摘" 要：在研究和設(shè)計(jì)船舶航行姿態(tài)控制系統(tǒng)時(shí)，經(jīng)常應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真，并結(jié)合其他專用物理效應(yīng)設(shè)備對真實(shí)或假想的系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。該文結(jié)合山東省船舶控制工程與智能系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心“船舶運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”項(xiàng)目，主要研究船舶橫搖/艏搖運(yùn)動(dòng)三維實(shí)體虛擬現(xiàn)實(shí)建模技術(shù)。首先介紹船舶橫搖/艏搖控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，然后介紹船舶模型三維建模的實(shí)現(xiàn)過程，最后介紹該視景仿真系統(tǒng)的構(gòu)成、MVC設(shè)計(jì)框圖、UI界面層次結(jié)構(gòu)及邏輯實(shí)現(xiàn)和VR虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)技術(shù)路線等。程序設(shè)計(jì)語言采用C++編寫，完成整體框架和控制通信指令部分。

關(guān)鍵詞：船舶橫搖/艏搖；航行姿態(tài)；數(shù)學(xué)模型；三維建模；視景仿真

中圖分類號：TP391.9" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）13-0027-04

Abstract： In the research and design of ship navigation attitude control system， computer simulation is often used， and other special physical effect equipment is used to test the real or imaginary system. Combined with the project \"ship Motion Control system\" of Shandong Ship Control Engineering and Intelligent system Engineering Technology Research Center， this paper mainly studies the 3D virtual reality modeling technology of ship rolling/yaw motion. Firstly， the mathematical model of ship roll/yaw control system is introduced， and then the realization process of 3D modeling of ship model is introduced. Finally， the composition of the visual simulation system， MVC design block diagram， UI interface hierarchical structure and logic implementation， VR virtual reality system technical route are introduced. The programming language is written by C++ to complete the overall framework and control communication instructions.

Keywords： ship rolling/yaw; navigation attitude; mathematical model; 3D modeling; visual simulation

船舶在航行過程中，主要受到風(fēng)、浪和流等干擾因素的影響，從而產(chǎn)生各種搖蕩運(yùn)動(dòng)，而無論何種船舶都必須進(jìn)行艏搖（航向）和橫搖控制。針對不同船舶模型的參數(shù)及水動(dòng)力系數(shù)，所建立的運(yùn)動(dòng)仿真模型就會(huì)不同，仿真得到的橫蕩位移、艏搖角和橫搖角也不相同。本文主要研究船舶橫搖/艏搖運(yùn)動(dòng)三維實(shí)體虛擬現(xiàn)實(shí)建模技術(shù)。

1" 船舶運(yùn)動(dòng)仿真模型

1.1" 船舶空間運(yùn)動(dòng)平移方程

首先建立船舶運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，有2種坐標(biāo)系統(tǒng)：固定于地球的靜坐標(biāo)系O1x1y1和固定于船舶的動(dòng)坐標(biāo)系Oxy。對于船舶靜坐標(biāo)系，由動(dòng)量定理推導(dǎo)船舶空間運(yùn)動(dòng)的3個(gè)軸向位移方程，船舶空間運(yùn)動(dòng)的平移方程向量形式為

，（1）

式中：H為船體的動(dòng)量，m為船舶的質(zhì)量，U為船舶重心的速度。將H、U向運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系投影就得到運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系下的關(guān)系式。假設(shè)船舶重心在運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)位置向量RG=（xG yG zG）T，其由運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系的原點(diǎn)指向重心。

1.2" 船舶空間運(yùn)動(dòng)繞坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)動(dòng)方程

由動(dòng)量矩定理對船舶空間運(yùn)動(dòng)的3個(gè)繞坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)動(dòng)方程進(jìn)行推導(dǎo)，得到船舶空間運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)方程向量形式為

