救助船模擬器原型機關鍵技術研究

陳　卓，張曉磊，熊　偉，王志文

（大連海事大學 船舶機電裝備研究所，遼寧　大連 116026）

救助船模擬器原型機關鍵技術研究

陳卓，張曉磊，熊偉，王志文

（大連海事大學 船舶機電裝備研究所，遼寧大連 116026）

針對大風浪條件下救助船操縱訓練的要求，有必要開發(fā)針對救助船的操縱模擬器。相比于傳統(tǒng)的通用船舶模擬器，救助船模擬器原型機系統(tǒng)中引入六自由度平臺運動系統(tǒng)，基于UDP協(xié)議傳輸船舶姿態(tài)數(shù)據(jù)實現(xiàn)實時體感模擬功能，可以模擬船舶在大風浪條件下劇烈搖動的操船環(huán)境，提高模擬訓練的真實感。此外，系統(tǒng)中引入救助作業(yè)模擬模塊的思想，可以更好地評估、訓練船員在惡劣海況下配合其他救助人員完成救助任務的能力，提高執(zhí)行海上救助任務的成功率與效率。

船舶模擬器；體感模擬；救助船；救助作業(yè)模擬

0　引　言

海上救助是一個國家應急保障體系的重要組成部分，通過日常訓練提高救助人員的專業(yè)素質與經(jīng)驗是一項刻不容緩的社會責任。而其中救助船駕駛員的操船技能對于提高救助效率與成功率有著重要影響，因此救助船員的日常訓練具有不言自明的必要性。然而普通的海上實船訓練成本高，訓練的環(huán)境也很難復現(xiàn)海上救援的實際環(huán)境［1］，而在陸上使用模擬器進行仿真訓練具有效率高、成本低的優(yōu)點。

從 1970 年荷蘭 Wageningen 船舶模型實驗室的第一臺操縱模擬器建成起經(jīng)過數(shù)十年，目前船舶模擬器已經(jīng)廣泛應用于船員的培訓與教學，相關技術也得到了不斷發(fā)展，挪威船級社（DNV）對船舶模擬器也制定了系統(tǒng)的分類標準。然而救助船有別于普通船舶，其出航環(huán)境、所執(zhí)行任務具有很大特殊性，因此相比于普通船舶，救助船模擬器也應具有特殊要求，開發(fā)一套針對救助船的操縱模擬器具有重要的現(xiàn)實意義。大連海事大學船舶機電研究所目前開發(fā)的 THESIS 型救助船模擬器原型機，應用分布式仿真的思想開發(fā)了船舶操縱模塊、視景軟件模塊、虛擬儀表模塊、電子海圖模塊、六自由度運動平臺體感模擬模塊與救助作業(yè)模擬模塊。

1　模擬器系統(tǒng)框架

1.1系統(tǒng)設計目標

救助船模擬器除了要滿足通用船舶模擬器的視景系統(tǒng)、操縱設備、電子海圖/儀表等基本要求外，針對救助船這一特殊對象，還必須要滿足以下特殊要求。

首先，飛行、汽車等模擬器由于模擬對象具有較為劇烈的運動變化，為提高真實感需要在系統(tǒng)中引入運動平臺實現(xiàn)實時體感模擬［2-3］。而船舶在通常出航環(huán)境下運動相對平穩(wěn)，因此傳統(tǒng)船舶模擬器大多完全依靠視景畫面的變化給操船者以船舶搖擺的錯覺，利用體內平衡使人能夠跟隨視景畫面產(chǎn)生一定的搖擺，并感受到一定程度的眩暈、嘔吐等生理反應。挪威船級社在對船舶模擬器的定義與分級中，對于體感模擬也沒有明確的要求［4］。但是日本神戶大學學者通過實驗證明，通過畫面運動對人產(chǎn)生的感覺十分有限，在船舶駕駛模擬訓練中，通過引入六自由度運動平臺復現(xiàn)船舶搖擺，可以讓操船者產(chǎn)生生理與心理上無意識的反應，提高訓練真實感［5］。而救助船在出航執(zhí)行救助任務時，多處于惡劣天氣海況條件下，此時船舶搖擺非常劇烈。為了訓練船員在這種環(huán)境中的操船能力，更加有必要在模擬器中引入運動平臺，根據(jù)解算出來的搖擺角度實時復現(xiàn)船舶姿態(tài)，實現(xiàn)體感模擬。

