李超 陳哲 潘義川

【摘 要】論文通過對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)分析，再基于Unity下的開發(fā)軟件萬維引擎，針對(duì)游艇虛擬操縱平臺(tái)完成游艇操縱、虛擬儀表和運(yùn)動(dòng)模擬以及駕駛交互設(shè)計(jì)，通過測(cè)試完成游艇駕駛虛擬仿真程序的發(fā)布。

【Abstract】Through the analysis of ship motion ， and then based on the development software of Very Engine under the Unity， the yacht manipulation， virtual instrument and motion simulation and driving interactive design for the yacht virtual manipulation platform are finished.Through the test completed the launch of the yacht driving virtual simulation program.

【關(guān)鍵詞】游艇；虛擬現(xiàn)實(shí)；駕駛模擬；運(yùn)動(dòng)仿真

【Keywords】 yacht； virtual reality； driving simulation； motion simulation

【中圖分類號(hào)】U674.942 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2018）05-0189-03

1 引言

虛擬仿真技術(shù)在早期主要應(yīng)用于船舶駕駛模擬，近些年由于虛擬技術(shù)發(fā)展在游艇的仿真也取得相應(yīng)進(jìn)展，如姜文剛通過對(duì)高速游艇的運(yùn)動(dòng)和姿態(tài)以及舵機(jī)、主機(jī)，進(jìn)行了建模和計(jì)算機(jī)仿真。結(jié)合高速游艇船體等實(shí)物，搭建了半實(shí)物的高速游艇模擬駕駛實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)[1]；半實(shí)物仿真系統(tǒng)由于研發(fā)周期和造價(jià)高昂在滿足日漸加速發(fā)展的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)需求方面明顯不足。多自由度模型是進(jìn)行游艇虛擬設(shè)計(jì)時(shí)較為重要的步驟。目前我國(guó)建立高速滑行艇前進(jìn)、升沉、縱搖三自由度運(yùn)動(dòng)模型并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)與仿真[2]，正橫規(guī)則波四自由度模型[3]等，隨著近幾年虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的快速發(fā)展，適合快速發(fā)展的桌面式和沉浸式環(huán)境下的游艇駕駛操縱仿真系統(tǒng)能夠解決游艇多自由度運(yùn)動(dòng)的問題，在復(fù)雜運(yùn)動(dòng)表達(dá)方面具有快速更改、編程簡(jiǎn)易的優(yōu)勢(shì)。

2 游艇駕駛系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)

Unity與萬維引擎：

Unity是由Unity Technologies開發(fā)的讓用戶根據(jù)自身需求開發(fā)互動(dòng)內(nèi)容的多平臺(tái)的綜合型開發(fā)平臺(tái)，是一個(gè)全面整合的專業(yè)開發(fā)虛擬系統(tǒng)的引擎[4]。

萬維引擎是一款基于Unity環(huán)境開發(fā)的虛擬現(xiàn)實(shí)軟件開發(fā)平臺(tái)，其打破了傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)編程開發(fā)模式，通過使用C#編程語言將抽象的基本操作功能指令轉(zhuǎn)化為具體的功能指令，將功能指令存儲(chǔ)于表格中，進(jìn)行虛擬開發(fā)時(shí)是通過Excel中編輯功能文本指令，軟件運(yùn)行通過表格驅(qū)動(dòng)讀取對(duì)應(yīng)文本功能。

3 游艇駕駛系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

此游艇駕駛仿真系統(tǒng)應(yīng)具有以下基本功能：模擬游艇的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)；模擬游艇在威海小石島附近的三維場(chǎng)景；模擬主機(jī)、舵機(jī)運(yùn)行以及相關(guān)儀器儀表；接近真實(shí)的原比例駕駛操縱臺(tái)，可供用戶借助外部設(shè)備進(jìn)行沉浸式操作；應(yīng)具有操作流程交互提示。

4 游艇運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型

4.1 游艇五自由度運(yùn)動(dòng)方程

按船舶質(zhì)心運(yùn)動(dòng)定理和相對(duì)質(zhì)心運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量矩定理[5]：對(duì)于動(dòng)系，有： = + x M= + x （1）

式中， 是動(dòng)系o-xyz轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度； —船的動(dòng)量； —船相對(duì)于質(zhì)心G運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量矩。

忽略縱搖，寫成投影式，建立游艇五自由度的運(yùn)動(dòng)方程式： M（ +qw-rv）=X M（ +ru-pw）=Y I +qrI =L Iz +qpI =N M（ +pv-qu）=Z （2）

4.2 游艇橫搖垂蕩運(yùn)動(dòng)方程

根據(jù)自由橫搖的固有周期計(jì)算公式[6]，一般游艇橫搖慣性力矩M（ ）為：M（ ）=-（Jxx+ΔJxx） =- φ （3）

游艇橫搖阻尼系數(shù)由試驗(yàn)取得其靜水橫搖阻尼，再使用經(jīng)驗(yàn)公式修正游艇的橫搖阻尼力矩為： M（ ）=-2N =-2μφφ （4）

根據(jù)滑行原理可知[7]。可以得到游艇的橫搖恢復(fù)力矩計(jì)算式：M（φ）=-{（ -Z sinφ）-LHR-[ +Z sinφ]LHR} （5）

對(duì)于橫搖波浪主擾動(dòng)力矩，參照常規(guī)船舶橫搖波浪主擾動(dòng)力矩的計(jì)算方法，得到滑行艇橫搖波浪主擾動(dòng)力矩MW的一般表達(dá)式： MW=ΔhXφα0sinμsinωet （6）

