船舶操纵模拟器视景仿真系统构架设计
360_环形柱幕立体视景系统航海模拟器
第29卷第2期2008年6月上 海 海 事 大 学 学 报Journal of ShanghaiMariti m e UniversityVol .29 No .2Jun .2008・航海技术与船舶安全・文章编号:1672-9498(2008)022*******360°环形柱幕立体视景系统航海模拟器王胜正,施朝健,石永辉,陈锦标(上海海事大学商船学院,上海 200135)摘 要:为更好地满足船员训练、港航设计和航海研究的要求,研制360°环形柱幕立体投影系统全功能航海模拟器.该模拟器采用先进的视景显示与立体投影技术,视景系统采用基于SGI 的集群结构,集群系统由12台高性能图形工作站组成,利用I nfini B and 超高速(10G B /S )串行网络技术实现集群互联;360°环形柱幕立体投影系统采用巴可(Barco )的高端投影仪Galaxy 12HB +,并且使用世界领先的I N F I TEC (I N terferenz F Ilter TEchnik ))技术;另外投影系统中使用电子融合与光学融合的混合模式,保证整个系统的颜色一致性.结果表明,利用PC 集群和360°全景立体投影系统实现的航海模拟器具有独特的性能与效果.关键词:航海模拟器;虚拟现实;360°柱幕显示系统;立体显示;光谱分离技术;集群系统中图分类号:U666.158;T N873;TP391.9 文献标志码:A收稿日期:2007212210 修回日期:2008201214基金项目:上海市重点学科建设项目(T0603);上海市教育委员会基金项目(05FZ12)作者简介:王胜正(1976—),男,湖南双峰人,讲师,博士研究生,研究方向为航海模拟器和三维视景仿真,(E 2mail )sz wang@mmc .shm tu .edu .cn;施朝健(1957—),男,福建屏南人,教授,博导,研究方向为交通信息工程及控制,(E 2mail )cjshi@shm tu .edu .cnNavi gati on si m ul ator with 360°cyli n dri calstereo visual syste mWANG Shengzheng,SH I Chaojian,SH I Yonghui,CHEN J inbiao(M erchantMarine College,ShanghaiM ariti m e Univ .,Shanghai 200135,China )Abstract:To meet the ne w require ments of seafarer training,harbor and water way design and mariti m e research,a full m issi on navigati on si m ulat or with 360°cylindrical visual syste m based on stereo panora m 2ic techniques is devel oped .The advanced i m age generat ors and stereoscop ic p r ojecti on techniques are app lied .The i m age generat ors are constructed by the cluster of SGI workstati ons .The clusters thatinclude 12high perf or mance workstati ons are interconnected using a super 2s peed serial co mmunicati on technique —I nfini B and (10G B /S ).The cylindrical p r ojecti on syste m is constructed by 12Galaxy 12HB +p r oject ors fr om Barco .And the active I N F I TEC (I N terferenz F Ilter TEchnik )technol ogy is app lied t o separate the vie w of eyes t o generate the 3D stereo i m ages .Further more,the dis p lay syste m combines electrical and op tical blending techniques that ensures the consistency of col or in the whole syste m.The results shows that the navigati on si m ulat or based on PC cluster and 360°panora m ic stereoscop ic p r ojec 2ti on achieves the perfect perf or mance and effect .Key words:navigati on si m ulat or;virtual reality;360°cylindrical dis p lay syste m;stereo technol ogy;I N terferenz F Ilter TEchnik;cluster syste m0 引 言 经过十几年的发展,大型船舶操纵模拟器(以下称模拟器)训练在全球各航海院校已基本普及,给广大船员营造良好的训练环境,并为港航安全论证提供优秀的模拟试验平台.随着计算机技术的不断发展,模拟器技术在国内外也不断更新.挪威NORCONT ROL和英国船商等在模拟器研究上发展迅速,在世界航海模拟器领域处于领先地位;我国相对比较落后,直到1997年,才对模拟器的硬件配置、系统设计与功能模块进行全面探讨[1],1998年给出完整的模拟器设计方案[2]并加以实施,通过交通部鉴定.我国很多学者和专家对航海模拟器发展过程中的关键技术都作出非常重要的贡献[326];为规范模拟器的发展,根据国际公约、国内法规与用户需求,针对国内外模拟器发展现状,提出模拟器技术性能标准[7];并根据模拟器技术性能标准与用户需求,研究与探讨新一代模拟器发展过程的关键技术[8].为建设立体显示的新一代模拟器,2006年上海海事大学开始以综合船桥驾驶台为原型,结合先进的图形技术与立体投影技术,研究与建设基于360°环形柱幕立体投影系统的航海模拟器,2007年10月投入使用.该系统的视景仿真技术与立体投影系统均达到国际先进水平.视景仿真采用SGI集群结构,集群系统由12台高性能图形工作站组成,通过串行网络技术———I nfini B and实现网络互联,该网络保证12通道分布式系统的微秒级同步,并能满足大数据量传输.投影系统采用12台Barco Galaxy12HB+立体投影仪,在立体显示、多通道拼缝融合、动态颜色调整、非线性几何校正等方面都采用世界先进技术:如I N F I TEC(I N terferenz F Ilter TEchnik)技术,克服传统主动立体与被动立体的缺点;多通道拼缝融合采用电子融合与光学融合相结合的复合技术,实现真正的无缝拼接;采用色温仪测量颜色误差并动态调整颜色,保证其一致性.