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系統(tǒng)設(shè)計

王靜綺 ，胡 鍇

(中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 430064)

將綜合船橋系統(tǒng)硬件設(shè)備與傳統(tǒng)具有物理真實感的船舶操縱模擬器進行有機結(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)為目標組建虛擬視景模擬試驗系統(tǒng)，實現(xiàn)了綜合船橋系統(tǒng)與虛擬視景模擬試驗系統(tǒng)的互聯(lián)互動互操作，經(jīng)驗證，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)備研制風險。

綜合船橋系統(tǒng) 虛擬視景 模擬試驗系統(tǒng)

0 引言

綜合船橋虛擬視景模擬試驗系統(tǒng)是一種以先進綜合船橋技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合船舶操縱模擬器相關(guān)技術(shù)，將各種船用導航、通信、操縱和控制等設(shè)備進行有機結(jié)合，并運用計算機、現(xiàn)代控制、信息融合處理、虛擬現(xiàn)實和船舶水動力學等技術(shù)實現(xiàn)的基于真實船橋設(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系統(tǒng)的組建方案，本試驗系統(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，同時能夠部分代替綜合船橋設(shè)備的實船測試。經(jīng)實際驗證，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系統(tǒng)主要由三維視景系統(tǒng)、視景模擬試驗系統(tǒng)主控制器、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)、導航信息模擬系統(tǒng)、雷達信號解碼器、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，是人機交流的橋梁、各種信息流交互和表達的平臺，主要負責視景中的各種設(shè)備和特殊現(xiàn)象的真實感模擬仿真和管理。

本系統(tǒng)為綜合船橋設(shè)備提供虛擬操作環(huán)境，使得真實的綜合船橋設(shè)備能夠在虛擬的環(huán)境場中運動，從而實現(xiàn)基于船橋系統(tǒng)的船舶運動半物理仿真。三維視景[2]選擇國內(nèi)典型港口，通過實地測量和攝影攝像，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、物標船、浮標浮筒、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、風力級數(shù)、風向、天氣、時間等。

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視景模擬試驗系統(tǒng)主控制器

視景模擬試驗系統(tǒng)主控制器作為仿真系統(tǒng)的主控單元，是整個仿真系統(tǒng)的核心，可以用它創(chuàng)建、保存、運行、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)負責模擬試驗系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的配置以及各PC機運行船臺監(jiān)視與遠程操作等。本系統(tǒng)配置市購成熟網(wǎng)管軟件。

1.4導航信息模擬系統(tǒng)

導航信息模擬系統(tǒng)可模擬生成各類導航傳感器[3]（GPS、羅經(jīng)、計程儀等）的數(shù)據(jù)信息，通過預定義接口形式向船舶及時發(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)生導航傳感器各類狀態(tài)報警信息。

1.5雷達信號解碼器

雷達信號解碼器主要完成從模擬試驗系統(tǒng)中接收雷達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目標模擬器所傳來的目標船的方位、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)雷達里面，驅(qū)動雷達工作。

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)實船配套設(shè)備。

2船舶運動模型

虛擬視景模擬試驗系統(tǒng)主控制器作為仿真系統(tǒng)的主控單元，是整個仿真系統(tǒng)的核心，可以用它創(chuàng)建、保存、運行、監(jiān)視、存儲、修改和重放各種船舶航行模擬。試驗人員可通過主控制器實現(xiàn)本船模擬，并實施船舶運動控制。

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

由于在實際環(huán)境中的船舶運動相當復雜，考慮到模擬試驗系統(tǒng)主要用于完成真實綜合船橋系統(tǒng)設(shè)備的聯(lián)合調(diào)試及功能測試，本系統(tǒng)船舶運動模型僅考慮四自由度的運動。

假定船舶操縱運動分析采用三種坐標系來描述[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為船體坐標系，固定在船體重心處，隨著船體的運動而運動，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，用以描述船體運動。θ、、ψ分別為縱向、橫向和垂向的姿態(tài)角。

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

(1)、(2)式中:X、Y、K、與N為船體在相應的四自由度方向上的力和力矩；下標為P、R、F的變量分別為螺旋槳、舵和鰭的力與力矩；下標為wind、wave與current的變量分別為風、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)動慣量；J、J分別為繞Ox、Oz軸的附加轉(zhuǎn)動慣量；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。在本系統(tǒng)中，只考慮浪力的影響，其它因素如風、流等于此類似，對上述四自由度方程進行變換，獲得分別以四個自由度位置坐標為因變量的二階微分方程組，如（2）式。

船體各個方向上的附加質(zhì)量可以用相應的經(jīng)驗公式來計算，可以表達為船體外形尺度的函數(shù)，因此對于某個固定的船，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算，或者用根據(jù)元良圖譜總結(jié)的周昭明公式來計算，這些經(jīng)驗公式的區(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自由度上的位置坐標的多項式函數(shù)，為了研究高海況下船舶的吸波減搖運動控制，需要考慮非線性流體動力，因此需要把流體動力項展開到二階，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力項公式。 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為舵與船體的水動力影響系數(shù), x, z為舵的縱向和垂向坐標,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,其具體形式由實驗確定。

鰭的水動力由以下公式確定：

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)，外界擾動的數(shù)據(jù)，如風況、浪級、流的大小和方向等。

系統(tǒng)輸出：船舶四自由度的實時位移和速度。

3 設(shè)備安裝與場地設(shè)計

本虛擬視景模擬試驗系統(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，屏幕為一個連貫的圓弧形，最佳觀察點在圓弧的圓心位置，從這個位置來觀察圖像，將獲得一個大視角、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。

依據(jù)本系統(tǒng)的使用需求和場地情況，模擬試驗室采用5臺高亮度DLP投影機，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)合實際使用需求，提出了一套半物理虛擬視景模擬試驗系統(tǒng)的組建方案。經(jīng)實際試驗驗證[9]，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)真實的綜合船橋設(shè)備在虛擬的仿真試驗環(huán)境中聯(lián)動，能夠部分替代綜合船橋設(shè)備的實船測試[10]，達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踐[D]．大連：大連海事大學，2011：4-5.

[2] 陳立家，黃立文．基于CAN總線的綜合船橋模擬實驗系統(tǒng)的設(shè)計[J]．武漢理工大學學報(交通科學與工程版)，2011，35(1):109-112.

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

[4] 任俊生,楊鹽生. 靜水中高速水翼雙體船運動建模和仿真[J]. 大連海事大學學報，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動的影響[J].艦船科學技術(shù)，2012，34(4)，13-16.

[6] 王五桂.穿浪雙體船縱向運動控制系統(tǒng)試驗水池樣機方案設(shè)計[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]. 武漢理工大學學報(交通科學與工程版)，2013，37(5):979-981.

[8] 黃金鋒,陶偉,趙罡,李鵬. 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在人機工程中的應用要求標準研究[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。