將幾式聯(lián)立得出游艇在規(guī)則波中橫搖運(yùn)動(dòng)方程：

φ+2μφφ +[（ -Z sinφ）LHR-（ +Z sinφ）LHR]=ΔhXφα0sinμsinωet （7）

船舶在水面運(yùn)動(dòng)受到的外界力使船舶在縱向運(yùn)動(dòng)一般表現(xiàn)為垂蕩和縱搖，而縱搖一般靜水域和正常情況下是非常微弱的，因此只討論垂向運(yùn)動(dòng)。

在創(chuàng)建垂蕩運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型時(shí)依舊采用切片理論，在垂向運(yùn)動(dòng)上的力分為三種：恢復(fù)力、阻尼力、慣性力。

由船體運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生在整體上的垂蕩力Fz，將上述各力乘以X（從船長(zhǎng)到船尾）所得力矩：

根據(jù)牛頓第二定律，慣性力和外力平衡，船體的垂蕩運(yùn)動(dòng)方程為：

聯(lián)立公式（8-9）和垂向力得到以下垂蕩運(yùn)動(dòng)方程：

式中：zs為垂蕩時(shí)的船體在z軸的位移；Azz為垂蕩時(shí)的船體附連質(zhì)量；Bzz為垂蕩時(shí)的船體阻尼力系數(shù)；Czz為垂蕩時(shí)的船體恢復(fù)力系數(shù)；Fzc為波浪擾動(dòng)力的余弦分量；Fzs為波浪擾動(dòng)力的正弦分量。

4.3 游艇降速橫傾

游艇回轉(zhuǎn)橫傾參考船舶回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)降速采用慣性環(huán)節(jié)模擬柴油發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速方法得出游艇操縱桿給定轉(zhuǎn)速與n實(shí)際轉(zhuǎn)速y傳遞函數(shù)以此為根據(jù)建立游艇理想條件下給定航速v與實(shí)際航速yv的傳遞函數(shù)降速模型

5 游艇駕駛模擬

5.1 游艇操控設(shè)備

此虛擬系統(tǒng)的游艇操控設(shè)備主要通過車鐘、舵輪、側(cè)推器等組成。

5.2 游艇駕駛虛擬儀表

本虛擬駕駛分系統(tǒng)基于真實(shí)物理模型建立虛擬操控設(shè)備應(yīng)用Unity環(huán)境下的GUI系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

主機(jī)儀表主要是對(duì)虛擬游艇主機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行模擬，主要包括主機(jī)的水溫、油壓、轉(zhuǎn)速、運(yùn)行時(shí)間和報(bào)警五個(gè)方面進(jìn)行模擬。

磁羅經(jīng)主要應(yīng)用于實(shí)時(shí)指示船體的方位，通過獲取船體的方位傳遞給磁羅經(jīng)顯示給操作用戶。獲取船體角度并進(jìn)行計(jì)算得出船體的方位變化在此同時(shí)將方位變化賦值給建立好的磁羅經(jīng)物理模型。

舵角指示器用于在進(jìn)行改變航向時(shí)，反饋舵葉的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。由于將舵葉的實(shí)際角度與舵角指示的顯示角度誤差忽略不計(jì)，通過函數(shù)獲取角度與設(shè)置角度值，具體C#語句為：float indicator.transform.rotate.z=rudder.transform.rotate.z。

5.3 游艇運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)模擬

在虛擬系統(tǒng)中通過外部設(shè)備控制虛擬操控物理模型（外部設(shè)備主要是鼠標(biāo)鍵盤和HTC VIVE虛擬設(shè)備），實(shí)現(xiàn)真實(shí)的駕駛流程與虛擬操縱過程模擬。通過以上外部設(shè)備的觸發(fā)函數(shù)調(diào)用對(duì)應(yīng)的響應(yīng)型數(shù)學(xué)模型完成對(duì)游艇運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型的模擬與表達(dá)。整個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)包含直航運(yùn)動(dòng)模擬、回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模擬、橫搖垂蕩運(yùn)動(dòng)模擬。

6 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)硬件主要是臺(tái)式計(jì)算機(jī)主機(jī)、鼠標(biāo)鍵盤與高清顯示器和HTC Vive進(jìn)入駕駛模式，開啟左右主機(jī)儀表、啟動(dòng)左右主機(jī)，進(jìn)車操舵在無障礙區(qū)域直線航行，分別測(cè)試船體航速在3m/s、6m/s、12m/s時(shí)的橫搖與垂蕩。以下為直航時(shí)相對(duì)某時(shí)段特定幀率下3m/s時(shí)的橫搖與垂蕩實(shí)驗(yàn)仿真數(shù)據(jù)。

最大航速25節(jié)時(shí)，滿舵35度右舷回轉(zhuǎn)操縱時(shí)的回轉(zhuǎn)軌跡仿真曲線。

定常回轉(zhuǎn)直徑：D=176m；相對(duì)回轉(zhuǎn)直徑：D/L=176/22=8m；戰(zhàn)術(shù)直徑：=180m ，戰(zhàn)術(shù)直徑與定常回轉(zhuǎn)直徑的比值為/D=1.02；正橫距：=92m

7 總結(jié)

研究建立了虛擬環(huán)境下的游艇五自由度運(yùn)動(dòng)方程、游艇橫搖與垂蕩、游艇回轉(zhuǎn)橫傾與減速運(yùn)動(dòng)特征，針對(duì)操縱設(shè)備、虛擬儀表、運(yùn)動(dòng)模擬，建立了游艇虛擬操縱平臺(tái)，并通過萬維引擎與Unity實(shí)現(xiàn)整個(gè)駕駛模擬操縱系統(tǒng)的開發(fā)。

【參考文獻(xiàn)】

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