在系统建设过程中,存在以下关键技术问题:(1)立体显示的必要性和可行性.传统的航海模拟器通常都不采用立体模式,而随着模拟训练与决策需求的提高,特别是针对一些专项训练与决策,如船舶靠离泊、海上搜救、船舶避碰、船员心理特征研究等都需要通过眼睛估计空间距离,只有依靠立体显示,给人深度感,增加沉浸感才能满足需求.(2)驾驶台仿真.综合船桥驾驶台功能齐全,要完全仿真非常困难.(3)视景仿真硬件平台.这是整个系统的核心部分,需要支持12个图形流水线,即使采用超级计算机SGIOnyx系列,也很难满足要求.这是因为,航海视景仿真,不论是场景还是海洋波浪都需要大量计算机资源,何况本系统还需要生成高分辨率的立体图像,更加无法满足要求,而且价格昂贵.如果采用商用PC系列组网,12通道的实时仿真系统也非常少见,并且性能非常不稳定.(4)立体投影系统的实现.世界著名的投影系统专业公司Barco也从未尝试过建设360°环幕立体系统,因为对于环幕立体系统,目前主流的主动立体与被动立体都无法满足要求:主动立体系统,立体眼镜沉重,并且会闪烁刺激眼睛,不宜长时间使用,同时主动立体中每台投影仪需要安装红外信号发生设备,而航海模拟器的驾驶台是封闭的,会出现遮挡信号的现象;采用极化方式的被动立体更加不适合这种环幕系统.[8]这些关键问题的解决,有利于提高航海模拟器的整体技术水平,使航海模拟器更好地满足船员训练、港航设计和航海研究的要求,进一步发挥航海模拟器的功用.1 系统构成整个系统由综合船桥系统(I ntegrated B ridge Syste m,I B S)、视景可视化系统与立体投影系统组成,其中I B S驾驶台是以中远集团10000箱集装箱船舶驾驶台为原型,结合文献[8]对新一代船舶操纵模拟器驾驶台的研究开发;视景可视化系统采用SGI的VSS80机群,I nfini B and互连网络;投影系统使用12台Barco Galaxy12HB+立体投影仪组成.系统的总体构成原理见图1.图1 系统总体结构2 综合船舶驾驶台I B S是继综合导航系统(I ntegrated Navigati on Syste m,I N S)问世之后发展起来的1种海上自动航2上 海 海 事 大 学 学 报 第29卷 行系统.它采用功能集成的设计方法,将船上的各种导航、操作控制和雷达避碰等设备有机地组合并进行功能综合,利用计算机、现代控制和信息处理等技术实现船舶航行的自动化.系统的主要特点是具有完善的综合导航、自动操船、自动避碰、丰富的图形界面通信和航行管理控制自动化等多种功能,可以实现船舶航行高度自动化,提高航行的安全性、经济性和有效性. I B S 是由20世纪70年代单纯的计算机化避碰和I N S 发展到20世纪90年代后的集导航、控制、显示、监视、管理和通信功能于一体的综合航行系统.该系统在研制整套I B S 驾驶台模拟设备的基础上,自行研制接口系统、船舶设备和传感器信号生成系统、大型集装箱船舶操纵仿真模型,使得整个仿真物理环境非常真实,驾驶台系统结构与布置见图2.图2 驾驶台系统结构与布置 下面介绍各个模块的布置与功能.2.1 I BS 驾驶台M1面板:包含罗经复视器、随动操舵手轮、舵角放大器、操舵模式选择开关、双模应急舵柄、操舵装置控制面板、双车车钟、首侧推器控制面板、尾侧推器控制面板、机舱操作系统、操控信号单元、操控控制杆、紧急停车按钮、安保系统内部连接单元、广播主控台、呼叫主控台、自动电话、气笛信号控制器、报警蜂鸣器、舷窗擦拭器控制面板、轨迹球、气笛按钮、气笛关闭按钮、气笛莫尔斯信号键等.M2面板:包含综合报警面板、CONN I N G 显示器、TRACKP I L OT/CONN I N G 计算机、舵角表、主机启动空气压力表、主机转速表、值班报警面板、罗经数字复视器亮度调节、驾驶台上RA I 亮度调节、磁罗经24V 电源亮度、磁罗经220V 电源亮度以及转速和启动空气压力灯亮度调节等.P1面板:X 波段ARP A 雷达.采用进口的真实船用ARP A 雷达显示器,自制雷达信号发生器产生模拟信号.包含X 波段雷达的23″TFT 显示器、电子单元和内部连接盒,雷达和TRACKP I L OT 控制面板与自制模拟雷达信号发生器等.CP1左转角面板:包含DGPS 显示单元、数字选择开关、VHF 收发信机、报警复位按钮等.P2面板:包含罗经操作单元、G MDSS 报警单元、A I S 显示单元、面板按钮、航行灯控制面板、信号灯控制面板、声力电话、二氧化碳烟雾探测复视器面板、操舵装置报警面板、舷窗擦拭器控制面板、火警控制/复视器面板、安保系统测试按钮、安保系统开关、货舱灯控制面板、舷灯控制面板等.P3面板:包含锚和缆绳操作台等.S1面板:自制模拟S 波段ARP A 雷达.包含3波段雷达21″TFT 显示器、S 波段模拟雷达电子单元和雷达内部连接盒、自制模拟雷达键盘和T RACK 2P I L OT 控制面板等.CS1右转角面板:包含驾驶台报警面板、驾驶台扩展报警面板、值班报警面板、报警复位键等.S2面板:包含模拟21″TFT 电子海图显示器、电子海图电子单元、ASC II 键盘、PS/2轨迹球等.S3面板:包含OW S 21″TFT 显示器(机舱自动监控系统)、OW S 键盘和轨迹球、机舱自动监控系统工作站等单元.2.2 顶挂仪表箱单元顶挂仪表箱单元包含转向速率表、航向表、速度表、测深表、角速表、风速风向表、时钟、主机转速表、3面舵角指示器等.2.3 辅助工作台辅助工作台(见图3)包括通信工作台和海图工作台.(a )通信工作台(b )海图工作台图3 辅助工作台 通信工作台包含G MDSS 组合电台模拟器、I N M 2F 船站通信单元模拟器、驾驶台值班报警复位面板、G MDSS 遥控报警面板、气象传真接收机、水密门指示面板等.海图工作台包含海图桌、电子海图PC 机单元、海图数字化仪、计程仪、母钟、海图桌灯等.3第2期王胜正,等:360°环形柱幕立体视景系统航海模拟器3 视景仿真3.1 视景仿真系统硬件平台为了与原有程序保持高度兼容性,在当前系统中继续选用与W indows XP兼容的系统.SGI VSS80系列高性能图形工作站系统[9]是SGI专家服务部门专门为有这种需求的客户而设计的系统,分机架式和桌边型2种类型.该系列的图形工作站系统使用I ntel642bit Xeon处理器及W indows或L I N UX操作系统.SGI VSS40高性能图形工作站使用1333的FS B(前端总线).支持的CP U是I ntel Xeon51XX系列双核型号.支持的主频有2.33GHz(5140)和3.0GHz(5160)2种.在该项目中,SGI选用的是3.0GHz的5160双核CP U.SGI VSS80高性能图形工作站使用Xeon2.66GHz4核CP U(5355).每个SGI VSS80图形系统可配备1个NV I D I A 双头图形卡,SGI VSS80支持FX5500图形卡,并且可以加载像素同步单元G2Sync.图形发生系统的硬件互联技术是提高像素同步质量的关键因素.选取何种硬件互联方式通常需要以性价比衡量.在仔细研究多种硬件互联技术包括Numa L ink4,Rap id A rray,Q s NetII,I nfini B and,H igh Perf or mer S witch,Myrinet XP2,SPS witch2,Ethernet等后发现:影响像素同步的最大因素不是带宽(Band2 width),而是延时(Latency).