基于Vega和VC＋＋艦艇運動視景仿真系統實現＊

李春風 唐世軒

（91388部隊91分隊 湛江 524022）

1 引言

依托虛擬現實技術而產生的視景仿真技術為研究艦艇的運動提供了一種新的方法。艦艇運動視景仿真技術能夠方便地研究艦艇的各種運動，對艦艇運動控制器的各種控制算法的有效性進行評價和檢驗，提供合理的算法和參數，實現減少海上試驗次數，降低試驗成本，縮短開發周期，優化控制系統的目的［1］。艦艇運動視景仿真技術以其優質的圖形界面和生動的場景改變了以往數值仿真中只有專業人員才能看懂的局面，對知識的通俗化和普及也有著極其重要的價值。

本文主要研究艦艇運動響應的可視化問題。以艦艇運動數學模型理論為基礎并使用視景仿真技術來模擬艦艇在海浪中的運動，將艦艇的數值仿真轉換到圖像的可視化仿真，使仿真系統更加真實易懂。本仿真系統設計的目的就是將艦艇運動仿真的結果以虛擬現實的方式形象、逼真地再現出來，讓人們能以最直觀的方式感受到艦艇在海浪中是如何運動的。

2 艦艇運動數學模型的建立

艦艇在波浪中的運動是一種復雜的多自由度的運動，本文忽略了前進、橫移、轉艏運動與垂蕩、橫搖、縱搖運動之間的耦合，取附體坐標系原點在艦艇重心，建立二自由度艦艇運動線性數學模型如下

其中Izz為船體對Z軸的慣性矩，Yv、Yr、Nv、Nr、Y˙v、Y˙r、N˙v、N˙r、Yδ、Nδ為流體 動力導 數，m為艦艇排水量，δ為舵角。

舵機伺服系統的模型，可以被視為一階慣性環節，其時間常數為Tr，則有

其中δr為命令舵角。

由式（1）、式（2）和下述艦艇運動數學模型的輔助方程（3）即可進行仿真。

本文中的艦艇數學模型主要是求出每一時刻的艦艇運動參數v、r、δ、ψ、x0、y0為輸出的一階常微分方程組。為了便于計算機求解，將上面建立的動力學模型無因次化并變形如下：

其中

3 視景仿真系統設計

3.1 系統要求

為了使所開發的視景仿真系統能夠更好的方便用戶使用，對該視景仿真系統的設計提出了以下要求：

1）具有良好的逼真度和實時性，具有逼真的海浪、天空環境及聲音效果；

2）提供多通道顯示功能，使用戶能同時觀看多個部件運動姿態和全局態勢；

3）能夠進行視點切換，多角度、多方位觀看艦艇運動姿態；

4）能夠在屏幕上動態顯示艦艇實時的位姿信息；

5）提供友好、易操作的人機界面。

3.2 軟件開發環境

目前流行的三維建模軟件有Maya、3DSMAX、AutoCAD、Creator等，視景軟件有 OpenGL、IRIS Performer、Vega、OpenGVS等。可視化仿真系統三維模型數據庫應當以滿足系統的實時性和交互性為基本特征，而采用傳統的三維模型數據庫如3DSMAX、CAD等雖然能夠建立精確、完整、逼真的數據模型，也可以在可視化仿真應用中使用，如文獻［2～3］分別開發了基于3DSMAX的艦艇三維運動仿真系統，但是在實際應用中操作起來比較麻煩，而且仿真效率也比較低。文獻［4～5］雖然開發了基于Creator／Vega的的艦船運動視景仿真系統，但是仿真功能單一，交互性不強，不具有視點切換和多通道顯示功能。

Multigen-Creator建模軟件在設計理念上完全針對實時仿真要求，獨創了用于描述三維虛擬場景的層次化數據結構—OpenFlight數據結構，特別適合于圖像生成器對其進行實時的渲染操作［6］。視景仿真軟件Vega是美國MultiGen-Paradigm公司推出的用于虛擬現實、實時視景仿真、聲音仿真以及其它可視化領域的世界領先級應用軟件工具。包括友好的圖形環境界面LynX、完整的C語言應用程序接口API、豐富的相關實用庫函數和一批可選的功能模塊，能夠滿足多種特殊的仿真要求［7］。特別是提供的海洋模塊，對艦艇運動仿真提供了極大的便利條件。