（2）

式中：J為船舶對原點(diǎn)不在重心的坐標(biāo)系的慣量矩陣。

1.3" 船舶橫搖、艏搖和橫蕩三自由度運(yùn)動(dòng)非線性模型

由于船的重心和質(zhì)量分布受裝載、水艙注水等情況的影響，為了方便研究，假設(shè)有如下理想情況：運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系O-xyz的原點(diǎn)O在船的重心，Ox軸、Oy軸和Oz軸的選取如圖1所示，而且Ox軸、Oy軸和Oz軸是船體的3個(gè)慣性主軸[1]。

對于船舶橫蕩、橫搖和艏搖三自由度而言，船體所受外力（力矩）可表示為

Y=YI+YH+YR+YD，" " " " " " " "（3）

N=NI+NH+NR+ND，" " " " " " " （4）

K=KI+KH+KR+KD，" " " " " " " "（5）

式中：Y代表船體所受的橫蕩外力矩；N代表船體所受的艏搖外力矩；K代表船體所受的橫搖外力矩；I、H、R和D分別代表流體慣性、流體粘性、舵及干擾。

2" 系統(tǒng)仿真模型數(shù)據(jù)分析

本文所用船舶的數(shù)據(jù)：船長L為142 m，船寬B為19.028 m，船舶噸位m為8 438.92 t，吃水d為6.156 m，方形系數(shù)Cb為0.507 3，海水密度？籽為1 025 kg/m3。

3" 船舶實(shí)體建模

通過獲取的船型數(shù)據(jù)、布置圖和實(shí)物照片等原始資料首先利用HD-SHM船體建造系統(tǒng)進(jìn)行型線光順，得到網(wǎng)格加密后的光順的船體外形，后導(dǎo)入Solidworks中放樣船殼。之后分別建出船內(nèi)骨架、主甲板及船舶上層建筑。

3.1" 基于HD-SHM船體型線光順

選取項(xiàng)目為無平行中體的某型艦艇。根據(jù)船舶三視圖修正原始型線，部分重疊的方式整理出前后半艏型線，分別導(dǎo)入HD-SHM系統(tǒng)中。定義船舶水線、縱剖線和空間線等并于球鼻艏位置加密站線。后通過“選擇型線樣條”命令拾取原始型線獲得準(zhǔn)確型值數(shù)據(jù)。型線光順過程中，為方便把控線型光順走向，通過“視圖-視口”將Autocad界面設(shè)為“三個(gè)-左”。后期重點(diǎn)將球鼻艏部位型線加密。型線光順結(jié)束后，生成系統(tǒng)BLINE、FRAME及WLINE輸出文件。通過“HD-SHM實(shí)用命令-立體型線圖”即生成光順后的船體立體型線[2]。

3.2" 船體外殼放樣

通過Solidworks打開立體型線圖的DWG文件，打開方法選擇 “輸入到新零件為3D曲線或模型”，輸入數(shù)據(jù)單位選擇“毫米”，輸入所有圖層。得到光順后的船體三維線框模型，使用建模中“放樣曲面”命令，在“輪廓”窗口中依次點(diǎn)擊相鄰曲線，分批生成外形曲面。船體外殼左右對稱，只需導(dǎo)入左舷部分[3]。由HD-SHM系統(tǒng)光順得到的船體型線數(shù)量充足，經(jīng)放樣生成的船體外形精確度較高。

3.3" 船體結(jié)構(gòu)及設(shè)備建模

船體結(jié)構(gòu)包括船體骨架及上層建筑部分，設(shè)備模型包括雷達(dá)、桅桿、減搖鰭、襟翼舵、螺旋槳和控制油缸。模型根據(jù)船舶實(shí)際尺寸建立。為減少數(shù)據(jù)量，船體內(nèi)部骨架模型詳細(xì)程度滿足要求即可。根據(jù)實(shí)際船舶的涂裝顏色，為增強(qiáng)模型真實(shí)度，外形建立后使用“外觀、布景和貼圖”功能加入相應(yīng)材質(zhì)及紋理圖，可獲得真實(shí)視覺效果。每部分分別建模，后期裝配成整體。如圖2—5所示。

4" 視景仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1" 視景仿真系統(tǒng)構(gòu)成

