尹紅升，劉金林，曾凡明

(海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

0 引 言

船舶動(dòng)力裝置模擬器是基于實(shí)船動(dòng)力裝置系統(tǒng)，人工建立與之相似的系統(tǒng)，訓(xùn)練人員可以操作、控制、管理模擬器系統(tǒng)，達(dá)到代替實(shí)船設(shè)備進(jìn)行訓(xùn)練的目的。對(duì)于船舶而言，其動(dòng)力裝置系統(tǒng)較結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，實(shí)船訓(xùn)練受投入的人力、物力成本高，影響設(shè)備的壽命等因素的限制，而成本低、訓(xùn)練周期短的動(dòng)力裝置模擬器在對(duì)相關(guān)人員的培訓(xùn)、教學(xué)等方面優(yōu)勢(shì)明顯。船舶模擬器起源于20世紀(jì)60年代，并隨著與之依賴的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展不斷成熟，其實(shí)際應(yīng)用經(jīng)歷單機(jī)仿真、分布式仿真、全系統(tǒng)大任務(wù)仿真幾個(gè)發(fā)展歷程后已經(jīng)趨于成熟。虛擬現(xiàn)實(shí)因其獨(dú)特的交互性、沉浸性和想象性[1]，以視景仿真為主被越來越多應(yīng)用到模擬器中。在船舶模擬器方面，波蘭Unitest公司、挪威Kongsberg和英國(guó)Transas公司都曾先后開發(fā)過基于視景的仿真軟件。在國(guó)內(nèi)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入到船舶模擬器中可以追溯到20世紀(jì)90年代。隨著模擬器以及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用程度的不斷提高，船舶模擬訓(xùn)練過程對(duì)訓(xùn)練過程真實(shí)感及沉浸感要求越來越高[2]。以數(shù)學(xué)模型為主要建模對(duì)象的模擬器系統(tǒng)，難以準(zhǔn)確地描述模型運(yùn)算過程，在實(shí)際訓(xùn)練過程中得到的仿真結(jié)果及船舶運(yùn)動(dòng)的變化也難以直觀、準(zhǔn)確地體現(xiàn)，影響操作人員及時(shí)對(duì)下一步操作及時(shí)進(jìn)行判斷和決策。建立視景仿真與數(shù)學(xué)模型的實(shí)時(shí)交互，可以將仿真中的數(shù)學(xué)參數(shù)轉(zhuǎn)化為圖像顯示，從而使操作人員快速直觀觀察到參數(shù)變化引起的外部環(huán)境的變化，較快地對(duì)產(chǎn)生的變化進(jìn)行相應(yīng)的操作。實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)與動(dòng)力裝置的協(xié)同仿真，需要建立虛擬視景引擎與動(dòng)力裝置數(shù)學(xué)模型接口之間的通道，目前主流的視景仿真引擎主要還是在C++或C#語言平臺(tái)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，使動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型的參數(shù)在視景仿真系統(tǒng)及編程平臺(tái)的接口之間相互傳遞。這其中既要數(shù)學(xué)模型的計(jì)算精度、可靠性，也要考慮到參數(shù)在視景引擎接口間傳遞速度。從船舶領(lǐng)域來講，我國(guó)對(duì)應(yīng)用于模擬器的視景仿真也做過多次研究，文獻(xiàn)[3]對(duì)救助船舶進(jìn)行過基于Virtools軟件的視景仿真，文獻(xiàn)[4]基于Creator和Vega進(jìn)行艦船航行的視景仿真，文獻(xiàn)[5]基于Vega Prime對(duì)水下航行器進(jìn)行視景仿真，文獻(xiàn)[6]對(duì)超大型雙槳雙舵類型船舶進(jìn)行船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型與Vega的協(xié)同仿真，類似相關(guān)文獻(xiàn)還有很多，大多是基于運(yùn)動(dòng)模型、版本較早的Vega模型進(jìn)行視景仿真設(shè)計(jì)，畫面友好程度及模型的實(shí)用性上都有待改進(jìn)。在此基礎(chǔ)上，基于噴水推進(jìn)船舶的動(dòng)力裝置系統(tǒng)，使用Vega Prime進(jìn)行視景仿真。本文首先建立船舶的動(dòng)力裝置仿真模型實(shí)現(xiàn)動(dòng)力裝置性能仿真，基于光柵圖像法及傳統(tǒng)方法中使用的terrain vista和creator建模的方法，對(duì)以上3種地形建模方法進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)大地形快速建模。通過Vega Prime及VC++平臺(tái)進(jìn)行虛擬視景可視化仿真的程序開發(fā)，通過C++平臺(tái)調(diào)用后臺(tái)運(yùn)行的Simulink模型的變化參數(shù)，將參數(shù)變化轉(zhuǎn)化為Vega Prime中的物體屬性變化，最終實(shí)現(xiàn)動(dòng)力裝置性能仿真與船舶航行可視化仿真的實(shí)時(shí)交互。