Visua1C＋＋6.0中的 MFC（Microsoft Foundation Class）類庫已是一個相當成熟的類庫，其中基于文檔／視圖結構的應用程序框架，已成為開發Windows應用程序的主流框架結構。該框架結構能夠將程序中的數據和顯示部分進行有效的隔離，并能將一個文檔類對象與多個視圖類對象進行對應，應用MFC類庫是Windows平臺下開發具有良好圖形用戶界面應用程序的方便途徑，因此，作者選擇了基于MFC的開發環境。

3.3 視景仿真系統整體方案的確定

根據視景仿真系統的要求，確定仿真系統整體方案流程圖，如圖1所示。根據艦艇數據和圖像建立艦艇三維實體模型，形成 Warship.flt文件，將Warship.flt文件導入到Lynx圖形界面，在Lynx圖形界面中進行初始化設置：配置天空和海洋環境，添加尾跡、艏浪、冒煙等特殊效果，添加聲音效果等；編制VC＋＋、Vega主程序，采用龍格－庫塔法對艦艇運動數學模型進行解算，將解算結果加載到艦艇模型上。

圖1 仿真系統整體方案流程圖

3.4 艦艇三維建模

視景仿真系統中，模型建立無疑是最基礎的部分，在滿足實時渲染的基礎上，應盡可能提高模型的逼真度，模型建立的精確程度，直接關系到視景系統的真實性。

艦艇主體采用MultiGen-Creator軟件的面、體、拉伸和放樣等工具繪制，繪制的時候主要部位應建立獨立的節點以便于程序對其控制。對于活動部件，如舵、減搖鰭和螺旋槳等，應將其放入DOF節點下并設置自由度范圍。模型建好后，可利用Creator的優化工具進行優化，在保證效果的情況下，盡量減少面的數量，以提高渲染速度，保證刷新頻率。建好后的艦艇模型及OpenFlight層級結構見圖2。

3.5 三維海洋環境的建立

模擬海洋狀態是Vega軟件一個專門的應用模塊，它包括當前海上運動所必需的一些特點，例如：動態和靜態海洋模型中的動態學效果、域矢量特點以及海洋的特技效果［8］。

圖2 艦艇模型及OpenFlight層級結構圖

在Vega海洋模塊中定義每個Ocean都包含動態和靜態兩個部分。宏觀的海洋是靜態的，但是也可把Observer和靜態海洋之間的海域定義為動態的，能夠模擬海浪效果。圖3表示一個動態海洋和靜態海洋之間的關系示意圖。

圖3 動態海洋和靜態海洋之間的關系

為節省系統資源，在觀察者一定視野范圍內顯示動態的三維海浪，其它區域使用紋理顯示的靜態海面，并根據天氣、海情動態調節海洋的顏色及顯示效果。三維海洋場景的建立需要和海洋環境對象類相匹配，才能表示真實的場景環境，可以利用Vega下海洋環境的屬性參數實時改變海情狀態、波浪的高度和方向角。

3.6 軟件設計

仿真系統的軟件設計是整個系統的核心與基礎，它的性能的好壞以及工作可靠與否將直接影響整個系統的工作性能和可靠性。因此軟件設計是整個設計過程中一項重要的工作。

3.6.1 軟件實現框架

圖4 軟件實現框架流程圖

軟件采用基于MFC的類層次結構下，建立Vega的基本程序框架，其工作原理為：利用ADF文件進行初始化設置；編寫仿真程序，調用初始化系統和模塊的函數；讀入ADF文件中的數據并裝載相關的數據庫，創建并配置類的實例；完成初始化，調用幀循環函數，執行相關功能的程序以渲染、刷新場景。軟件實現框架見圖4。

3.6.2 軟件程序設計

MFC框架下的Vega應用程序主要有兩種方法，分別為：修改由向導生成的主視圖類創建Vega應用程序和用Vega提供的zsVegaView類創建Vega應用程序。本文采用修改主視圖類開發MFC的應用程序。

在Windows環境下Vega圖形繪制工作由一個獨立線程進行，MFC把線程分為兩類：用戶界面線程和工作者線程。用戶界面線程一般用于處理用戶輸入事件并對事件做出響應，實現線程的代碼中含有消息循環。工作者線程與用戶界面無關，主要用于各種耗時的計算量大的場合。Vega系統需要實時地進行渲染循環，這是個非常耗時的計算過程，因此創建單獨的工作者線程來完成Vega渲染任務是恰當的。CWinThread類提供的用于創建工作者線程的函數為：AfxBeginThread（），該線程控制函數必須聲明為如下所示的形式：

