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救助船模拟器视景仿真及数据实时通讯的研究

救助船模拟器视景仿真及数据实时通讯的研究

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作者：王博伦大连海事大学

学位级别：硕士

海上交通安全训练装备是建设交通强国的核心和关键之一。为了更好的应对海上安全事故,需要提高船员的专业素质和操船能力。高成本、低效率的实船航行训练显然不能满足要求,船舶操纵模拟器作为我国航海领域教学与培训的重要工具,可以为... 详细信息

海上交通安全训练装备是建设交通强国的核心和关键之一。为了更好的应对海上安全事故,需要提高船员的专业素质和操船能力。高成本、低效率的实船航行训练显然不能满足要求,船舶操纵模拟器作为我国航海领域教学与培训的重要工具,可以为船舶驾驶人员提供良好的日常训练。船舶模拟器的核心是通过操作驾驶台上的操纵设备,将操船信号输入到船舶运动数学模型中,视景仿真系统根据数学模型解算出的数据,渲染出较为逼真的船舶航行画面。本文首先采用Unity3D虚拟引擎开发视景仿真系统,提高了视景画面的逼真程度。然后对驾驶台操纵控制系统的软、硬件方面进行设计,实现操纵信号的采集和传输功能,满足了操纵实时性的需求。最后解决了船舶运动数学模型和视景系统相结合的问题,将船舶运动姿态数据实时传输到虚拟场景中,实时模拟船舶的运动情况。具体研究内容如下:(1)针对当前船舶模拟器视景仿真系统在画面逼真程度、跨平台性、仿真实时性和交互性等方面的不足。本文采用Unity3D虚拟引擎开发视景仿真系统,搭建包括船舶和码头的三维模型、海浪、岛屿和天空的虚拟场景,从而提升了视景画面的真实性。通过视角切换技术、多通道显示技术和建立的人机交互界面,让体验者从视觉上充分感受到船舶在海浪中真实航行的情况。(2)设计操纵控制系统的主控板,用来采集操纵设备发出的操纵信号(舵角和螺旋桨转速),将信号发送到视景计算机中的视景软件。使操纵控制系统和视景系统建立联系,实现驾驶员通过操纵设备来操控视景场景中船舶航行的目标。(3)建立船舶位置和姿态的运动方程,利用分离建模思想分析船舶航行时的受力情况,从而确定船舶运动的理论数学模型,用于船舶运动仿真计算,最终得到船舶姿态参数和运动轨迹。并在视景仿真软件中调用C++编写的船舶运动数学模型的解算函数,把操纵主控板采集到的操纵信号作为函数的输入参数,实时解算出船舶各自由度的运动数据,使视景软件中的船舶运动姿态与真实船舶相同。(4)将视景系统与实验室现有的船舶操纵驾驶台进行通讯,利用双通道投影将视景画面在球幕上进行拼接,实现了多通道视景融合成大视场角进行显示,增添了视景画面的沉浸感。并通过视景系统完成实船运动状态复现的实验,实现了虚拟视景与实际应用相结合的目标。

关键词：船舶模拟器视景仿真实时交互操纵主控板船舶运动数学模型

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