基于萬維引擎的船舶傾斜試驗虛擬仿真系統(tǒng)

宋 磊，高 攀，楊卓懿，周 佳

(山東交通學(xué)院 船舶與港口工程學(xué)院，山東 威海 264209)

0 引 言

虛擬現(xiàn)實技術(shù)廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。在船舶領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實的應(yīng)用日漸成熟。李建偉[1]研發(fā)基于Unity3D的船舶電力推進系統(tǒng)，可實現(xiàn)場景漫游、部件檢查和人機交互等,有助于推進電力系統(tǒng)的操作與培訓(xùn)。李超[2]研發(fā)游艇虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，實現(xiàn)游艇漫游和駕駛操縱體驗。何雋等[3]研發(fā)Unity3D船舶虛擬消防訓(xùn)練系統(tǒng)，可實現(xiàn)船員進行安全有效的船舶滅火訓(xùn)練。虛擬現(xiàn)實在傾斜試驗方向沒得到具體的應(yīng)用，因此在船舶傾斜試驗方面研究開發(fā)一套虛擬仿真系統(tǒng)具有重要意義，可促進船舶試驗數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用，為船舶建造工藝和試驗提供數(shù)字化手段，方便開展試驗安全操作評判和試驗方案預(yù)演評估。針對船舶與海洋工程專業(yè)人才的培養(yǎng)，將在課堂較難呈現(xiàn)的試驗以虛擬仿真的方式實現(xiàn)實時在線交互操作，可系統(tǒng)直觀地理解船舶傾斜試驗的基本原理，促進理論知識與試驗教學(xué)的結(jié)合。該系統(tǒng)以高度逼真的模型和場景還原真實試驗境況，有助于激發(fā)學(xué)員對傾斜試驗的學(xué)習(xí)興趣，可為船舶制造行業(yè)提供新的解決方案和數(shù)據(jù)參考。

1 仿真系統(tǒng)整體設(shè)計

該系統(tǒng)以某64 000 t散貨船的傾斜試驗為例，構(gòu)建包括船體建模、貼圖和渲染、功能實現(xiàn)及數(shù)據(jù)處理等模塊。系統(tǒng)利用3Ds Max建模軟件、Unity3D和萬維引擎平臺等開發(fā)工具。萬維引擎是一款基于Unity的虛擬仿真開發(fā)平臺，該引擎將常用功能指令按模塊化高度封裝，使用Excel編輯器進行相應(yīng)的代碼功能編輯和存儲。該系統(tǒng)采用萬維引擎語言與C#語言相結(jié)合的開發(fā)方式，可大幅提高開發(fā)效率[4]。系統(tǒng)整體設(shè)計流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計流程

2 傾斜試驗數(shù)學(xué)模型

船舶傾斜試驗的目的是確定船舶的質(zhì)量和重心位置，而初穩(wěn)心高hGM是衡量船舶穩(wěn)性的重要指標。因此，求得船舶重心位置的關(guān)鍵是求出初穩(wěn)心高hGM，其數(shù)值可由式(1)確定，即

(1)

式中：zG為船舶重心垂向坐標；zM為船舶穩(wěn)心垂向坐標；zB為浮心垂向坐標；rBM為橫穩(wěn)心半徑，可根據(jù)型線圖或型值表求得。

2.1 船舶傾斜試驗原理

當(dāng)船舶處于正浮狀態(tài)時水線為WL，其排水量為Δ。如果將A處質(zhì)量為p的壓鐵橫向移動至A1，船舶將產(chǎn)生橫傾，此時船舶狀態(tài)處于新水線W1L1，如圖2所示，其中：G為船舶重心；M為橫穩(wěn)心；B為浮心；B1為浮心移動后位置；φ為橫傾角。

圖2 橫向移動壓鐵時的船舶橫傾示例

由船舶載荷移動的計算公式可知：

(2)

將式(2)代入式(1)，得：

(3)

由分析可知：測量的橫傾角φ是求出重心垂向坐標的關(guān)鍵。

2.2 船舶傾斜試驗方法

在進行試驗前，先測量艏部、艉部和腫部的吃水及水的質(zhì)量密度，求出排水量。傾斜試驗所用的移動重物為生鐵塊，將其分為4組堆放于甲板指定位置，每組質(zhì)量分別為p1、p2、p3和p4，確保每組重物的質(zhì)量相等。傾斜試驗移動質(zhì)量布置如圖3所示。

圖3 傾斜試驗移動質(zhì)量布置

3 傾斜試驗仿真系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1 建模與渲染

為使所建船舶模型更真實、效果更逼真，基于3Ds Max采用Extrude Line Tool及Editable Poly的建模方法對實船和碼頭等物體進行1∶1建模[5]。建模流程如圖4所示。