其次，救助船作為救助體系中的一員，并非獨立執(zhí)行航行任務，而是服務于救助作業(yè)的開展。因此需要模擬器系統(tǒng)不僅可以模擬船舶的駕駛操作，還需要引入救助作業(yè)模擬的思想，將兩者結合起來，評價船員的操船表現(xiàn)是否能夠配合其他環(huán)節(jié)高效率地完成救助任務，并根據(jù)評價結果進行更有針對性的訓練，提高船員的專業(yè)技能。

1.2系統(tǒng)整體框架

系統(tǒng)采用分布式的仿真結構，將 4 臺執(zhí)行不同任務的計算機通過千兆網(wǎng)絡交換機在局域網(wǎng)內連接起來，進行數(shù)據(jù)通信。其中視景計算機作為服務器，是系統(tǒng)的核心部分，船舶的運動模型也集成在視景軟件中。視景軟件通過 RS-232 串口接收操縱設備的操船信號后，經(jīng)過運動模型實時解算出船舶位姿，并驅動視景畫面運動。同時將船舶位姿、狀態(tài)數(shù)據(jù)在局域網(wǎng)內采用 TCP/IP 協(xié)議發(fā)送給儀表計算機、海圖計算機、運動平臺控制計算機以實現(xiàn)各自的功能。系統(tǒng)框架如圖1所示。

2　救助船模擬器關鍵技術

相比于通用船舶模擬器，救助船模擬器的關鍵技術主要有基于運動平臺的實時體感模擬與救助作業(yè)模擬。

圖1　系統(tǒng)框架圖Fig.1　Framework of system

圖2　船員模擬體驗原理圖Fig.2　Functional diagram of crews' training

2.1運動平臺體感模擬

體感模擬是用計算機軟件生成特定的激勵信號去驅動六自由度運動系統(tǒng)來產(chǎn)生救助船實際運行過程中所具有的運動現(xiàn)象的實時仿真系統(tǒng)。它能提供船舶航行過程中船員所能感受到的動感信息，配合視覺、操縱上模擬的感覺，使得船員能夠更加真實的體驗船舶在惡劣海況下劇烈搖擺的操船環(huán)境。

六自由度平臺可以在設計范圍內復現(xiàn)空間 6 個自由度的運動，采用并聯(lián)式結構，其位姿由 6 個電動缸的伸縮量決定，而電動缸的伸縮量又由 6 個電機的旋轉角度決定，因此控制平臺運動實質為：通過運動控制器向電機伺服驅動器發(fā)送特定的脈沖，再由伺服驅動器驅動電機轉動。目前系統(tǒng)采用基于 PCI 總線的運動控制卡，該控制卡提供了控制卡初始化、脈沖模式設置、運動控制等大量基于 C++編寫的運動控制函數(shù)，在編程時不需要了解控制卡硬件電路以及運動計算的細節(jié)，調用這些庫函數(shù)即可實現(xiàn)高精度的控制［6］。六自由度平臺運動系統(tǒng)如圖3 所示。

體感模擬的要求在于以下 2 點：1）能夠真實的按照某型解算結果復現(xiàn)船舶運動；2）是能夠盡可能的保持與視景畫面運動的同步，即保證平臺運動系統(tǒng)對于外部信號的實時跟隨性。運動平臺系統(tǒng)與視景計算機之間通過以太網(wǎng)連接，基于 TCP/IP 協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，為保證實時性，在傳輸層采用傳輸速度快的 UDP協(xié)議。

