面向模擬訓練的動力裝置協(xié)同仿真研究

陳艷鋒

(海軍駐廣州廣船公司軍事代表室，廣東廣州 510000)

船舶模擬訓練是基于實船裝置，人為構建與之相仿的環(huán)境，訓練人員通過在此環(huán)境中對系統(tǒng)、設備等進行操作，實現(xiàn)相關科目的訓練。對于船舶而言，其系統(tǒng)結構較復雜，實船訓練成本高，動力裝置模擬訓練成本相對低、訓練針對性強、訓練周期短，在對船員培訓、教學等方面具有優(yōu)勢［1］。協(xié)同仿真技術指對復雜系統(tǒng)中的子系統(tǒng)進行各自領域專業(yè)建模，在統(tǒng)一規(guī)則環(huán)境下實現(xiàn)耦合參數(shù)協(xié)同交互，實現(xiàn)子系統(tǒng)模型協(xié)同運行，總系統(tǒng)交互仿真的狀態(tài)?；谝蕴W(wǎng)通訊進行模擬訓練系統(tǒng)搭建具有通訊速度快、實時性高、交互參數(shù)多的優(yōu)勢，利于多參數(shù)耦合、多參數(shù)協(xié)同。以數(shù)學模型為基礎的模擬訓練系統(tǒng)，難以直觀體現(xiàn)模型仿真進程，實際訓練過程缺乏沉浸體驗，因此引入虛擬現(xiàn)實仿真并與動態(tài)仿真模型的協(xié)同交互，可以增強參訓人員直觀體驗，較快的應對科目操作，從而提高訓練效果，如圖1所示。

圖1 基于網(wǎng)絡通信的模擬訓練協(xié)同仿真體系圖

1 協(xié)同仿真參數(shù)耦合分析

船舶動力裝置模擬訓練仿真進程內容包括:穩(wěn)態(tài)性能仿真、加速性能仿真、減速性能仿真、操縱性仿真。該動力裝置仿真模型輸入是車令Lever，輸出是性能仿真各輸出參數(shù)及視景仿真輸出，控制系統(tǒng)的仿真參數(shù)如表1所示。

1.1 穩(wěn)態(tài)性能參數(shù)耦合

動態(tài)性能仿真是以穩(wěn)態(tài)性能仿真為基礎，因此要先對穩(wěn)態(tài)性能進行仿真。穩(wěn)態(tài)性能仿真以表1中輸入?yún)?shù)中的一項為變量，其它參數(shù)保持與實際船舶初始狀態(tài)一致，穩(wěn)態(tài)特性參數(shù)耦合如圖2所示。

表1 控制系統(tǒng)參數(shù)

圖2 穩(wěn)態(tài)特性參數(shù)耦合

1.2 動態(tài)性能參數(shù)耦合

動力裝置性能仿真中穩(wěn)態(tài)性能是在穩(wěn)態(tài)特性仿真的基礎上進行的，目的是分析船舶在航行時，其推進系統(tǒng)采取不同的控制規(guī)律時該船舶機動性響應，進而改善控制規(guī)律，保證推進系統(tǒng)在各種機動工況下配合合理性、運行可靠性，合理地平衡噴水推進系統(tǒng)的可靠性和該船舶機動性之間的矛盾。在動態(tài)性能仿真中，首先選定一組基準控制參數(shù)，并結合噴水推進系統(tǒng)的具體參數(shù)范圍，固定這組參數(shù)并選取其中的一個主要的控制參數(shù)在一定范圍內變化來觀察動態(tài)響應情況，逐一確定每個控制參數(shù)的動態(tài)響應，從而確定船舶的動態(tài)特性。根據(jù)模擬器的訓練需求，船舶的動態(tài)特性仿真包括以下4種。