圖4 建模流程

待所有模型建成后需要保存為FBX格式的文件，導(dǎo)入Unity3D進行模型的貼圖和渲染。散貨船模型如圖5所示。

圖5 散貨船模型

3.2 船舶傾斜運動算法

在場景中，當(dāng)移動甲板上的壓鐵后，船舶會根據(jù)其移動情況和各壓鐵當(dāng)前位置發(fā)生不同的橫向傾斜運動，并在一定空間位置來回擺動，這是對各船艙讀取擺錘數(shù)據(jù)的過程。船舶的橫傾運動穩(wěn)定性和精度至關(guān)重要，可直接影響試驗數(shù)據(jù)的準確性。

實現(xiàn)船舶傾斜運動的算法較多，例如：分別對4個鐵塊8種移動情況進行運動算法實現(xiàn)；對船體模型尺寸和位置進行分析，選取公共基準點，建立函數(shù)關(guān)系，實現(xiàn)不同壓鐵移動情況下的橫傾運動。由于涉及壓鐵移動步驟較多，選取使用多個功能函數(shù)實現(xiàn)起來比較繁瑣，并且不便后續(xù)功能調(diào)用和維護處理，不具有通用性，因此選取第2種手段進行實現(xiàn)。船舶橫向傾斜運動算法流程如圖6所示。

圖6 船舶傾斜運動流程

(1)建立船體橫傾運動坐標系

通過對散貨船模型的尺寸和位置分析，考慮船舶整個模型結(jié)構(gòu)，在船舶模型為零點的位置建立一個空的子物體并進行位置的初始化，將整個船舶模型放在該空物體下。選取的位置是幾何零點即模型的中心位置，方便后續(xù)對船舶橫傾運動的控制。

(2)定義參數(shù)變量

考慮在壓鐵移動后船舶產(chǎn)生反復(fù)的橫傾運動，角度實時改變，因此需要定義船舶向左旋轉(zhuǎn)和向右旋轉(zhuǎn)時的區(qū)間變量，該區(qū)間的大小即左右傾斜運動區(qū)間。為使在讀取數(shù)據(jù)時更好地控制船舶旋轉(zhuǎn)速度，經(jīng)過擺動幅度計算和多次速度驗證，最終選取60(°)/s為最佳默認值，過大或過小均會影響擺錘讀數(shù)。需要定義擺錘的運動時間變量，控制左旋轉(zhuǎn)和右旋轉(zhuǎn)的時間，而旋轉(zhuǎn)運動時間長短由初始角度和目標角度之差的絕對值與旋轉(zhuǎn)速度決定。目標角度值是在合理區(qū)間內(nèi)的隨機數(shù)。

(3)運動過程實現(xiàn)

該功能通過C#語言腳本與萬維引擎語言相結(jié)合的編程手段實現(xiàn)。通過C#語言實現(xiàn)主要算法功能，通過萬維引擎語言實現(xiàn)最終的變量參數(shù)賦值和傾斜運動啟停。C#語言功能強大，實現(xiàn)具體功能較為方便簡單；萬維引擎封裝度高，對參數(shù)設(shè)置和功能調(diào)用簡單，兩者結(jié)合可最終實現(xiàn)運動的功能。

3.3 傾斜試驗功能實現(xiàn)

與傳統(tǒng)軟件相比，該系統(tǒng)具有實時與場景內(nèi)物體進行交互、實時觀察船舶運動現(xiàn)象等特點，使復(fù)雜的理論知識通過一系列的動作過程直觀展示出來。傾斜試驗的內(nèi)容仿真通過基礎(chǔ)知識、練習(xí)和考核等手段實現(xiàn)。基礎(chǔ)知識是對試驗內(nèi)容的認知學(xué)習(xí)。練習(xí)是對學(xué)到的知識進行操作學(xué)習(xí)?？己耸菍λ鶎W(xué)內(nèi)容熟練掌握后的測評。用戶可根據(jù)試驗掌握情況反復(fù)操作練習(xí)，通過完整的學(xué)、練、考操作流程相互配合，直至操作者完全掌握所有內(nèi)容為止。

傾斜試驗包括試驗準備、實施和試驗報告等主要內(nèi)容，用戶需要對試驗內(nèi)容進行學(xué)習(xí)和場景的交互練習(xí)，根據(jù)掌握情況對試驗內(nèi)容進行考核。功能模塊流程如圖7所示。

圖7 功能模塊流程

(1)試驗準備。試驗準備任務(wù)包括氣候條件選擇、試驗地點選擇、船舶狀態(tài)、試驗器材和人員準備等，用戶通過點擊交互界面彈出文本提示和試驗器材模型的形式對試驗準備進行詳細認知。