很显然,通过Ethernet 互联是最普通也是最廉价的方案,但性能也最一般.如果只考虑性能,也许应该选用SGI Numa L ink4,但一旦考虑性价比,I nfini B and互联技术应该是不错的选择.I nfini B and是串行网络技术,它继承目前多数开放系统服务器使用的PC I总线.作为低成本的系统级组建设计,I nfini B and串行总线/网络被认为是到目前为止增长最快速的网络技术之一,其作为总线替代品的一些主要特征和作用如下:(1)全双工,交换串行传输;(2)新一代产品单向传送的传输率达到2.5G B/s;(3)系统通过外部扩展,而不是用系统“卡槽”;(4)随着内部扩展需求的消失,系统缩减;(5)支持热切换,与PC I不同;(6)为每个扩展外设提供独立电源,与通过系统提供相反;(7)主机I/O控制功能成为网桥功能.鉴于以上原因,为使节点之间保持高速连接,在系统中使用I nfini B and互联技术,而不是传统的以太网技术.3.2 视景仿真软件平台视景仿真软件平台主要包括三维场景建模、海洋环境模拟和立体图像渲染3方面的关键技术.其中前2项已经在文献[8,10]中进行详细研究与探讨,这里仅对立体图像渲染进行介绍.下面介绍如何创建基于OpenG L的3D立体渲染应用程序.在创建该程序之前,必须确保图形卡支持OpenG L,并且支持立体图形渲染功能,如果图形卡不支持立体功能,程序将无法渲染立体图像,因此首先需要进行立体显示程序初始化,程序代码如下: glutI nit(&argc,argv);if(!stereo) glutI nit D is p lay Mode(G LUT_DOUBLE|G LUT_RG B|G LUT_DEPTH);else glutI nit D is p lay Mode(G LUT_DOUBLE|G LUT_RG B|G LUT_DEPTH|G LUT_STERE O);另外,根据立体图像显示原理,对于主动立体,左右眼的图像在同一图形管道分别生成,为了达到此目的,OpenG L设置双缓冲区(G L_BACK_LEFT和G L_BACK_R I GHT).通常,左右缓冲区分别为左右眼生成图像,并交替输出到显示屏幕上,这也是至少需要96Hz刷新率才能输出立体图像的原因.即便是96Hz刷新率,每个眼睛各自也只有48Hz刷新率,因此建议使用更高的刷新率.在输出左右眼图像时,必须首先选择缓冲区,在OpenG L中利用gl D ra wBuffer()实现此功能,程序代码如下:gl D rawBuffer(G L_BACK_LEFT);gl Clear(G L_COLOR_BUFFER_B I T|G L_DEPTH_BUFF2 ER_B I T);…D ra wScene();…gl D rawBuffer(G L_BACK_R I GHT);gl Clear(G L_COLOR_BUFFER_B I T|G L_DEPTH_BUFF2 ER_B I T);…D ra wScene();…对于3D立体显示,左右眼立体图像对让人产生深度感觉,但是如何计算左右眼立体图像是个重要问题.产生立体图像对的原理是通过设置2个虚拟相机渲染左右眼图像.目前虽然有很多方法产生立体图像对,但是许多方法在严格意义上都不正确,4上 海 海 事 大 学 学 报 第29卷 因为他们引入垂直方向的视差.这些错误立体图像对渲染方法的典型代表是“T oe 2in ”方法,仅需要相机在场景中做简单旋转即可,这种方法实现非常简单,因此依然被很多人使用.相反,正确的渲染方法“Off 2axis ”不常被人们使用,因为计算2个立体图像对比较复杂.下面分别对这2种典型方法进行分析. (1)Toe 2in 方法.在这种投影方式中,2个眼睛的水平视角相同而且产生对称的视锥体,视锥体的中心轴指向同一焦点,见图4.图4 Toe 2i n 方法中的视锥体与投影平面 图中虚线条绘制的视锥体表示左眼,实线条绘制的视锥体表示右眼,2个视锥体指向同一焦点,只需做简单旋转即形成立体感觉的图像.但是由于引入垂直视差,特别是视锥体两侧的垂直视差更加明显,因此会产生不适感. (2)Off 2axis .这是正确的创建立体渲染的方法,它不会产生垂直视差,因此不会带来不适感,但是需要1个非对称性的视锥体,通常称它为“视差轴异对称透视投影”,每个眼睛的视场矢量保持平行,而且左右眼的视锥体投影平面重叠,这样就不存在垂直方向上的视差,见图5.图5 O ff 2ax is 方法中的视锥体与投影平面 在立体显示过程中,如果物体位于投影平面的前方,给人感觉是物体在计算机屏幕的前方,如果物体位于投影平面的后方,给人感觉是物体进入计算机屏幕的后方,由此产生立体感.为了达到这个目的,必须将焦点即投影平面放置在被观察对象的前方,这样物体移动时,会产生很强烈的立体感.立体感的好坏依赖于眼睛到投影平面的距离和左右眼的水平分离距离.太大或太小的水平分离距离都无法产生舒适的立体感.眼睛到投影平面距离的1/20为较好的分离距离.另外,要确保负视差(在投影平面之后的物体)不要超过两眼分离的距离值. 物体在投影平面成像时,会产生视差角θ,见图6.θ=2×arctan (DX /2d ),DX 是某个点通过2个视锥体在同一投影平面成像的距离值,d 是投影平面到眼睛的距离,大多数人的θ绝对值不应该超过1.5rad,在场景后面的物体θ值为正值,在场景前面的物体θ值为负值.图6 物体在投影平面上的成像4 投影系统上海海事大学的立体视景系统是个直径24m ,高6m 的大型环幕立体视景系统,见图7.图7 投影系统3D 示意图 对于立体显示,通常有主动立体和被动立体2种.目前,全球只有Barco 和科视2家公司生产主动立体投影仪,因主动立体方式亮度衰减特别多,立体眼镜笨重,时间长会头晕、眼睛胀、甚至恶心,所以不适合船员训练.被动立体方式被很多立体电影院或小型立体视景系统所采用,成本低,对投影仪没有要求,而且眼镜比较轻.但是被动立体显示必须通过屏幕的偏振技术实现,对屏幕要求特别高,并且对观察者角度有限制,只适合屏幕墙或小型柱幕.另外,目前的技术很难满足被动立体对融合技术的高要求,加上偏振光会受到环幕反射光的影响,产生的立体感很差,证明这种立体视景方式对于360°柱幕无法实现.Barco 采用的I N F I TER 技术克服传统主动立体和被动立体技术的缺点,在实用性和显示效果方面表现更为出色,其主要特点为对屏幕没有偏振特5第2期王胜正,等:360°环形柱幕立体视景系统航海模拟器性的要求,提供与主动立体一样的系统图像拼接质量;采用Barco 专利的DynaCol or 颜色校正技术;具有目前业界指标最高的左右图像立体分离度;观众的头部移动不受限制;配套的眼镜轻型舒适.该系统在几何校正、边缘融合与颜色动态统一方面都采用独特的先进技术.[11]4.1 几何校正利用经纬仪和激光点阵对空间进行三维定位,见图8.(a )激光点阵仪(b )屏幕上定位的激光点阵图8 几何校正过程的三维空间定位4.2 边缘融合与动态颜色统一使用16位精度几何变形、通道之间的动态颜色统一、有效的光学无缝融合、多通道亮度传感器实时检测反馈系统等先进技术对12通道进行几何与颜色的统一,见图9.