因此，為了實現單獨的Vega線程，還應在主視圖類中加入一個線程控制函數runVegaProc（），在其中完成系統初始化、定義、配置和幀循環。其中將初始化函數vgInitSys（）替換成為以當前視口的句柄為參數調用的vgInitWinSys（）；使Vgea繪制區附于應用程序客戶區。

創建完線程函數之后，加入一個Vega啟動函數，其目的是以當前視口句柄為參數調用AfxBeginThread（）函數來啟動Vega繪制線程。

修改幾個自動生成的視類的成員函數，在構造函數CTest2View（）中進行必要的變量初始化，在析構函數～CTest2View（）中加入已創建的停止Vega運行的函數stopVega（）；修改PreCreate－Window（）函數以更改默認窗口的樣式；添加WM＿SIZE消息處理函數，以保證Vega窗口與視窗口大小一致。

在視圖類添加成員函數RungeKutta（floatt，float＊y，float＊Y1，float＊f），其中y為狀態變量，Y1為控制變量，f為微分方程；在此函數中加入式（4）所建立的微分方程組。添加 Windows消息處理函數OnTimer（UINT nIDEvent），在其中應用龍格－庫塔法對微分方程組進行求解，從而得出每一時刻的艦艇運動參數v、r、δ、ψ、x0、y0。

4 仿真結果

圖5、圖6是本文所開發的艦艇運動視景仿真系統的仿真效果截圖，首先通過參數輸入對話框設置艦艇運動的初始參數，通過多通道顯示菜單可以看到舵、螺旋槳的運動姿態；視點切換菜單可以切換觀看的角度和位置；海情選擇、海面效果和顯示控制菜單可以動態改變海情、海面效果和環境效果；數據顯示和曲線顯示菜單可以實時顯示仿真數據及曲線；狀態欄實時顯示艦艇位姿。

圖5 數據顯示及正視效果圖

圖6 曲線顯示及繞船觀察效果圖

5 結語

本文建立了二自由度艦艇運動數學模型并結合舵機模型和輔助方程用以研究艦艇的操縱運動，采用Creator軟件建立了三維艦艇實體模型，運用虛擬現實技術開發了艦艇操縱運動的視景仿真系統，實現了具有真實感的、隨時間變化的艦艇操縱運動實時動態仿真，取得了理想的動畫演示效果，為進一步開發艦艇操縱模擬器奠定了基礎。

［1］卞鋼，劉寅東.基于3dsmax的船舶三維運動仿真［J］.計算機仿真，2004，22（5）：216～218

［2］劉亞東，李晗，譚家華.船舶運動仿真系統的開發［J］.華東船舶工業學院學報（自然科學版），2005，19（5）：15～19

［3］梁永恩，鄒勇，丁方頤.Creator／Vega及其在船舶航行視景仿真系統中的應用［J］.應用科技，2005，32（4）：37～39

［4］何金花，彭俠夫，王鶯.船舶運動視景仿真系統研究［J］.計算機仿真，2007，24（8）：198～200

［5］王乘，周均清，李利軍.Creator可視化仿真建模技術［M］.武漢：華中科技大學出版社，2005：7～8

［6］龔卓容.Vega程序設計［M］.北京：國防工業出版社，2002

［7］沈寧，王新民，李儼.基于Creator／Vega的空中加油視景仿真系統［J］.系統仿真學報，2008，20（20）：5569～5572

［8］王乘，李利軍，周均清，等.Vega實時三維視景仿真技術［M］.武漢：華中科技大學出版社，2005

［9］劉勝，李高云，方亮.船舶航向／橫搖魯棒容錯控制研究［J］.大連海事大學學報，2009，11：4～8

［10］楊滌，李立濤，楊旭，等.系統實時仿真開發環境與應用［M］.北京：清華大學出版社，2002

［11］應業炬.船舶快速性［M］.北京：人民交通出版社，2007

［12］張桂臣，任光.船舶航跡復合預測控制模型［J］.交通運輸工程學報，2007，7（6）：41～45