1 動(dòng)力裝置性能仿真建模

針對(duì)船體為噴水推進(jìn)船舶，其動(dòng)力裝置仿真系統(tǒng)主要包括控制系統(tǒng)、柴油機(jī)、傳動(dòng)系、噴泵以及船體運(yùn)動(dòng)仿真模型。圖1為船舶動(dòng)力裝置仿真模型結(jié)構(gòu)。

圖 1 船舶動(dòng)力裝置系統(tǒng)模型簡(jiǎn)圖Fig. 1 Framework of the power plant system

1.1 柴油機(jī)模型

柴油機(jī)的建模技術(shù)比較成熟，傳統(tǒng)的柴油機(jī)建模方法主要有線性化模型、準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)非線性模型、容積法柴油機(jī)模型和壓力波模型4類[7]。基于模擬器中計(jì)算精度、速度兼顧、能較準(zhǔn)確反映內(nèi)、外部性能參數(shù)變換、參數(shù)能及時(shí)傳遞的要求，采用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行建模，柴油機(jī)模型結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖 2 柴油機(jī)模型結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Structure diagram of the diesel

準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型把動(dòng)態(tài)過程看成一系列穩(wěn)態(tài)過程組成，其基礎(chǔ)是柴油機(jī)各部分的穩(wěn)態(tài)特性、基本的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)方程以及基于試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)公式。柴油機(jī)本體模型要應(yīng)用牛頓第二定律，利用柴油機(jī)輸出扭矩、負(fù)載扭矩和摩擦扭矩之間的平衡，得到柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速等參數(shù)。

1.2 船體運(yùn)動(dòng)模型

根據(jù)船型和航行工況，通過求解運(yùn)動(dòng)微分方程，獲得船舶運(yùn)動(dòng)參數(shù)。運(yùn)動(dòng)模型簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖 3 船舶運(yùn)動(dòng)模型簡(jiǎn)圖Fig. 3 Framework of motion model

對(duì)于回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，建立運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系OXYZ，以船舶的重心為原點(diǎn)，OX軸取船縱向軸指向船首為正，OY軸與縱剖面垂直指向右舷為正，OZ軸垂直于水平面向下為正。運(yùn)動(dòng)方程為：

船舶運(yùn)動(dòng)三自由度操縱方程[8–9]為：

式中：H為船體；P及R為推進(jìn)和操縱系統(tǒng)；λ為附加質(zhì)量；X為作用于船舶的水動(dòng)力合力沿OX方向的分量；Y為作用于船舶的水動(dòng)力合力沿OY方向的分量；N為作用于船舶的水動(dòng)力合力對(duì)OZ軸的力矩。運(yùn)用龍格庫塔數(shù)值計(jì)算方法，可解得操縱運(yùn)動(dòng)參數(shù)u（t），v（t），r（t），則可求出船舶在固定坐標(biāo)系中軌跡和首向角。

對(duì)于船體的直線運(yùn)動(dòng)，其數(shù)學(xué)模型可以由下面的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程表示：

式中：MS為船體總質(zhì)量；MSAD為船體的附連水質(zhì)量；TP為噴水泵提供推力；TS為船舶的阻力。船舶總的運(yùn)動(dòng)，由直線運(yùn)動(dòng)及回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)構(gòu)成。

1.3 噴水推進(jìn)裝置模型

噴水推進(jìn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行依賴于3個(gè)平衡：噴泵吸收扭矩、功率與柴油機(jī)輸出相平衡；噴泵揚(yáng)程與系統(tǒng)所需揚(yáng)程平衡；噴泵產(chǎn)生推力與船體所有阻力之和相平衡。噴泵吸收功率與柴油機(jī)輸出功率平衡方程如下：

式中：γ為水的重度；Q為噴泵流量；H為噴泵揚(yáng)程；Nε為柴油機(jī)發(fā)出功率；Np為噴泵吸收功率。由動(dòng)量定理，噴泵理想推力Tideal為水的動(dòng)量增量：

式中：α為邊界層對(duì)進(jìn)流的影響系數(shù)。噴泵產(chǎn)生總揚(yáng)程與產(chǎn)生射流和克服系統(tǒng)管路損失所需揚(yáng)程以及來流揚(yáng)程的平衡方程式為：

式中：kj為噴口損失系數(shù)；β為進(jìn)口動(dòng)能損失系數(shù)；k1為管道損失系數(shù)。根據(jù)噴泵中水流的連續(xù)性方程可得

其中：ηm為軸系機(jī)械傳動(dòng)效率；ηr為相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率；ηp為噴泵效率。