(2)試驗實施。試驗實施步驟為全船性檢查及認可、測量環(huán)境參數(shù)、放松纜繩、初始吃水測量、初始狀態(tài)讀數(shù)和壓鐵移動狀態(tài)等。該過程是試驗的核心部分，壓鐵移動和纜繩放松的操作通過使用鼠標點選指令和Animation動畫相結(jié)合的形式實現(xiàn)。在數(shù)據(jù)讀取擺錘數(shù)據(jù)引導(dǎo)過程中使用動態(tài)特效等手段，增加場景交互的友好性。

(3)試驗報告。試驗報告包括傾斜試驗概況、試驗時船舶吃水、擺錘讀數(shù)記錄表等，可通過萬維引擎中的WebGL截屏方法以PDF的格式上傳至課堂平臺。

4 仿真系統(tǒng)應(yīng)用

船艙擺錘數(shù)據(jù)獲取是系統(tǒng)核心部分，通過仿真系統(tǒng)對1號船艙、3號船艙和5號船艙進行多次擺錘數(shù)據(jù)讀取，將每次移動后的讀數(shù)求取平均值標注到數(shù)據(jù)表格中。為保證測量結(jié)果準確性，需要進行誤差檢查和限值設(shè)定，當(dāng)偏離擬合直線4%時需要對其分析原因并判斷是否需要重新試驗。

4.1 仿真系統(tǒng)擺錘數(shù)據(jù)獲取

測試壓鐵移動順序為P1-P3-P3-P1-P2-P4-P4-P2，每個鐵塊在每次移動后獲取5次擺錘數(shù)據(jù)。以1號船艙壓鐵移動全過程擺錘讀數(shù)數(shù)據(jù)為例進行分析[6-7]，如表1所示，其中：移動順序0為船舶初始狀態(tài)下的擺錘讀數(shù)。

表1 仿真系統(tǒng)1號船艙擺錘讀數(shù) mm

1號船艙擺錘讀數(shù)平均值之差線性回歸擬合直線參數(shù)和數(shù)值分析如表2所示。

表2 仿真系統(tǒng)1號船艙擺錘數(shù)據(jù)分析

1號船艙線性回歸分析如圖8所示。通過1號船艙線性回歸擬合直線可得，絕大部分點均在擬合直線上，試驗數(shù)據(jù)符合要求。對1號船艙擺錘數(shù)據(jù)極限偏差數(shù)值進行計算，篩選可剔除的點。對極限偏差數(shù)值進行分析，在允許的±4%極限偏差范圍內(nèi)，較易找到可剔除的點。為進一步驗證該系統(tǒng)試驗數(shù)據(jù)準確性，需要對實船試驗獲取的試驗數(shù)據(jù)進行分析和對比，最終得出結(jié)論。

圖8 1號船艙線性回歸分析

4.2 實船試驗時的1號船艙擺錘讀數(shù)數(shù)據(jù)

對6 4000 t散貨實船在傾斜試驗時進行試驗數(shù)據(jù)采集，得到1號船艙擺錘讀數(shù)，如表3所示。采用與第4.1節(jié)相同的數(shù)據(jù)分析方法，對實船1號船艙擺錘讀數(shù)進行處理分析，將獲取的擺錘數(shù)據(jù)與實船的擺錘數(shù)據(jù)進行對比分析。對比結(jié)果如表4所示。通過試驗數(shù)據(jù)對比可知：系統(tǒng)擺錘與實船擺錘讀數(shù)平均值偏差在合理范圍內(nèi)，符合系統(tǒng)設(shè)計要求。

表3 實船1號船艙擺錘讀數(shù) mm

表4 系統(tǒng)擺錘數(shù)據(jù)與實船擺錘數(shù)據(jù)對比 mm

5 結(jié) 論

通過對所開發(fā)的虛擬仿真系統(tǒng)進行測試，基于3Ds Max的船體建模與萬維引擎的功能開發(fā)方法有效，該系統(tǒng)可按照設(shè)定的壓鐵移動順序獲取擺錘數(shù)據(jù)，測試所獲取的試驗數(shù)據(jù)與實船試驗數(shù)據(jù)偏差在合理范圍內(nèi)，驗證該系統(tǒng)符合使用要求。這種基于虛擬現(xiàn)實的仿真系統(tǒng)可對船舶建造工藝和大型試驗開展數(shù)字化的方案評估和驗證，同時可輔助學(xué)員操作培訓(xùn)，體驗交互式學(xué)習(xí)方式，增強試驗真實體驗感。當(dāng)前，所開發(fā)的虛擬仿真系統(tǒng)僅針對某散貨船進行船舶傾斜仿真試驗，下一步在系統(tǒng)升級后可考慮實現(xiàn)多種船型的切換試驗，在交互方式上可加入頭盔式虛擬現(xiàn)實功能，實現(xiàn)沉浸式的3D交互模式。