(a )调整前的图像(b )调整后的图像图9 边缘融合与颜色调整5 结束语 随着船舶智能导航与自动化技术的发展,I B S成为大型船舶发展技术的目标.为了更好地满足船员训练、港航设计和航海研究的要求,模拟器必将开发I B S 技术,并且随着人们对虚拟现实系统要求的提高,采用360°立体视景也成为模拟器发展的趋势.因此,上海海事大学融合这2方面的需要建设新型模拟器,解决新型模拟器中所涉及的关键技术,如驾驶仿真技术、视景仿真技术和立体投影技术等.另外,为广大模拟器研究者和用户提供理想的解决方案,也将成为新一代模拟器的标志.参考文献:[1]施朝健.船舶操纵模拟器建设的几点建议[J ].上海海运学院学报,1997,18(3):59263.[2]施朝健,蔡存强.S MU —Ⅳ型综合船舶操纵模拟器的研制[J ].上海海运学院学报,1998,19(4):32237.[3]金一丞,尹勇,谭家万,等.航海模拟器中的视景系统[J ].大连海事大学学报,2001,27(2):16221.[4]任鸿翔,金一丞,尹勇.航海模拟器视景的建模[J ].大连海事大学学报,2001,27(4):20223.[5]尹勇,任鸿翔,张秀凤.航海仿真虚拟环境的海浪视景生成技术[J ].系统仿真学报,2002,14(3):3132315.[6]廖河树.大型船舶操纵模拟器的系统组成及分析[J ].中国航海,2003,55(2):8217.[7]施朝健,胡甚平,陈锦标.船舶操纵模拟器技术性能标准研究[J ].上海海事大学学报,2005,26(2):428.[8]王胜正,施朝健,石永辉.新一代船舶操纵模拟器关键技术[J ].上海海事大学学报,2007,28(1):1432149.[9]Silicon Computer I nc .SGIVSS40/VSS80高端图形工作站[EB /OL ].(2007205215)[2007212210].htt p://www .sgi /up l oad /news 2base /200703/200703212361.ht m .[10]Multigen 2Paradig m I nc .Vega p ri m e modules [EB /OL ].(2005207226)[2007212210].htt p://www .p resagis .com /p r oducts/multigen _para 2dig m /details/vegap ri m e /.[11]Barco I nc .Galaxy 12HB +[EB /OL ].(2006209226)[2007212210].htt p://www .barco .com /cor porate /en /p r oducts/p r oduct_op ti ons .as p?el 2e ment =3236.(编辑 廖粤新)6上 海 海 事 大 学 学 报 第29卷 。
船舶操纵性能的仿真分析与设计优化
船舶操纵性能的仿真分析与设计优化随着船舶设计技术的飞速发展，对船舶操纵性能要求也越来越高。
特别是在现代化的航运市场中，船舶的操纵性能已经成为衡量其经济性、安全性和舒适性的重要指标之一。
当然，船舶的操纵性能不仅与船体本身的设计有关，而且也与船员的技能和驾驶操作方式密切相关。
因此，为了提高船舶的操纵性能，必须采用科学的手段对其进行仿真分析和优化设计。
一、船舶操纵性能的仿真分析在计算机技术和数值模拟技术的支持下，船舶操纵性能的仿真分析已经成为现代船舶设计的重要手段。
通过对船舶的运动特性、操控响应和航行状态等进行全面仿真分析，可以帮助设计师找到解决方案，提高船舶的操控性能和安全性。
同时，船舶操纵性能的仿真分析还可以评估不同类型船舶的性能差异，为船舶的建造和运营提供参考依据。
船舶操纵性能的仿真分析一般由以下几个方面组成：船舶运动学模型、船舶操纵性能模型、环境条件模型和船员行为模型。
其中，船舶运动学模型是仿真分析的基础，包括船舶的运动方程和运动状态的计算方法。
船舶操纵性能模型则是描述船舶操纵性能特点的数学模型，包括船舶的滚转、俯仰、偏航等方面的响应特性。
环境条件模型则是考虑该海区海况、流洋流、风浪等环境因素对船舶操纵性能的影响。
船员行为模型则是考虑到船员的反应和决策对船舶操纵的影响。
通过四个方面的综合分析，可以得到船舶操纵性能的整体权衡。
船舶操纵性能的仿真分析，使用的仿真软件也是非常关键的一个因素。
目前市面上较为常见的仿真软件有SHIPFLOW、MARC等等。
其中SHIPFLOW是用于船舶水动力学仿真分析的计算机软件，可以模拟船舶的水动力性能和操纵性能，预测ship motions、sea loads and ship responses 的全过程。
而MARC则是一种有限元分析软件，可以求解结构动力学问题，可以模拟船舶在不同环境条件下的晃动以及其他特殊条件下的疲劳寿命等等。
同时这两个软件还有其他优秀的特性，众多软件提供了示范数据、例程和测试案例，帮助设计师更好的运用仿真技术进行优化设计。
船舶工程技术系统设计建模和仿真技术
船舶工程技术系统设计建模和仿真技术船舶工程技术系统设计建模和仿真技术是现代船舶设计与建造领域中的一项重要技术。
通过采用计算机辅助设计和仿真技术，可以有效提高船舶建造过程中的效率和质量，同时减少成本和资源投入。
本文将对船舶工程技术系统设计建模和仿真技术进行详细探讨，并介绍其在船舶建造领域中的应用。
一、技术原理和方法在船舶工程技术系统设计建模和仿真技术中，主要涉及到以下几个方面：1.1 船舶系统建模船舶系统建模是指将船舶系统的各个组成部分进行抽象化，通过数学模型的方式进行描述和分析。
这些组成部分包括船体结构、动力系统、工艺装备等。
通过建立准确的数学模型，可以对船舶系统的性能进行评估和优化。
1.2 仿真技术仿真技术是指利用计算机进行虚拟实验，模拟船舶在不同工况下的运行情况，并通过仿真结果进行评估和优化设计。
通过仿真技术，可以减少试验的时间和成本，提高设计的可靠性和精度。
二、应用案例以下是几个船舶工程技术系统设计建模和仿真技术在船舶建造领域中的应用案例：2.1 船体结构设计利用船舶工程技术系统设计建模和仿真技术，可以对船体结构进行设计和优化。
通过建立船体结构的数学模型，并结合材料力学和结构强度分析，可以评估船体结构的强度、刚度和稳定性，并进行结构优化，从而提高船舶的安全性和航行性能。
2.2 船舶动力系统设计船舶动力系统是船舶的核心部分，对船舶的推进性能和能效具有重要影响。
通过船舶工程技术系统设计建模和仿真技术，可以对船舶动力系统的工艺流程进行建模和仿真，从而评估动力系统的性能和工况下的能效，为船舶动力系统设计提供理论依据和参考。
2.3 装备安装和布置优化在船舶建造过程中，装备安装和布置是一个复杂而关键的环节。
通过船舶工程技术系统设计建模和仿真技术，可以对装备的安装位置、布局和连接方式进行优化设计。
通过仿真结果的分析和评估，可以选择最佳的装备方案，提高装备的可靠性和船舶的整体性能。
三、技术挑战和展望船舶工程技术系统设计建模和仿真技术在船舶建造领域中的应用已经取得了显著的成果。
《2024年船舶跟踪与态势估计仿真平台设计与实现》范文
《船舶跟踪与态势估计仿真平台设计与实现》篇一一、引言随着现代信息技术的迅猛发展，船舶交通管理系统正逐渐迈向智能化与数字化。
其中，船舶跟踪与态势估计技术是提升船舶交通安全管理水平的关键手段。