1)不同推進方式船舶加速/減速性能仿真。

2)全速正車前進至全速后退過程中以柴油機減速速率、放倒航斗轉速為變量對船換向過程機動性能進行仿真。

3)全速后退至全速正車前進過程中以柴油機反向加速速率、倒航斗位置為變量對船舶換向過程的機動性能進行仿真。

4)不同級海況下，不同推進方式，對船舶回轉運動時的操縱性能進行仿真。

對性能仿真模型與系統(tǒng)仿真的協(xié)同參數(shù)進行分析，經(jīng)過歸納其協(xié)同參數(shù)耦合如圖3所示。海況、排水量、船舶初始坐標、噴泵偏轉速率及初始偏角是預設值在仿真前設定，整個協(xié)同的過程輸入量就是對控制系統(tǒng)的輸入;推進方式選擇由動力裝置系統(tǒng)模型中的一個開關量來控制［1］;傳統(tǒng)在虛擬視景坐標系的位置由三自由度運動模型輸出軌跡參數(shù)經(jīng)坐標轉化后進行控制;船舶姿態(tài)一方面由艏向角控制，一方面由海浪和平滑因子(包括俯仰因子和橫搖因子)控制;推進器的DOF節(jié)點已經(jīng)在建模過程中進行設置，這里需要初始偏轉角、偏轉速率及噴泵偏角δ協(xié)同進行控制;協(xié)同仿真輸出是過程中各項參數(shù)的仿真曲線和視景仿真輸出［3］。

圖3 動態(tài)特性協(xié)同參數(shù)耦合圖

1.3 協(xié)同仿真機制

協(xié)同仿真時性能仿真模型在后臺運行，使用面向對象的程序設計編寫調用動力裝置動態(tài)性能仿真模型輸出三自由度模型參數(shù)，通過程序設計調用仿真模型輸出參數(shù)數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫中的數(shù)值就是性能仿真用作協(xié)同參數(shù)的數(shù)值。

用于船舶在視景中位置定位方法有2種，第一種是調用三自由度模型輸出參數(shù)中船舶在固定坐標系中的位置［4］X0(t) 和 Y0(t)，建立 X0(t) 和Y0(t)和視景中船體模型的位置屬性X、Y的對應關系，完成位置的實時預測，由于此場景中應用的坐標系是地心坐標系WGS84，而實際船舶的航行是在笛卡兒坐標系下的，因此需在視景仿真模型中進行坐標轉化，并在代碼編寫過程中對虛擬視景中單位距離比例與實際距離比例進行調節(jié)、設定。對于姿態(tài)參數(shù)，同樣根據(jù)前一步長調用的數(shù)據(jù)，預測艏向角變化量并據(jù)此改變船舶的姿態(tài)屬性，其過程如圖4所示，其中Position為位置屬性，Heading為姿態(tài)屬性［5］。

圖4 船舶模型坐標驅動過程圖

海況及排水量等其它耦合參數(shù)由性能仿真模型控制，以海況為例，協(xié)同運行時，通過判定海況輸入量從而對虛擬視景模型海況參數(shù)進行設置，設置機制如圖5所示。

圖5 協(xié)同仿真中海況設定策略

對控制船舶運動方向的推進器設置自由度(DOF)節(jié)點，可以實現(xiàn)該定義部件的鉸鏈型關節(jié)及運動范圍，實現(xiàn)推進器模型的移動和旋轉。

2 協(xié)同運行實現(xiàn)

通過動力裝置性能模型仿真運行，利用程序語言接口功能可以實時獲得三自由度運動模型［3］各個時刻輸出的船舶位置坐標、速度、艏向角數(shù)據(jù)?；诔绦蛘Z言進行混合編程可以實現(xiàn)參數(shù)的讀取、轉化，驅動視景中船舶模型的運動。

實現(xiàn)方法為:編寫調用Matlab引擎的C++程序語言，在語言設計程序中實現(xiàn)對性能仿真模型輸出量的調用，Matlab有可供C和Fortan調用的引擎接口，視景仿真引擎運行時，單獨占用一個線程對動態(tài)性能仿真輸出的參數(shù)矩陣進行讀取，并轉化為語言程序中的數(shù)據(jù)格式從而解決語言程序和Matlab的混合編程問題，實現(xiàn)性能仿真模型、操縱模型、虛擬現(xiàn)實模型的協(xié)同仿真實現(xiàn)。

協(xié)同調用過程首先要啟動Matlab引擎，然后啟動視景模型線程，最后開始性能仿真過程，將協(xié)同參數(shù)傳遞給程序設計平臺的運行代碼，實現(xiàn)協(xié)同運行，如圖6所示。

性能仿真引擎中有可供參數(shù)輸出的模塊數(shù)據(jù)庫，將仿真實時參數(shù)存儲到數(shù)據(jù)庫文件夾，可供協(xié)同仿真調用。調用數(shù)據(jù)庫文件中參數(shù)矩陣中數(shù)據(jù)的關鍵代碼如下。

