基于Unity3D的船舶電力推進系統(tǒng)虛擬仿真設(shè)計

李建偉

應(yīng)用研究

基于Unity3D的船舶電力推進系統(tǒng)虛擬仿真設(shè)計

李建偉1, 2

（1. 青島港灣職業(yè)技術(shù)學院，青島 266404；2. 船舶動力工程技術(shù)交通運輸行業(yè)重點實驗室(武漢理工大學)，武漢 430063）

以某電力推進科考船為母型，在分析電力推進結(jié)構(gòu)和原理的基礎(chǔ)上，提出基于Unity3D的虛擬仿真設(shè)計，并介紹系統(tǒng)設(shè)計過程中的關(guān)鍵技術(shù)。仿真結(jié)果表明：該設(shè)計能實現(xiàn)船舶電力推進系統(tǒng)虛擬場景的漫游控制、部件檢查、人機交互等功能，其生成的可執(zhí)行程序有助于電力推進系統(tǒng)的操作和培訓。

船舶電力推進 虛擬仿真 Unity3D

0 引言

船舶電力推進系統(tǒng)以其機動性好、布局靈活等諸多優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于大型集裝箱船、超大型散貨船、LNG船、客運滾裝船、破冰船、挖泥船等領(lǐng)域。羅成漢利用Profibus現(xiàn)場總線技術(shù)設(shè)計船舶電力推進模擬平臺，對船舶電力推進系統(tǒng)的推進電機的啟動、制動和緊急反轉(zhuǎn)進行仿真，分析了三種工況下推進電機對電網(wǎng)的沖擊[1]；秦俊峰等在空間矢量調(diào)制直接轉(zhuǎn)矩控制算法的基礎(chǔ)上利用MATLAB/Simulink建立船舶電力永磁同步推進電機的仿真模型，分析了電力推進船舶的額定負載起動、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩突變及低速運行性能[2]；宋春楠采用PI模糊控制對船舶電力推進系統(tǒng)中螺旋槳負載進行模擬研究，分析了螺旋槳的三種典型轉(zhuǎn)矩特性，并結(jié)合最小二乘法對螺旋槳特性曲線進行曲線擬合[3]。

隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，船舶電力推進系統(tǒng)的虛擬仿真研究逐漸展開，但尚未成熟。王成睿利用 Java3D 虛擬現(xiàn)實軟件平臺，搭建了吊艙式電力推進器的虛擬場景，實現(xiàn)了推進器的虛擬漫游和操控[4]；欒成利用Visual C++6.0 及Open GL對船舶綜合電力推進系統(tǒng)進行三維建模，實現(xiàn)了船舶電力推進系統(tǒng)各部件的模型展示和初步交互[5]。鑒于此，本文利用Unity3D虛擬現(xiàn)實編輯平臺，對船舶電力推進系統(tǒng)進行虛擬仿真設(shè)計。

1 虛擬仿真的方案設(shè)計

基于Unity3D的船舶電力推進系統(tǒng)虛擬仿真設(shè)計旨在借助Unity3D虛擬現(xiàn)實編輯平臺塑造一種可在液晶屏上演示和操作的虛擬人機交互系統(tǒng)，其演示和操作內(nèi)容涵蓋了船舶電力推進系統(tǒng)的相關(guān)理論知識和實踐技能，系統(tǒng)設(shè)計流程如圖1。

圖1 虛擬仿真構(gòu)建思路

系統(tǒng)設(shè)計首先整理和分析船舶電力推進系統(tǒng)的各組成部分、動作原理和操作流程，并結(jié)合實船調(diào)研資料分析出系統(tǒng)設(shè)計所需的數(shù)學模型，忽略一些次要影響因素，對模型進行必要的簡化，為后期的建模提供便利。

根據(jù)數(shù)學模型的簡化結(jié)果，采用3dsMax創(chuàng)建船舶電力推進系統(tǒng)的三維模型，并對模型進行必要的紋理、渲染、烘焙及動畫設(shè)置處理[6]，將三維模型保存成.FBX后綴文件，以方便Unity3D虛擬現(xiàn)實編輯平臺的識別和導入。

利用Unity3D編輯平臺對導入的三維模型進行編輯、調(diào)整和精細化處理，同時利用第一人稱攝像機和Shader渲染出船舶電力推進系統(tǒng)的虛擬場景[7]，借助Java腳本和C#腳本實現(xiàn)船舶電力推進系統(tǒng)的設(shè)計功能，最后發(fā)布成船舶電力推進系統(tǒng)虛擬仿真平臺。

2 虛擬仿真的關(guān)鍵技術(shù)和實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)數(shù)學模型及簡化

基于Unity3D的船舶電力推進系統(tǒng)虛擬仿真以某先進的輪渡船為參考模型進行建模，其母型船參數(shù)為船長182.6米、船寬26.8米、型深13.35米、設(shè)計吃水7.6米、排水量16729噸，載重7828噸，所建數(shù)學模型涵蓋了電氣、機械及熱力方面的相關(guān)理論知識。