圖3　六自由度平臺運動系統(tǒng)Fig.3　6-DOF motion platform system

運動平臺實時復現(xiàn)對人體感官影響較大的橫搖、縱搖 2 個運動。模擬器原型機目前采用的運動平臺設計運動范圍有限，無法等值復現(xiàn)船舶運動，因此采用等比例縮小的方式，目的在于檢驗數(shù)據(jù)發(fā)送方式與平臺控制系統(tǒng)的響應速度能否滿足要求。實驗測試平臺運動的跟隨性曲線如圖4 所示，實驗結果表明，平臺運動復現(xiàn)的實時跟隨性可以滿足要求。

圖4　運動平臺跟隨性曲線Fig.4　Platform's motion following external data

圖5　視景軟件圖Fig.5　Diagram of visual simulation software

2.2救助作業(yè)模擬模塊

救助作業(yè)模擬模塊集成于視景軟件中，其實質是在系統(tǒng)中除船橋視景之外，單獨渲染出一個視點位置、方向可變的視景通道，在這個通道中，進行如撇纜、拖帶、滅火等救助作業(yè)的可視化仿真。通過這種方式可以直觀地評價船員操船配合救助任務執(zhí)行的能力，以此為根據(jù)有針對性地加強其訓練項目。

模擬器視景軟件基于 Vega Prime 進行開發(fā)，它是Multigen 公司開發(fā)的跨平臺的三維視景仿真開發(fā)工具。它將易用的工具和高級仿真功能巧妙地結合起來，從而可使用戶簡單迅速地創(chuàng)建、編輯、運行復雜的仿真應用［7］，而通過其內部的海洋模塊也可以十分方便地生成救助船模擬器所需要的虛擬海洋環(huán)境［8］。對于救助作業(yè)可視化仿真所需要的特殊效果或基本圖形元素，無法直接應用 Vega Prime 提供的模塊實現(xiàn)，因此需要基于其提供粒子系統(tǒng)或使用 OpenGL 進行混合編程的方式進行二次開發(fā)。視景軟件如圖5 所示。

3　結　語

針對救助船駕駛員訓練的特殊要求，本文提出了2 點針對救助船模擬器的關鍵技術：基于運動平臺的體感模擬技術與救助作業(yè)模擬模塊。通過這 2 項功能的引進，可以更好地評價、訓練船員在惡劣海況下操縱船舶配合完成救助任務的能力，以此提高海上救助的成功率與效率。

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Research on the key technique of rescue ship simulator prototype

CHEN Zhuo，ZHANG Xiao-lei，XIONG Wei，WANG Zhi-wen
（Ship Electromechanical Equipment Institute，Dalian Maritime University，Dalian 116026，China）

In order to adapt the need of simulated training of marine rescue，it is necessary to develop the ship simulator that aimed at rescue ship.Compared with traditional simulator for normal ship，the function of proprioceptive is achieved by introducing a 6-DOF motion platform，and the motion data of rescue ship is transmitted to the platform system based on UDP protocol，by which means the swaying handling circumstance can be simulated to improve the reality of training.Besides the module of rescue operation simulation are introduced into the system，by which the crew of rescue ship can be evaluated and trained better to improve their ability of steering in terrible sea state and working in coordination with other personnel to complete the rescue mission.By this mean the success rate and efficiency can be improved.

ship simulator；proprioceptive；rescue ship；rescue operation simulation

U661.74

A

1672-7619（2016）06-0114-04

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.06.023

2015-09-29；

2015-11-05

國家科技支撐課題資助項目（2014BAK05B06）；交通運輸部建設科技重點資助項目（2013328225080）；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助項目（3132014303）

陳卓（1991-），男，碩士，研究方向為虛擬現(xiàn)實、船舶模擬器。