基于虚拟现实技术的船舶运动仿真.pdf

总第157期舰船电子工程Vol.27No.1

年第期
20071ShipElectronicEngineering114

基于虚拟现实技术的船舶运动仿真3

何金花叶瑰昀王莺

(厦门大学信息科学与技术学院厦门361005)

摘要虚拟现实技术是目前国内外最热门的仿真技术之一,由于其有着高效、安全和低成本等特点越来越受到各国
的重视。介绍了在虚拟环境下的船舶运动仿真的可行性方法。首先用二维半切片法给出了船舶运动的方程,接着用3D
Max软件建立船舶的模型,最后在OpenGL环境中建立场景进行船舶的运动仿真。仿真场景有着较好的感观效果,给人以
真实性,同时系统有着较好的可控性。对船舶运动仿真的进一步研究有着重要的作用。
关键词船舶运动;虚拟现实;仿真
中图分类号TP391.9

模型即1896年克雷洛夫首先提出了船舶在规则波
1引言上的运动方程,该方程实际上是质点振动方程[2]。
哈斯金特应用格林定理构造出由于船体存在和运动
虚拟现实即VR(Virtualreality)技术,它是在
引起的扰动速度势并推导了点源格林函数的表达
现代科学技术如计算机图形学,图像处理与识、计,
算机仿真技术、人机接口技术、实时分布处理技术、式。按边界条件的提法,最终得到求解速度势的积
[3]
数据库技术、多媒体技术、多传感器技术和人的行分方程,并用“窄船理论”进一步解出此方程。科
为学研究等的基础上发展起来的一门交叉科学技文一克劳科夫斯基和雅可布,提出的切片理论也使
术。虚拟现实技术有三个基本特征[1],他们分别耐波性理论得到了迅速发展,使得在船舶设计阶段
是沉浸感(Immersion),交互性(Interaction)和想象可以对各种方案进行比较。切片理论有可以分为二
(Imagination)。目前虚拟现实系统可分为四个层维切片,二维半切片和三维切片。本文采用高速细
次:桌面式,沉浸式,增强式和网络分布式。本文是长法(二维半切片法)来构建船舶得运动模型。
基于桌面式的仿真。当船舶以航速U在深水规则波中迎浪前进,
国内外船舶仿真模拟器都有了较大的发展,如建立随物体平动的直角坐标系o-xyz,oxyz平面与
挪威,英国,美国,日本等都已经建立的较为完善的静水面重合,ox轴与U同向,oz轴垂直向上。考虑
船舶模拟系统,并且已广泛应用于航海教育和船员流场稳态解,速度势可写为:
培训之中并在港口与航道的工程设计和方案论证
,Φ(x,y,z)=U(-x+<s)
ω
等领域中得到了广泛的应用。采用高性能的PC+Re[<(x,y,z)ejt](1)
机,将虚拟现实技术用于船舶仿真系统的开发,已
其中<s为定常波势,<(x,y,z)为不定常势。在线性
成为模拟器研究与开发的主流,该系统可达到实假设下,<(x,y,z)可以写成:
用、安全、高效和低费用的目的。本文将虚拟现实6
()()ξ()
技术应用于船舶运动的实时动态仿真中,该系统可<x,y,z=A<0+<7+∑j<j2
j=1
将船舶运动情况,以三维图像形式表现出来,不仅
式中<j(j=1～6)表示船体以j态单位振幅运动
极大地增强了用户与系统的交互友好性,而且为进
的辐射势,ξj为其振幅;A为入射波波幅,<0和<7
一步开发船舶运动模拟器奠定了坚实的基础。
为单位波幅的入射波势和绕射势。辐射势<j(j=1
～6)和绕射势<在流体域中要满足拉普拉斯方
2船舶运动的数学模型7
程,在自由面满足有航速的线性自由面条件,在物
船舶的运动模型有很多种,从最初的单点运动面的平均位置处满足船体表面的法向不可穿透的

3收稿日期:2006年5月24日,修回日期:2006年6月19日
作者简介:何金花,硕士,控制理论与控制工程专业,主要从事虚拟现实仿真技术的研究。
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条件。在无穷远处满足有适当的辐射条件。建模指的是对基本的长方体,圆柱体,球体等进行

求解<j(j=1～6)和绕射势<7完全满足上述编辑成型的方法。事先收集一下轮船的设计图纸,
的定解条件的解,就是三维有航速的船舶定解问题。这样对船的尺寸会更加准确,在编辑各个面时会更
为了求解上述船舶的定解问题,结合高速细长加自如。
船体的流动特性和几何特性,可以用二维半理论来首先建立半个船头。先建立一个长方体,大小
求解。假设航速较高,满足船前无波的条件,此时要与事先设计好的船尺寸成比例,把它转换成可编
ωU2辑多边形,用快速切割的方法把长方体按照船头的
Brard数:τ=m,流场沿纵向的变化不大,
g27各方位视图进行切割。用编辑顶点的方法对所做的
在船体的各剖面内满足二维的拉普拉斯方程。这是图形进行调整。用同样的方法编辑船尾。把船头和
常规的二维切片法。同时在线性的自由位置处,流场船尾进行合并,删去中间的端面(为了保证船的大小
的