1.4 動(dòng)力裝置系統(tǒng)仿真模型

對(duì)以上各子系統(tǒng)模型封裝后，最終的動(dòng)力裝置仿真模型可以對(duì)單機(jī)單泵、多機(jī)多泵的直線加、減速，回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及換向運(yùn)動(dòng)等工作方式進(jìn)行性能仿真。圖4為整個(gè)動(dòng)力裝置系統(tǒng)的Simulink模型圖。

圖 4 動(dòng)力裝置仿真Simulink模型Fig. 4 Power plant simulation model based on Simulink

2 船舶及環(huán)境可視化建模

2.1 船體建模

虛擬場(chǎng)景的建立主要是虛擬物體的實(shí)體模型，其中實(shí)體模型可分為地形模型、復(fù)雜實(shí)體模型、地物模型，根據(jù)建模的過程，實(shí)體建模包括幾何建模、運(yùn)動(dòng)建模、物理建模、對(duì)象行為建模及模型分割。船體建模就屬于復(fù)雜實(shí)體建模[10]。

船體建模可以用傳統(tǒng)的CAD、Catia及3DMAX進(jìn)行建模。Multigen-Creator建立船體模型，是基于Open-Flight數(shù)據(jù)格式實(shí)時(shí)渲染時(shí)占用內(nèi)存少、具有多層次細(xì)節(jié)（LOD）及自由度控制節(jié)點(diǎn)方便控制等一系列優(yōu)點(diǎn)，此種方法建立的船體模型能夠較完善的將模型數(shù)據(jù)庫的層次視圖與建模環(huán)境集成在一起，在使用外部引用技術(shù)時(shí)，只需要將指向引用模型的指針粘貼到本場(chǎng)景中以節(jié)省計(jì)算機(jī)內(nèi)存和空間，同時(shí)Creator本身的多種插件和模塊能高效地生成實(shí)時(shí)三維數(shù)據(jù)庫，能夠與視景仿真軟件Vega Prime緊密集合。

對(duì)控制船舶運(yùn)動(dòng)方向的倒車斗設(shè)置自由度（DOF）節(jié)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)該定義部件的鉸鏈型關(guān)節(jié)及運(yùn)動(dòng)范圍，實(shí)現(xiàn)模型的移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，設(shè)置由DOF節(jié)點(diǎn)的倒車斗運(yùn)動(dòng)裝置及部分船體模型如圖5所示。

圖 5 倒車斗及船體模型Fig. 5 Ship and reversing bucket model established on creator

2.2 地形建模

地形建模技術(shù)是實(shí)體建模的一個(gè)重要分支[10]，基于Openflight格式的傳統(tǒng)地形建模方法有光柵灰度法、Terrain及基于高程數(shù)據(jù)的Creator建模。針對(duì)大地形及群島型的地形建模分塊貼圖復(fù)雜的問題，以上方法中都需要面對(duì)的問題是大地行分塊及紋理貼圖分塊處理，采用先建模、處理紋理再將已經(jīng)處理好的地形轉(zhuǎn)化為OpenFlight的方法，有效減少了Creator在分塊處理大地形冗余點(diǎn)線面過多及紋理處理的問題，大大減少了地形建模的時(shí)間。地形模型建立流程圖如圖6所示。

地形建模過程中主要需要解決的問題是預(yù)先采用非Creator建模所建立的模型在Creator中會(huì)產(chǎn)生許多冗余面，導(dǎo)致點(diǎn)線面錯(cuò)誤，解決的方法是采用初始模型二次轉(zhuǎn)化的方式，先將地形進(jìn)行平滑處理，有效減少不規(guī)則面的個(gè)數(shù)，再轉(zhuǎn)化為Openflight格式的地形。圖7為處理后的地形模型。

圖 6 地形模型建立流程圖Fig. 6 Flow chart of terrain model establishment

圖 7 地形優(yōu)化模型Fig. 7 Terrain optimization model

3 協(xié)同仿真建模

3.1 基于多線程MFC的程序設(shè)計(jì)

使用Vega Prime中的Lynx Prime對(duì)虛擬場(chǎng)景進(jìn)行配置，為保證視景仿真運(yùn)行及參數(shù)傳遞的實(shí)時(shí)性，Vega Prime經(jīng)常通過多線程實(shí)現(xiàn)虛擬可視化平臺(tái)的設(shè)計(jì)。VP視景的驅(qū)動(dòng)單獨(dú)占用一個(gè)線程，MFC主界面使用一個(gè)或者多個(gè)線程用來開啟、關(guān)閉和對(duì)VP參數(shù)進(jìn)行控制。

3.2 混合編程

上面已建立船舶動(dòng)力裝置數(shù)學(xué)模型，根據(jù)各個(gè)仿真模塊進(jìn)行封裝。根據(jù)已經(jīng)建立的Simulink模型，可以實(shí)時(shí)的獲得各個(gè)時(shí)刻運(yùn)動(dòng)的位置、速度、舵角等數(shù)據(jù)。利用Visual C++接口功能，通過基于VC++混合編程，實(shí)現(xiàn)Simulink參數(shù)到Vega Prime圖像渲染的實(shí)時(shí)傳遞。