本论文旨在介绍一款船舶跟踪与态势估计仿真平台的设计与实现，该平台能够有效地对船舶的动态行为进行模拟与预测，为船舶交通管理提供决策支持。
二、平台设计1. 总体架构设计船舶跟踪与态势估计仿真平台采用模块化设计思想，整体架构包括数据采集模块、数据处理模块、船舶跟踪模块、态势估计模块和用户交互模块。
各模块之间通过接口进行数据交互，实现信息的实时传递与处理。
2. 数据采集模块数据采集模块负责从各类传感器和通信设备中获取船舶的实时位置、速度、航向等数据。
该模块采用多源数据融合技术，确保数据的准确性和实时性。
3. 数据处理模块数据处理模块负责对采集到的原始数据进行预处理，包括数据清洗、格式转换和标准化处理等。
通过数据挖掘和机器学习算法，提取出有用的信息，为后续的船舶跟踪和态势估计提供支持。
4. 船舶跟踪模块船舶跟踪模块采用先进的定位算法和滤波技术，对船舶的动态行为进行实时跟踪。
通过多目标跟踪算法，实现对多艘船舶的同时跟踪，并输出船舶的轨迹信息。
5. 态势估计模块态势估计模块基于历史数据和实时数据，采用机器学习和深度学习算法，对船舶的未来态势进行预测。
该模块能够估计出船舶的航行意图、速度、航向等关键参数，为船舶交通管理提供决策支持。
6. 用户交互模块用户交互模块提供友好的用户界面，方便用户对平台进行操作。
该模块支持数据的可视化展示，包括船舶轨迹、态势预测结果等，为用户提供直观的信息展示。
三、平台实现1. 技术选型与开发环境平台采用Java语言进行开发，数据库选用MySQL，后端采用Spring Boot框架，前端采用HTML5、CSS3和JavaScript等技术。
开发环境包括Linux操作系统、IntelliJ IDEA开发工具以及相关数据库管理工具。
嵌入式系统的船舶操纵模拟器设计
嵌入式系统的船舶操纵模拟器设计曹丽苹，杨 征，安卫超(保定职业技术学院，河北 保定 071000)摘要: 传统船舶操纵模拟器，存在随动舵灵敏性差、数码管显示图像像素低等弊端。
为有效解决上述问题，设计基于嵌入式系统的船舶操纵模拟器。
通过模拟器硬件整体架构设计、船舶操纵信号采集模块设计，完成新型船舶操纵模拟器的硬件设计。
通过嵌入式系统固件程序设计、模拟器上机位通信软件设计、通信协议设计，完成新型船舶操纵模拟器的软件设计。
设计对比实验结果表明，与传统船舶操纵模拟器相比，新型模拟器大幅增强随动舵灵敏性，且数码管所显示图像的像素，也得到一定程度的提升。
关键词：嵌入式系统；船舶操纵模拟器；信号采集模块；通信软件中图分类号：U675 文献标识码：A文章编号： 1672 – 7649(2018)4A – 0202 – 03 doi：10.3404/j.issn.1672 – 7649.2018.4A.068Design of ship handling simulator in embedded systemCAO Li-ping, YANG Zheng, AN Wei-chao(Baoding Vocational and Technical College, Baoding 071000, China)Abstract: The traditional ship handling simulator has the disadvantages of poor sensitivity of servo rudder and low pixel display in digital tube. In order to solve the above problems, a ship handling simulator based on embedded system is designed. The hardware design of the new ship control simulator is completed by the design of the overall design of the sim-ulator hardware and the ship control signal acquisition module. The software design of the new ship handling simulator is completed through the design of embedded system firmware, the design of simulator communication software and the com-munication protocol design. The design contrast experiment results show that compared with the traditional ship handling simulator, the new simulator greatly enhances the sensitivity of the servo rudder, and the pixels displayed by the digital tube have also been improved to a certain extent.Key words: embedded system；ship manipulation simulator；signal acquisition module；communication software0 引 言船舶操纵模拟器，是一种通过计算机成像技术、计算机仿真技术相结合的手段，生成船舶航行图像的模拟设备。
船舶航向控制器设计与仿真
和其它伺服系统一样 ， 舵机伺服系统也是 由敏感元件 、 放大元件 、 转
换元 件 、 执 行元 件 以及反 馈元件 等组 成 的一个 闭环 系统 。 敏感元件 ： 为 了测 量 舰 船 偏 离 给 定 航 向大 小 ， 并 将 其 偏 航 信 号 输 送 给 自动 操 舵 系统 。舰 船 上 敏感 元 件 是 由 罗 经 航 向 发 送 器 和 与 其 同 步 联 接在 自动 操 舵 系统 中 的航 向 接 收 器组 成 。 接 收 器
然后 通 过 仿 真 分析 来确 定 航 向控 制 器 的 关 键 参数 ， 最 后 进 行调 试 。
关键词 ： 船舶 ， 船 舶 航 向控 制 器 ， Ｐ Ｉ Ｄ算 法 ， Ｍ Ａ Ｔ Ｌ Ａ Ｂ
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ Ｔ ｈｉ ｓ ｐａ ｐｅｒ ｄｉ ｓ ｃ ｕ ｓｓ ｅｓ ｔ ｈｅ ｄｅ ｓ ｉ ｇｎ ａ ｎｄ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏｎ ｏ ｆ ＭＡＴＬ ＡＢ ｓ ｈ ｉ ｐ ｃ ｏｕ ｒ ｓ ｅ ｃ ｏｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｌ ｅｒ ｉ ｎ ｄ ｅｔ ａ ｉ ｌ Ｉ ｔ ｂｕ ｉ ｌ ｄｓ ａ ｓ ｈｉ ｐ Ｃ ＯＵ ｒ Ｓ ｅ ｃ ｏｎ — ｔ ｒ ｏ ｌ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅｍ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏｎ ｍ ｏ ｄｅｌ ｉ ｎ ｔ ｈｅ Ｓｉ ｍｕ ｌ ｉ ｎｋ ｅ ｎｖ ｉ ｒ ｏ ｎｍｅｎ ｔ ｉ ｎ Ｍ ＡＴＬ ＡＢ． ｄ ｅ ｔ ｅ ｒ ｍｉ ｎｅ ｔ ｈ ｅ ｋ ｅ ｙ ｐａ ｒ ａ ｍｅ ｔ ｅｒ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｕｒ ｓ ｅ ｃ ｏｎ ｔ ｒ ｏｌ ｌ ｅ ｒ