船舶運(yùn)動(dòng)控制視景仿真系統(tǒng)對于可視化仿真、交互性、實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性等方面都有著較高的要求，該視景仿真系統(tǒng)主要分為顯示呈現(xiàn)和參數(shù)調(diào)整2大部分，包括海洋建模、船舶建模、控制仿真、實(shí)物聯(lián)動(dòng)、運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、立體顯示和波形顯示等功能。系統(tǒng)構(gòu)成圖如圖6所示。

4.2" 視景仿真系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

通過進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和人機(jī)界面交互，可以實(shí)現(xiàn)船體、鰭和舵等不同部位的自由視角漫游或者鎖定觀察等操作，也可以通過直觀地觀察橫搖角、艏搖角、舵角、翼舵角、鰭角和翼鰭角的波形來實(shí)現(xiàn)船舶運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的控制。系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)圖如圖7所示。

4.3" 船舶航行與姿態(tài)控制虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)

VR虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)使用HTC Vive頭戴式設(shè)備作為硬件平臺(tái)，將其與高性能計(jì)算機(jī)相連接，從而在計(jì)算機(jī)上生成可交互的三維環(huán)境，通過VR頭盔完成交互體驗(yàn)[4]。

使用AI、PS等軟件完成2D美術(shù)工作，并通過3ds Max、Maya等軟件搭建完整的3D空間環(huán)境[5]。后將模型導(dǎo)入U(xiǎn)E4引擎中，使用C++編程語言，對于船舶在不同海況下的航行姿態(tài)進(jìn)行模擬。UE4虛幻引擎編輯主界面如圖8所示。

UE4虛幻引擎是實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)功能的核心軟件，用UE4虛幻引擎進(jìn)行船舶運(yùn)動(dòng)的模擬、船體及內(nèi)部結(jié)構(gòu)材質(zhì)的調(diào)節(jié)、海浪特效的渲染、虛擬現(xiàn)實(shí)的搭建和整個(gè)場景的實(shí)時(shí)渲染。UE4在C++編譯開始前，使用工具UnrealHeaderTool，對C++代碼進(jìn)行預(yù)處理，收集類型和成員等信息，并自動(dòng)生成相關(guān)序列化代碼。然后再調(diào)用真正的C++編譯器，將自動(dòng)生成的代碼與原始代碼一并進(jìn)行編譯，生成最終的可執(zhí)行文件，這個(gè)過程類似于Qt的qmake預(yù)處理機(jī)制[6]。

具體的步驟如下：

1）在3ds Max中建立船舶模型和做模型的UV展開。

2）用AI和PS創(chuàng)造并組合最基本的模型貼圖、圖片和文本部件。

3）在UE4虛幻引擎內(nèi)用可視化編程方法調(diào)節(jié)模型的材質(zhì)和環(huán)境光照。

4）在UE4虛幻引擎內(nèi)做出海洋場景模擬。

5）在UE4虛幻引擎內(nèi)用Blueprint系統(tǒng)和關(guān)卡系統(tǒng)構(gòu)建船舶各部件和整體的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。

6）在UE4虛幻引擎內(nèi)根據(jù)邏輯流程圖（圖9）生成虛擬現(xiàn)實(shí)效果。

5" 結(jié)束語

本論文主要研究船舶運(yùn)動(dòng)控制視景仿真技術(shù)。利用Solidworks、3ds Max和HD-SHM建模，使用Adobe公司的AI軟件和PS軟件進(jìn)行二維貼圖的繪制和處理，使用C++編程語言在Unreal Engine 4（UE4）環(huán)境下實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。視景仿真系統(tǒng)可以直觀地顯示出船體、鰭、舵和槳的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，以及船舶橫搖角、艏搖角、舵角、翼舵角、鰭角和翼鰭角等數(shù)據(jù)曲線及統(tǒng)計(jì)值。目的在于配合物理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整個(gè)船舶半物理系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)，可以為船舶運(yùn)動(dòng)控制等相關(guān)專業(yè)研究人員提供實(shí)驗(yàn)環(huán)境，同時(shí)能夠開設(shè)船舶運(yùn)動(dòng)仿真與控制裝置特性分析等仿真和實(shí)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

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