D]．大連：大連海事大學(xué)，2011：4-5.

[2] 陳立家，黃立文．基于CAN總線的綜合船橋模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]．武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版)，2011，35(1):109-112.

[3] 趙玉新，劉利強(qiáng)，李剛.基于虛擬現(xiàn)實(shí)的綜合艦橋仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2006，18(2),650-653.

[4] 任俊生,楊鹽生. 靜水中高速水翼雙體船運(yùn)動(dòng)建模和仿真[J]. 大連海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，28(2)，18-21.

[5] 韓曉光，吳晞，鄭環(huán)宇. 波浪對穿浪雙體船搖蕩運(yùn)動(dòng)的影響[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2012，34(4)，13-16.

[6] 王五桂.穿浪雙體船縱向運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)試驗(yàn)水池樣機(jī)方案設(shè)計(jì)[J]. 船電技術(shù)，2014，34(6)，39-42.

[7] 陳立家，黃村娥，曾偉偉，等. 基于電子海圖的船舶避碰技術(shù)的研究[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版)，2013，37(5):979-981.

[8] 黃金鋒,陶偉,趙罡,李鵬. 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在人機(jī)工程中的應(yīng)用要求標(biāo)準(zhǔn)研究[J]. 中國艦船研究, 2008,(6)：49-53,60.

Design of Integrated Bridge Simulation Experimental System Based on Virtual Visual

Wang Jingqi, Hu Kai

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

U662

A

1003-4862（2016）05-0055-04

2016-01-09

王靜綺（1980-），女，碩士。研究方向：艦船工程。