的 机动 性 问 题 。这 两 个 方 面是 衡 量 一 艘船 舶 操 纵 性 好坏 的标 志 ， 操 纵性 直 接关 系到 船 舶 的使 用 效 能 和 安全 性 。 因此 ， 船 舶航 向控
船舶设计及制造模拟仿真系统软件解决方案
船舶设计及制造模拟仿真系统软件解决方案基本信息：船舶设计：船舶的设计阶段主要可分为初步设计、详细设计和生产设计三个阶段。
船舶设计过程持续的时间很长，影响设计进度的突出问题是：软件开发可以来这里，这个首叽的开始数字是壹伍扒中间的是壹壹叁叁最后的是驷柒驷驷，按照顺序组合起来就可以找到。
1、详细设计的主要图纸和技术文件需要船东、船检(船级社)审查认可，而后进行退审修改，此时船舶已经开工，生产设计承受着施工供图需求的压力，在这种情况下施工容易出现差错。
2、设计审查要加强对设备材料的经济性选择。
具体设计一经确定，全船80%的成本已经固化(其中设备材料费用占全船总成本的65%左右)，在人工费、专用费项目中降低成本的空间很小。
据资料统计，国内船厂与国外先进船厂建造的同类船舶相比，设备用量和材料消耗量均高出10%。
解决方案：将详细设计与生产设计由串联式的接续组织，尽可能在一定阶段形成并联式的交叉组织。
利用计算机模拟仿真的功能，在输入详细设计可靠数据和图形的基础上，通过三维设计、干涉检查，直接生成生产设计数据和图形。
近年来主要船厂相继开展了一项叫做“ 纸上模拟造船”的活动，取得了应有的成效：在船舶开工前，船厂组织设计、工艺、生产及生产管理等主管人员，对照设计说明书，从剖析的角度，按船舶建造流程逐项找出影响设计建造的关键点，从合理性可行性出发，研究确定建造方法和技术手段，也就是说研究确定了对关键项目的予案。
我们设计船舶设计软件模块来解决上述问题，船舶设计模块分为：模型设计、数据管控、模型生成、干涉检查、经典模型展示五个子模块。
船舶制造：船舶的制造分为两个阶段：钢材的加工和分段制造阶段。
钢料加工过程中，提高钢材的利用率是永恒的主题。
目前国内船厂钢材利用率(主船体钢材利用率、钢材综合利用率)一般在85—90%左右。
钢材利用率状况受到船型及设计、管理、场地等多因素影响。
分段制造阶段是构成船体结构的阶段。
根据船舶建造工艺、场地条件、起重能力、周期要求等，一艘3—6 万吨级船舶分段划分大致在100—200 个。
舰艇操纵仿真系统
舰艇操纵仿真系统一、概述结合某型号舰艇动力装置，开发了一种基于SimuWorks仿真支撑平台的模拟器，以便为学员的操作训练进行培训和考核，并通过动力系统模拟器对动力系统各控制装置的适应性、协调性、安全性、可靠性做进一步研究，以便找出最佳的操作方法和步骤，对系统进行正确的使用和管理二、系统构成及主要功能模拟器由模拟训练系统、虚拟训练系统、教控系统和仿真支撑平台构成。
(文中提到的模拟训练指的是实际装备训练，以便与虚拟训练相区别)仿真支撑平台负责管理系统的各类数据库及仿真模块，仿真支撑平台的仿真引擎是软件系统的核心，由仿真引擎控制系统仿真进程。
系统组成框图如图1所示。
模拟训练系统使用计算机、控制器、交换机等实现整个系统的仿真。
其中，控制器选用支持以太网PC-Base控制器ADAM-5510E/TCP，该控制器可以直接与交换机相连，当由多台控制器完成对一个盘台的数据采集与控制时，其中一台作为主控制器与网络相连，其余的控制器与主控制器通过串口相连；仿真支撑平台运行于仿真服务器上。
服务器运行后，由控制器根据自身设定的采样周期快速轮询模拟盘台的各个操作部件，当操作部件的状态与上次轮询时的状态不同，则采集该操作部件对应的变量的新值，通过通信程序发送到SimuEngine实时数据库。
虚拟训练系统由一组计算机组成，每台计算机上都是SimuEngine客户端，运行的虚拟盘台直接读取实时数据库的值，通过后台的数学模型，完成训练操作。
通过虚拟盘台也可对数据库中的值进行实时修改。
教控系统能灵活、方便地控制程序运行，能根据学员的层次，选择和组合不同的培训项目；启动/结束仿真程序；状态参数监控；选择初始状态；冻结仿真状态；返回至以前状态；保存当前状态用于重演；控制操作在线数据库；选择仿真的时间；设置和删除故障。
三、方案构成·硬件配置本模拟器的硬件包括教控系统、模拟训练系统、虚拟训练系统、服务器与网络系统、电源系统。
1. 教控系统总教控系统包括总教控台、虚拟分系统教控台、模拟分系统教控台、传令音响装置、音频通信分系统、视频监控分系统。
《船舶跟踪与态势估计仿真平台设计与实现》范文
《船舶跟踪与态势估计仿真平台设计与实现》篇一一、引言随着全球贸易的日益繁荣和海洋运输的快速发展，船舶的监控和态势估计变得尤为重要。
船舶跟踪与态势估计仿真平台作为一项先进的技术应用，能够有效提升船舶航行的安全性和效率。
本文将详细阐述船舶跟踪与态势估计仿真平台的设计与实现过程，以期为相关领域的研究与应用提供参考。
二、需求分析在需求分析阶段，我们首先明确了仿真平台的主要功能需求，包括船舶实时跟踪、态势估计、数据分析和可视化等。
同时，我们还需考虑平台的可扩展性、稳定性和安全性。
为了满足这些需求，我们进行了详细的市场调研和技术分析，确定了平台的设计目标和实现方案。
三、平台设计1. 总体架构设计：平台采用模块化设计，主要包括数据采集模块、数据处理模块、船舶跟踪模块、态势估计模块、数据分析模块和可视化模块。
各模块之间通过接口进行数据交互，确保平台的稳定性和可扩展性。
2. 数据采集与处理：数据采集模块负责从各类传感器和通信设备中获取船舶的实时数据。
数据处理模块则对采集的数据进行清洗、转换和存储，为后续的船舶跟踪和态势估计提供支持。
3. 船舶跟踪与态势估计：船舶跟踪模块通过使用先进的算法和技术，实现对船舶的实时跟踪。
态势估计模块则根据船舶的动态数据和环境因素，进行态势估计和预测。
4. 可视化与交互：平台提供丰富的可视化工具和交互功能，使用户能够直观地了解船舶的航行状态和态势估计结果。
四、关键技术实现1. 船舶跟踪技术：我们采用了基于卫星定位和S（自动识别系统）的船舶跟踪技术。
通过融合这两种技术，我们能够实现对船舶的精准跟踪和实时定位。
2. 态势估计算法：我们采用基于机器学习和人工智能的算法进行态势估计。
通过分析历史数据和实时数据，我们能够预测船舶的航行轨迹和态势变化。
3. 数据可视化与交互：我们使用先进的图表库和交互技术，实现数据的可视化展示和用户交互。
用户可以通过平台进行数据的查询、分析和分享。
五、平台测试与优化在平台开发完成后，我们进行了详细的测试和优化工作。
基于XMSF的舰船全数字仿真系统架构设计