船舶電力系統(tǒng)的數(shù)學模型包括柴油同步發(fā)電機數(shù)學模型、真空斷路器數(shù)學模型、推進變壓器數(shù)學模型、艏側(cè)推電機數(shù)學模型、傳輸線路數(shù)學模型、靜態(tài)負荷數(shù)學模型、動態(tài)負荷數(shù)學模型及吊艙式永磁同步推進電機數(shù)學模型，論文以吊艙式永磁同步推進電機數(shù)學模型為例進行闡述。

永磁同步推進電機電壓等級690 V，額定轉(zhuǎn)速200 r/min，額定功率560 kW，額定電流583 A。在建模時，采用坐標系下的派克-戈列夫模型，并忽略磁場的高次諧波分量、電樞反應(yīng)、勵磁繞組和阻尼繞組的漏感，確保穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)性能[8-9]。

永磁同步推進電機的電壓方程為：

u=dΨ/d- ωΨ+ Ri

u=dΨ/d- ωΨ+ Ri

2q/d+ R2q2q0

2d/d+ R2d2d0

磁鏈方程為：

Ψ=Li+ Li2d+ Li

Ψ= Li+ Li2q

2d2di+ Li+ Li

2q2q2q+ Li

電磁轉(zhuǎn)矩方程：

(Ψi-Ψi)

機械運動方程為：

d=T-T-RΩ

為分析和模型控制需要，進行如下假設(shè)：

①假設(shè)磁路飽和、磁滯和渦流對參數(shù)無影響；

②假設(shè)導體的集膚效應(yīng)可以忽略；

③假設(shè)溫度和頻率對永磁體性能無影響；

④假設(shè)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對直軸和交軸完全對稱；

⑤假設(shè)轉(zhuǎn)子阻尼繞組課等效為直軸和交軸兩個獨立繞組[10]。

根據(jù)上述假設(shè)，模型簡化為：

u=dΨ/d- ωΨ+ Ri

u=dΨ/d- ωΨ+ Ri

Ψ=Li+ Li

Ψ= Li

(Ψi-Ψi)=[Lii+(L-L)ii]

以上所述式子中，表示電壓；表示電流；表示磁鏈；為定子直軸分量；為定子交軸分量；2為轉(zhuǎn)子直軸分量；2為轉(zhuǎn)子交軸分量；為電感。

2.2 三維建模及優(yōu)化

基于Unity3D的船舶電力推進系統(tǒng)虛擬仿真的三維建模，是在各機械數(shù)學模型和電氣數(shù)學模型的基礎(chǔ)上，忽略次要影響因素所創(chuàng)建的簡化模型，進而為系統(tǒng)的三維建模提供數(shù)據(jù)支撐[6]。

為保證所構(gòu)建虛擬場景的逼真度，選擇合適的建模方法稱為關(guān)鍵。根據(jù)本系統(tǒng)的實際建模需要，采用了3ds Max建模軟件提供線框建模、多邊形建模和NURBS建模等建模方法。

對于配電系統(tǒng)的電壓表、電流表等的表盤可采用線框建模，以方便精準把握表盤尺寸的大小，凹凸程度以及指針的坐標，使模型精確細化，并能有效減少冗余的三角面，方便后期的場景運行；對于形狀規(guī)則的配電板、轉(zhuǎn)換開關(guān)、地氣燈和操作按鈕等則采用多邊形建模，利用3ds Max提供的“編輯多邊形”修改器能方便快捷的創(chuàng)建三維模型；對于真空斷路器、艏側(cè)推器和吊艙式電力推進器則采用非均勻有理數(shù)B-樣條線的NURBS建模方法，圖2為船舶電力推進系統(tǒng)配電裝置，圖3為吊艙式電力推進器。

圖2 船舶電力推進系統(tǒng)配電裝置

為了保證所設(shè)計的虛擬系統(tǒng)運行的流暢性和逼真度，同時兼顧運行時少占用內(nèi)存，必須對三維模型進行必要的優(yōu)化。模型優(yōu)化的目的是有效減少三角面的數(shù)量，常采用MultiRes優(yōu)化法[11]。其方法如下：首先將待優(yōu)化模型轉(zhuǎn)化為可編輯多邊形，然后利用MultiRes命令進行優(yōu)化，在優(yōu)化過程中要合理把握模型大小和模型準確性之間的最優(yōu)解，并設(shè)置分辨率中的點百分比，可有效減少模型的頂點數(shù)和三角面數(shù)，達到優(yōu)化的效果。

圖3 吊艙式電力推進器

2.3 漫游功能及碰撞檢測

船舶電力推進系統(tǒng)虛擬仿真設(shè)計的漫游功能可對各部件進行動態(tài)展示，宛如在實際場景中漫步，方便對各部件的細節(jié)進行檢查并對關(guān)鍵部位進行微調(diào)，漫游功能的實現(xiàn)主要采用“第一人稱相機”配合腳本來實現(xiàn)，最終的人機交互可通過鼠標和鍵盤來控制，也才采用預(yù)制的漫游路徑來展示。