Engine* ep;

ep=engOpen(NULL);//啟動引擎

engSetVisible(ep，false);

engEvalString(ep，"cd D:\dev");//數(shù)據(jù)庫位置索引

engEvalString(ep，"sim(＇acceration.mdl＇，10)");//數(shù)據(jù)位置選取

mxArray*A=engGetVariable(ep，"y");

double* ayy=mxGetPr(A);//定義數(shù)據(jù)結構

double test=ayy ［］;//數(shù)據(jù)調用

此外，通過線程鎖對視景運行線程以及數(shù)據(jù)調用線程進行線程同步處理，保證了調用參數(shù)與視景幀循環(huán)的線程同步。

圖6 耦合參數(shù)協(xié)同過程

3 協(xié)同運行結果分析

3.1 動力裝置性能仿真分析

通過耦合參數(shù)分析、協(xié)同建模、協(xié)同仿真實現(xiàn)，建立用于測試的協(xié)同仿真運行軟件界面［6］，如圖7。

圖7 協(xié)同仿真軟件界面

以雙機雙推進器為例，以船舶柴油機加速率為變量，對船舶直航時加速性能及減速性能進行協(xié)同仿真。仿真包括3個過程:①在前進一車令下加速，船舶從靜止狀態(tài)加速至最大穩(wěn)定航速;再在后退一車令下減速至船舶航速為0;②在前進三車令下加速，船舶從靜止狀態(tài)加速至最大穩(wěn)定航速;再在后退二車令下減速至船舶航速為0;③在前進四車令下加速，船舶從靜止狀態(tài)加速至最大穩(wěn)定航速;再在后退三車令下減速至船舶航速為0。

3個過程通過一次協(xié)同仿真完成，協(xié)同運行過程圖如圖8。

圖8 直航加速、減速性能仿真結果

協(xié)同仿真軟件繪圖模塊繪制了船舶在視景坐標系的運行軌跡，為了便于分析，在代碼編寫過程中根據(jù)之前的坐標對應關系對視景引擎中坐標進行比例縮放使其橫坐標和縱坐標對應實際坐標。

船舶初始艏向角為0(坐標系轉化后船舶朝視景中坐標系的X方向)，從原點到1過程，前進一車令的柴油機加速速率使船舶加速并在1點處達到雙機雙泵推進方式、標準排水量、正常海況下的最大穩(wěn)定航速15 kn，之后船舶以穩(wěn)定航速行至2點，自2到3點以后退一車令的柴油機降速速率使船舶減速至靜止狀態(tài)，至此在直航狀態(tài)下完成協(xié)同仿真過程1);3點到6點之間完成仿真過程2)，6點到9點完成仿真過程3)。

虛擬視景中的船舶航行距離按照比例換算后與性能仿真中輸出的加速到最大穩(wěn)定轉速和減速時滑行距離在數(shù)值上接近，因此可以認為視景中船舶的運動基本符合實際狀況;加速過程中，船舶模型航行距離小于性能仿真中得出的距離參數(shù)，而減速過程則相反，這是由于調用參數(shù)的延遲性和基于引擎調用的協(xié)同仿真效率不高，但總的來說其誤差在可以接受的范圍之內。

3.2 船舶操縱性仿真分析

以船在三級海況下、雙機推進器推進方式、正常排水量轉彎工況下船舶操縱性的協(xié)同仿真運動參數(shù)驗證，曲線繪制過程與直航狀態(tài)時相同，柴油機轉速加速到額定轉速時，將推進器角度偏轉30°，其仿真運行及仿真輸出曲線如圖9所示。

圖9 協(xié)同仿真輸出的回轉特性曲線

將操縱性協(xié)同仿真界面輸出的轉彎特性曲線進行對比，發(fā)現(xiàn)由于協(xié)同的實時性受交互方式影響，同一時刻視景中船舶的運動速度略延遲于性能仿真中船舶的運動速度，因此視景仿真輸出曲線中船舶轉彎半徑略大于性能仿真中的半徑，調用過程實時性上滿足模擬訓練的要求，與性能仿真誤差在可接受范圍之內，可認為仿真結果在置信度范圍內。以上取2個具有代表性的特例驗證了基于航速和艏向角的參數(shù)調用實現(xiàn)的協(xié)同仿真，其運行結果中的運動參數(shù)及操縱性指標與性能仿真近似相等，從而驗證了操縱性仿真的準確性。