4 協(xié)同仿真運(yùn)行

整個(gè)協(xié)同仿真系統(tǒng)由動(dòng)力裝置仿真模、視景仿真模塊組成，視景仿真模塊又由Vega Prime程序模塊、調(diào)用Matlab引擎程序模塊以及船體運(yùn)動(dòng)策略模塊構(gòu)成，如圖8所示。

圖 8 協(xié)同仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 8 Structure diagram of collaborative simulation system

VP程序及調(diào)用Matlab模塊由VS2005中的C++模塊編寫，完成了虛擬場(chǎng)景的實(shí)時(shí)配置及參數(shù)更改，Simulink輸出參數(shù)的傳遞、獲取、賦值、參數(shù)轉(zhuǎn)換，船體的運(yùn)動(dòng)策略基于船舶運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)基于控制系統(tǒng)下各參數(shù)變化時(shí)船舶的協(xié)同仿真運(yùn)行。整個(gè)仿真程序的流程圖如圖9所示。

圖 9 程序流程圖Fig. 9 Program flow chart

根據(jù)動(dòng)力裝置參數(shù)對(duì)動(dòng)力裝置進(jìn)行操作，改變動(dòng)力裝置的運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)工況下，船舶航行姿態(tài)的展示，最終協(xié)同交互仿真如圖10～圖12所示。

圖 10 船舶第一視角仿真效果圖Fig. 10 The first vision drawing

圖 11 船舶原地回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)仿真效果圖Fig. 11 The inverse motion drawing of ship

圖 12 轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)仿真效果圖Fig. 12 The turningmotion drawing of ship

通過調(diào)用Matlab引擎及Simulink仿真結(jié)果的方式，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力裝置與虛擬實(shí)景的實(shí)時(shí)交互，其結(jié)果能夠很好地反映出船舶的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，但基于這種方法的可視化協(xié)同仿真不能脫離數(shù)學(xué)模型的運(yùn)行環(huán)境。

5 結(jié) 語

本文基于噴水推進(jìn)型船舶的動(dòng)力裝置仿真做了如下工作：

1）建立噴水推進(jìn)動(dòng)力裝置仿真模型，模型仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

2）以光柵圖像法為基礎(chǔ)，綜合當(dāng)前地形建模方法，改善大地形建?？焖傩圆⑦M(jìn)行虛擬視景中地形的建模。

3）基于Vega Prime視景引擎，在C++平臺(tái)進(jìn)行混合編程，建立動(dòng)力裝置模型仿真與視景仿真的血統(tǒng)運(yùn)行。

4）實(shí)現(xiàn)了視景仿真在噴水推進(jìn)動(dòng)力裝置仿真的應(yīng)用，工作原理及對(duì)進(jìn)一步在噴水推進(jìn)動(dòng)力裝置模擬器實(shí)際應(yīng)用有借鑒意義。

[1]BURDEA G C, COIFFET D. Virtual reality technology[R].New Jersey: Wiley–IEEE Press, 2003.

[2]吳家鑄, 黨崗, 劉華鋒, 等. 視景仿真技術(shù)及應(yīng)用[M]. 西安:西安電子科技大學(xué), 2001.

[3]王興昭. 基于救助船舶模擬器的視景仿真研究[D]. 大連: 大連海事大學(xué), 2012.

[4]呂幫俊, 邢繼峰, 黃華斌, 等. 基于Mutigen和Vega的艦船航行視景仿真[J]. 仿真技術(shù), 2006(05): 299–301.

[5]莫?jiǎng)︼w. 基于Vega Prime的水下航行器視景仿真[J]. 電子設(shè)計(jì)工程, 2015, 23(1): 13–15.

[6]郭晨, 焉麗飛, 沈海清. 超大型雙槳雙舵船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型與虛擬仿真[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào), 2015, 27(9): 1976–1982.

[7]孔慶福, 吳家明, 曾凡明. 船舶噴水推進(jìn)系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模及仿真研究[J]. 船舶工程, 2006, 28(2): 12–16.

[8]趙希人, 陳虹麗, 艾曉庸. 船舶運(yùn)動(dòng)縱向受擾力和受擾力矩估算方法研究[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2004, 25(2):167–170.

[9]LV Shu-ping, YANG Xue-jing, ZHAO Xi-ren. The application of modeling and prediction with MRA wavelet network[J].Journal of Marine Science and Application, 2004, 13(1):20–23.

[10]趙經(jīng)國(guó). 虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)導(dǎo)論[M]. 長(zhǎng)沙: 國(guó)防工業(yè)大學(xué)出版社,2004.