在漫游控制過程中，為了達到沉浸式的漫游效果，增強參與感，同時避免“第一人稱相機”與各部件及周圍環(huán)境的干涉情況出現(xiàn)，必須進行碰撞檢測的設(shè)置。論文采用“基于固定時間片長度的碰撞檢測算法”，即將虛擬場景中的物體運動過程按時間劃分為很多等長的時間片，在每一個時間片結(jié)束時對物體進行碰撞檢測。其關(guān)鍵在于選擇合適的時間片長度，既可避免出現(xiàn)漏報現(xiàn)象，又能有效降低計算機內(nèi)存占用[6]。

采用該算法中邏輯的空間包圍盒將虛擬物體包裹起來，并將該包圍盒視作剛體，這樣在漫游時就能快速實現(xiàn)碰撞檢測，有效避免物體間的重疊現(xiàn)象。

2.4 真空斷路器的檢修流程

真空斷路器是船舶電力推進系統(tǒng)的重要部件，為提高真空斷路器的可靠性，操作人員根據(jù)實際狀況定期對真空斷路器進行檢修，主要包括檢測真空滅弧室的真空度、調(diào)整真空斷路器的超行程、整定真空斷路器同期性、調(diào)整真空斷路器的分合閘速度和檢修操作機構(gòu)[12](運動部件的磨損、緊固件是否松動、清除絕緣表面灰塵和加注潤滑脂)。

在實船上，通常將真空斷路器裝入高壓開關(guān)柜中，并安裝起隔離電路作用的隔離開關(guān)、起安全保障作用的接地開關(guān)和起過電壓保護作用的RC吸收器等[13]。為了確保操作者的安全，RC吸收器必須充分放電，檢修操作必須嚴格按照既定的操作規(guī)程進行，其流程如下：

2.5 交互功能及打包發(fā)布

船舶電力推進系統(tǒng)所涉及的交互功能主要由腳本來實現(xiàn)，Unity3D提供了Boo腳本語言、Java腳本語言和C#腳本語言[14]，其中Boo腳本語言在Unity3D編程中很少使用，Java腳本語言屬于弱類型，后期的維護和調(diào)試比較繁瑣，可用于實現(xiàn)簡單的交互，諸如“轉(zhuǎn)換開關(guān)”的選擇切換、“指示燈”的顏色改變、“操作部件”的平移、“高壓開關(guān)柜”的打開及關(guān)閉等。

圖4 真空斷路器檢修流程圖

C#腳本語言使用比較廣泛，可用于實現(xiàn)復雜的邏輯關(guān)系，同時用戶可根據(jù)習慣編寫自定義腳本，并能輕易建立腳本之間的連接和調(diào)用，整合各類Event事件，實現(xiàn)復雜邏輯的實時仿真。

為了更好展示船舶電力推進系統(tǒng)的虛擬仿真程序，需要對所編輯的虛擬場景進行打包和發(fā)布。在打包時，需要設(shè)置Rendering參數(shù)、Identification參數(shù)、Configuration參數(shù)及Optimization參數(shù)，并配合Build按鈕進行打包[16]。

Unity3D平臺可將編輯好的虛擬仿真場景發(fā)布成macOS或Windows系統(tǒng)程序。對于macOS系統(tǒng)，發(fā)布成app bundle，囊括了所有的資源，且可以直接執(zhí)行；對于Windows系統(tǒng)則發(fā)布成.exe后綴名的可執(zhí)行文件，同時生成XXX_Data文件，方便瀏覽和查閱。

3 結(jié)束語

基于Unity3D虛擬仿真平臺設(shè)計并開發(fā)了船舶電力推進系統(tǒng)，模擬了船舶電力推進系統(tǒng)的發(fā)電操作、并車操作、配電操作、真空斷路器的檢修、艏側(cè)推器的啟動及吊艙式電力推進器的工作過程，并增加了First Person Conttroller，提升了用戶的體驗效果，實現(xiàn)了系統(tǒng)的人機交互。

該仿真系統(tǒng)具良好的交互功能和逼真的沉浸感，操作者可以在虛擬環(huán)境中體驗船舶電力推進系統(tǒng)的各種操作，滿足船舶電力推進系統(tǒng)操作人員培訓的基本要求，具有對于理順船舶電力系統(tǒng)的操作流程和人員培訓具有較高的參考價值。

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Virtual Simulation Design of Marine Electric Propulsion System Based on Unity3D

Li Jianwei1, 2

(1. Department of Marine Engineering, Qingdao Harbor Vocational And Technical College, Qingdao 266404, Fujian, China；2. the Key Laboratory of MarinePower Engineering &Technology(Wuhan University of Technology), Ministry of Transport, Wuhan 430063, China)

U665.1

A

1003-4862(2021)02-0007-04

2020-09-10

船舶動力工程技術(shù)交通運輸行業(yè)重點實驗室(武漢理工大學)開放課題基金資助項目（No.KLMPET2018-07)；山東省高等學?？萍加媱濏椖?J18KB034)

李建偉(1981-)，男，副教授。研究方向：虛擬仿真。E-mail: joyleejianwei@163.com