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ Ｃｏ ｍｂ ｉ ｎ ｅ ｄ ｗｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｑ ｕ ｉ ｒ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｓ ｏ ｆ ｓ ｈ ｉ ｐ ｅ ｑ ｕ ｉ ｐ ｍｅ ｎ ｔ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｔ ｒ ａ ｉ ｎ，ａ ｄ ｄ ｒ ｅ ｓ ｓ ｅ ｄ ｔ ｏ ｔ ｈ ｅ ｑ ｕ ｅ ｓ ｔ ｉ ｏ ｎｓ ｏ ｎ ｄ ｅ ｐｌ ｏｙ ｍｅ ｎ ｔ ｆ ｌ ｅ ｘ ｉ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙ， ｍａ ｉ ｎ ｔ ａ ｉ ｎ ａ ｂ ＿ ｌ ｉ ｔ ｙ，ｔ ｒ ａ ｎｓ ｐ （ ） ｒ ｔ ａ ｂ． 】 ｉ ｔ ｙ ａ ｎｄ ｃ ｏ ｍｐ ｏ ｓ ｅ ａ ｂ ｌ ｉ ｔ ｙ ｅ ｘ ｉ ｓ ｔ ｅ ｄ ｉ ｎ ｔ ｈｅ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ，ｔ ｈ ｅ ｔ ｈｒ ｅ ｅ ｌ ｅ ｖ ｅ ｌ ｆ ｒ ａ ｍｅ ｗｏ ｒ ｋ ｏ ｆ ｓ ｈｉ ｐ ｆ ｕ ｌ ｌ ｄｉ ｇｉ ｔ ａ ｌ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ＸＭ ＳＦ ｉ ｓ ｃ ｏ ｎｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｅ ｄ ． Ｔｈｅ ｎ ｔ ｈｅ ｔ ｈ ｒ ｅ ｅ ｌ ｅ ｖ ｅ ｌ ｉ ｎｃ ｌ ｕ ｄ ｉ ｎ ｇ ｒ ｅ ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅ ，ｓ ｅ ｖ ｅ ｒ ａ ｎ ｄ ａ ｐ ｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｌ ｅ ｖ ｅ ｌ ｉ ｓ ｄ ｅ ｆ ｉ ｎ ｅ ｄ ．Ａｌ ｌ ｒ ｅ ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅ ｓ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅ ｌ ｅ ｖ ｅ ｌ ａ ｒ ｅ ｃ ｌ ａ ｓ ｓ ｉ ｆ ｉ ｅ ｄ ａ ｎｄ ｔ ｈ ｅ ｉ ｒ ｍｅ ａ ｎ ｉ ｎ ｇ ｓ ａ ｒ ｅ ｄ ｅ ｓ ｃ ｒ ｉ ｂ ｅ ｄ ．Ａｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｓ ｅ ｒ ｖ ｅ ｌ ｅ ｖ ｅ ｌ ｉ ｓ ｆ ｕ ｒ ｔ ｈ ｅ ｒ ｃ ｌ ａ ｓ ｓ ｉ ｆ ｉ ｅ ｄ ａ ｓ ｂ ａ ｓ ｉ ｃ ｓ ｅ ｒ ｖ ｅ ｓ ｕ ｂ ｌ ｅ ｖ ｅ ｌ ａ ｎ ｄ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｐ ｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｅ ｒ ｖ ｅ ｒ ｓ ｕ ｂ — ｌ ｅ ｖ ｅ ｌ ａ ｎ ｄ ｔ ｈｅ ｉ ｒ ｃ ｏ ｎ ｔ ｅ ｎ ｔ ｓ ａ ｒ ｅ ｅ ｘ ｐ ｌ ａ ｉ ｎｅ ｄ ． Ａｃ ｃ ｏ ｒ ｄ ｉ ｎ ｇ ｔ ｏ ｔ ｈ ｅ ｐ ａ ｒ ｔ ｉ ｃ ｕｌ ａ ｒ ｒ ｅ ｑ ｕ ｉ ｒ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｓ ｏｆ ｓ ｈ ｉ ｐ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｔ ｒ ａ ｉ ｎ ｉ ｎ ｇ，ｔ ｈ ｅ ａ ｐ ｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｌ ｅ ｖ ｅ ｌ ｉ ｓ ｄ ｉ ｖ ｉ ｄ ｅ ｄ ｉ ｎ ｔ ｏ ｔ ｅ ａ ｃ ｈｉ ｎ ｇ ｃ ｏ ｎｔ ｒ ｏ ｌ ｐ ｌ ａ ｔ ｆ ｏ ｒ ｍ ，ｍａ ｎ ｉ ｐ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｐ ｌ ａ ｔ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｎ ｄ ｆ ｕ ｎ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｐ ｌ ａ ｔ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｎ ｄ ｆ ｕｒ ｔ ｈ ｅ ｒ ｄｉ ｖ ｉ ｄ ｅ ｔ ｈｅ ｍ ａ ｃ ｃ ｏ ｒ ｄ ｉ ｎ ｇ ｔ ｏ ｄ ｅ ｐ ａ ｒ ｔ ｍｅ ｎ ｔ ，ｓ ｐｅ ｃ ｉ ａ ｌ ｔ ｙ，ｓ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｃ ａ ｂ ｉ ｎ ｉ ｎ ｏ ｒ ｄ ｅ ｒ ｔ ｏ ｉ ｍｐ ｌ ｅ ｍｅ ｎｔ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍｉ ｃ ，ｇ ｒ ａ ｄ ｅ ｄ ａ ｎ ｄ ｓ ｔ ａ ｇ ｅ ｄ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏｎ ｔ ｒ ａ ｉ ｎ ｉ ｎ ｇ ．Ａｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｔ ｒ ａ ｉ ｎ ｉ ｎ ｇ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｏｆ ｔ ｈ ｅ ｓ ｐ ｅ ｃ ｉ ｆ ｉ ｅ ｄ ｓ ｕ ｂ ｍａ ｒ ｉ ｎ ｅ ｉ ｓ ｉ ｍｐｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｅ ｄ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｔ ｈ ｉ ｓ ｆ ｒ ａ ｍｅ ｗｏ ｒ ｋ ． Ｋｅ ｙ Ｗｏ ｒ ｄ ｓ ＸＭ Ｓ Ｆ，ｆ ｕ ｌ ｌ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ，ＸＭ Ｉ ｌ ａ ｎｇ ｕ ａ ｇ ｅ，ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｒ ｅ ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅ Ｃｌ ａ ｓ ｓ Ｎｕ ｍｂ ｅｒ ＴＮ９ Ｉ ］
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
船舶操纵模拟器视景仿真系统构架设计
王五桂
【摘要】根据船舶操纵模拟器功能实现的实际需要,本文提出一种7通道270°宽
视场角环幕投影构架方案.基于视景仿真系统的建设目标,完成了硬件构架和软件构
建的设计.并通过船舶操纵模拟器试验室空间的实际大小,完成构架方案的空间布局
设计,并对布局设计进行光路效果分析.结果表明,所提出的视景系统构架方案能够满足船舶操纵模拟器真实沉浸感的要求.
