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船舶操纵仿真模拟平台-船舶虚拟仿真操纵系统

发布时间:2024-04-19

编辑人:灵图互动

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船舶操纵仿真模拟平台主要用于港口航道的船舶航行安全论证以及船舶操纵人员技能培训。船舶操纵仿真模拟平台主要由车舵操作系统、主控计算机、视景仿真系统、拖轮操纵台组成。车、舵和拖轮由操纵人员操作,操作引起的车、舵、拖轮的值由计算机自动传给主控计算机,主控计算机将车、舵、拖轮、运动船舶的参数、风、流、波浪的各种参数通过船舶运动模型计算出运动船舶当前的运动速度、加速度、转向速度、航向和当前的位置。视景仿真显示系统根据主控机传来的运动船舶的位置和航向,确定视角范围,把在视点内的虚拟场景、三维船舶模型、海景投影在大屏幕上。如果是分布式的,由显示主机根据传来的视点位置和方向,与各通道的显示子机进行数据交换,然后各通道根据视点和方向计算出各自范围内的视景并把视景投影在圆弧型的屏幕上,使人有身临其境之感。其中实时视景仿真是视觉仿真重要的组成部分,它要求高速逼真地显示船舶运动时的视景环境,实时地响应船舶操纵。

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1. 船舶操纵仿真模拟平台功能

1.1 提供仿真模拟操纵环境。能够虚拟实船条件下操纵系统的基本功能,通过三维图形界面实时显示操纵过程中相应的各种信息。

1.2 提供模拟环境和实体特性的能力。能够模拟地理环境、海洋环境、大气环境、声学环境等;能够实时显示船舶三维运动姿态。

1.3 能够依据实体的物理特性、动力特性,环境影响等数学模型对相应指令实时完成模型解算,给出船舶空间运动的位置和姿态数据,并产生主要设备的相关控制、显示数据。

1.4 提供仿真运行管理、仿真过程的记录和重演。

2. 船舶操纵仿真模拟平台关键技术

2.1 三维地形的模拟

三维地形的模拟是开发可视化系统中最基本也是最重要的技术之一。地形的模拟分为两类:真实地形和模拟地形。真实地形是采用真实世界中的具体数据来构造的,具有非常高的真实性,而模拟地形一般采用随机构成的地形高度组合生成的,具有速度快且与真实地形相比可达到维妙维肖的程度。但根据船舶操纵模拟要进行科学研究的特点,必须采用真实地形。

三维建模中除了采用 LOD 技术以外,还需要采用 Mipmap 纹理调度技术,以减小纹理的闪烁现象。当模型离视点较远时,可以采用分辨率较低的纹理图像,否则换成分辨率较高的纹理,从而获得最佳的视觉效果。

2.2 海洋环境的生成

在航海模拟中静态的物体如码头、码头上的建筑物、船舶、灯标、岛屿,利用常规的建模工具就可以模拟得十分逼真,而海浪属于自然界的随机现象,它会直接影响到航海虚拟环境视景的真实性,因此海浪环境的模拟一般采用LOD技术,把海景模型分为动态和静态两个部分,对于宏观的海景采用静态,而离视点近的海景采用动态。海浪效果的逼真程度由动态海景决定。动态海景的波浪高度一般要用10条正弦曲线和一些非谐波频率来计算。不论是静态还是动态海景都采用网格加海面纹理生成景观。

船舶操纵仿真模拟平台的关键技术

2.3 碰撞检测

船舶虚拟仿真操纵视景系统的碰撞检测的重点是本船舶与场景其他物体的碰撞检测问题,例如船舶靠泊时船舶与码头是否发生接触。所采用的碰撞检测方法是跟踪虚拟世界里每对物体间的距离。如果一对物体间的距离小于某个阀值,那么认为物体相互碰撞了。进行碰撞检测需要1个体和1个目标。体和目标确定后,相关的方法返回所检测到的值,这个值可以与所规定的阈值进行比较以确定碰撞与否。碰撞检测到的值传送到碰撞检测管理模块,该模块再根据该值驱动相应力学模型变化及变形,并相应驱动虚拟效果。

2.4 实时视景的显示

要实现三维模型的实时动态显示,一方面要求计算机硬件有高速运算能力和很强的三维图形处理功能;另一方面还要求在算法和软件上有所发展,以期在硬件平台上取得更好的实时动态显示效果。

由于船舶操纵模拟要求实时生成图像,并有时间限制,使我们不得不降低虚拟环境的几何复杂度和图像质量,或采用其他技术(如纹理映射)来提高虚拟环境的逼真程度。可见性的判定和裁剪技术的利用可以大大减少图像绘制的数量和深度。可见性判定和消隐技术、细节层次模型、纹理映射技术、实例技术、单元分割技术等等都是实时视景生成所采用的软件加速方法,在系统开发中需要合理运用。

船舶虚拟仿真操纵系统

2.5 多通道的显示

为了使船舶模拟操纵与实际现场更加逼真,需要将几个投影通道进行水平拼接,以便达到360°全景的效果。为了减轻主机的负担,提高图像显示速度,每一通道的图像由一台计算机产生,几台高性能的计算机共同协作对360°的视景进行取景显示。因此投影之间的拼接,各通道之间能否同步是多通道显示的成败关键。要解决这个问题,需要对视点的前后、左右、上下、旋转、横摇、纵倾6个自由度进行同步,另外对动态海浪、光照、能见度、环境参数均须进行同步控制。

船舶操纵仿真模拟平台通过半实物操作台结合虚拟仿真操纵系统进行驾驶模拟训练,既保证了实操训练的真实感,又提升了实训的安全性。

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