【期刊名称】《船电技术》
【年(卷),期】2016(036)003
【总页数】3页(P60-62)
【关键词】船舶操纵模拟器;视景仿真;架构
【作者】王五桂
【作者单位】中国舰船研究设计中心,武汉430064
【正文语种】中文
【中图分类】U675
0 引言
船舶操纵模拟器在仿真、功能和应用方面具有极其重要的作用和社会效益[1][2]。
其核实是建立准确的船舶运动数学模型[3]和依托虚拟现实技术[4][5]建立视觉上逼真和高沉浸感的视景仿真系统。
视景仿真系统能够模拟船舶航行的航行姿态和虚拟场景，一方面，使得能够在试验室条件下对船舶运动控制性能进行有效评估及检验，
减少实船试验次数，降低成本，缩短开发周期，优化控制系统等目的，另一方面，也是对船舶操纵人员进行实际操作能力培训的一种有效的途径。
视景仿真系统是以航行操纵模拟器输出的数据为依据，利用视景仿真技术等手段，通过三维视景仿真方法直观、逼真地呈现船舶操纵中的各种操作和业务流程，并利用三维建模方法将本船、实际场景、海面自然环境等元素可视化呈现。
通过三维环境中对模型对象的操作展现船舶的航行状态，能够为船舶操纵控制性能研究和船舶操纵控制系统设计与论证提供更加直观、更加丰富的参考依据。
1 视景仿真系统总体结构及建设目标
视景仿真系统主要由显示系统、视景仿真渲染集群、管理终端、仿真模型数据库服务器等部分组成，船舶操纵模拟器视景仿真系统网络拓扑结构如图1所示。
视景仿真系统通过仿真服务器系统路由器连接到船舶操纵模拟器中，模拟器向仿真服务器提供船舶运动各种信号，并在显示系统中实时反应。
视景仿真系统主要建设目标如下：
1）显示系统能够提供大尺寸、高分辨率显示画面，能够模拟真实操作环境，具有高真实感、高沉浸感，在船舶操纵模拟器中能够得到较真实的操纵体验[6]。
2）显示系统要求优先采用弧形幕或者具有更高真实感的显示系统方案，显示系统画面应无明显接缝、显示范围应覆盖全部视觉可观察范围。
3）建立多种仿真模型数据库，包括本船、副本船及其他参照船舶模型。
4）构建三维虚拟现实场景，包括：港口，机动航行，窄水域导航、系泊、锚定、靠泊，海上补给，导航等，模拟展现船舶在多种海况下多工况下作业过程。
5）建立相应的模拟环境和气候条件，如逼真模拟白天、黄昏、夜晚，雨、雪、可穿透及不可穿透的大雾等，使得视景仿真系统环境模拟可满足各种气候条件的船舶操纵与航行[7]。
2 视景仿真系统硬件构架设计
根据对船舶操纵模拟器视景仿真系统主要业务和功能要求，系统的硬件部分主要由投影显示分系统、图形生成分系统、中央控制分系统、音响分系统和配套保障分系统组成，如图2所示。
视景仿真系统的硬件设备主要通过各种信号电缆互连起来构成整个系统的物理运行平台。
投影显示分系统负责接收和处理图形生成分系统各个仿真工作站实时生成的图像进行仿真画面拼接、画面融合处理，并显示出来供参试、评估人员观看；图形生成分系统负责为三维视景软件提供运行硬件平台，中央控制分系统是整个系统的支撑性分系统，主要负责整个系统各个主要设备的控制管理（投影机控制、工作站控制等）、大厅环境控制管理（设备电源、灯光控制管理）；音响扩声分系统负责整个系统的语言发言扩声、仿真扩声等，为参试人员提供声音洪亮、音质饱满的仿真音响扩声效果，配套保障分系统负责为整个系统的运行提供电力保障、安全防范保障和运行保障等。
视景仿真系统物理结构如图3所示。
3 视景仿真系统软件构架设计
船舶操纵模拟器视景仿真系统软件主要包含三个部分，如图4所示：
虚拟现实仿真开发平台分系统是船舶操纵模拟器仿真可视化系统的支撑系统，主要由三维虚拟现实引擎、专用视景效果引擎、模型编辑软件、可视化应用程序框架等组成，为整个软件系统提供三维可视化呈现、效果表现功能，以及提供软件系统基础框架，支撑分布式可视化仿真、数据处理、同步控制等基础支撑功能。
视景仿真可视化分系统利用三维虚拟现实技术实现高精度、高逼真度、高分辨率的船舶运动仿真视景，为船舶运动仿真提供高质量的呈现手段。
能够支撑目前船舶操纵模拟器仿真应用，并能具有可扩展性，能够支撑将来其它试验和仿真的可视化表现。
三维模型资源及数据库分系统利用三维建模软件建立模拟器中的仿真船舶，仿真场景和模拟环境等，根据仿真工况供视景仿真系统调用，图5为视景仿真系统的效
果。
4 视景仿真系统光路设计
根据船舶操纵模拟器试验室空间的实际大小，将投影显示屏设计成一个270°具有
高度沉浸感的大型屏幕，屏幕半径7米，高3.15米的7通道特制正投金属屏幕，便于仿真环境显示。
系统用7台高亮度、高分辨率投影机采用正投方式将多路计
算机信号以多功能需要按不同的方式显示出来。
根据船舶操纵模拟器视景仿真系统布局，并根据所选择的视景仿真系统硬件设备的性能指标，可得到光路设计示意图。
5 结语
船舶操纵模拟器中视景仿真系统的目的就是将船舶运动仿真的结果以虚拟现实的方式形象、逼真地再现出来，让操纵人员能以最直观的方式感受到船舶在海浪中是真实运动情况。
根据这一实际需求出发，本文提出了一种视景仿真系统总体结构方案，根据系统建设目标，完成系统硬件构建和软件构架的设计，并通过对所设计的视景仿真系统进行光路分析，证明所设计的视景仿真系统构建能够满足船舶操纵模拟器的实际需求，为进一步开发船舶操纵模拟器奠定了基础。
[1] 屠海洋, 袁章新. 船舶操纵模拟中视景仿真的研究[J]. 中国航海, 2009, 32
(1): 106-110.
[2] 黄会营, 段晓明. 船舶运动视景仿真系统设计与实现[J]. 计算机仿真, 2012, 29 (1): 369-373.
[3] 张秀凤．航海模拟器中六自由度船舶运动数学模型[D] .大连: 大连海事大学, 2009.
[4] 肖剑波,胡大斌,高伟. 基于Vega的潜望镜视景系统设计与实现[J]. 中国舰船研究, 2008，3(3):63-66.
[5] 高伟, 巫影, 肖剑波. 基于Vega的虚拟海洋视景仿真研究[J]. 中国舰船研究, 2008，3(6):54-60.
[6] Ashdown M, Flagg M,
Sukthanker R, et al. A flexible project or camera system for multi-planar displays[C]. Proceeding of Computer Vision and Pattern Recognition. Los Alamitos: IEEE Computer Society Press, 2004:165-172.
[7] 熊振南，周世波．船舶航行环境可视化仿真[J]．上海海事大学学报,2009, 30 (1): 6-9.。