基于萬維引擎的游艇駕駛虛擬仿真系統研發

李超，陳哲，潘義川

（山東交通學院，濟南 250300）

1 引言

虛擬仿真技術在早期主要應用于船舶駕駛模擬，近些年由于虛擬技術發展在游艇的仿真也取得相應進展，如姜文剛通過對高速游艇的運動和姿態以及舵機、主機，進行了建模和計算機仿真。結合高速游艇船體等實物,搭建了半實物的高速游艇模擬駕駛實時仿真系統[1]；半實物仿真系統由于研發周期和造價高昂在滿足日漸加速發展的虛擬現實技術需求方面明顯不足。多自由度模型是進行游艇虛擬設計時較為重要的步驟。目前我國建立高速滑行艇前進、升沉、縱搖三自由度運動模型并進行運動預報與仿真[2]，正橫規則波四自由度模型[3]等，隨著近幾年虛擬現實技術的快速發展，適合快速發展的桌面式和沉浸式環境下的游艇駕駛操縱仿真系統能夠解決游艇多自由度運動的問題，在復雜運動表達方面具有快速更改、編程簡易的優勢。

2 游艇駕駛系統開發平臺

Unity與萬維引擎：

Unity是由Unity Technologies開發的讓用戶根據自身需求開發互動內容的多平臺的綜合型開發平臺，是一個全面整合的專業開發虛擬系統的引擎[4]。

萬維引擎是一款基于Unity環境開發的虛擬現實軟件開發平臺，其打破了傳統的計算機編程開發模式，通過使用C#編程語言將抽象的基本操作功能指令轉化為具體的功能指令，將功能指令存儲于表格中，進行虛擬開發時是通過Excel中編輯功能文本指令，軟件運行通過表格驅動讀取對應文本功能。

3 游艇駕駛系統整體設計

此游艇駕駛仿真系統應具有以下基本功能：模擬游艇的運動姿態；模擬游艇在威海小石島附近的三維場景；模擬主機、舵機運行以及相關儀器儀表；接近真實的原比例駕駛操縱臺，可供用戶借助外部設備進行沉浸式操作；應具有操作流程交互提示。

4 游艇運動數學模型

4.1 游艇五自由度運動方程

按船舶質心運動定理和相對質心運動的動量矩定理[5]：對于動系，有：

忽略縱搖，寫成投影式，建立游艇五自由度的運動方程式：

4.2 游艇橫搖垂蕩運動方程

根據自由橫搖的固有周期計算公式[6]，一般游艇橫搖慣性力矩 M（）為：

游艇橫搖阻尼系數由試驗取得其靜水橫搖阻尼，再使用經驗公式修正游艇的橫搖阻尼力矩為：

根據滑行原理可知[7]?？梢缘玫接瓮У臋M搖恢復力矩計算

對于橫搖波浪主擾動力矩,參照常規船舶橫搖波浪主擾動力矩的計算方法,得到滑行艇橫搖波浪主擾動力矩MW的一般表達式

將幾式聯立得出游艇在規則波中橫搖運動方程：

船舶在水面運動受到的外界力使船舶在縱向運動一般表現為垂蕩和縱搖，而縱搖一般靜水域和正常情況下是非常微弱的，因此只討論垂向運動。

在創建垂蕩運動數學模型時依舊采用切片理論，在垂向運動上的力分為三種：恢復力、阻尼力、慣性力。

由船體運動而產生在整體上的垂蕩力Fz，將上述各力乘以X（從船長到船尾）所得力矩：

根據牛頓第二定律，慣性力和外力平衡，船體的垂蕩運動方程為：

聯立公式（8-9）和垂向力得到以下垂蕩運動方程：

式中：zs為垂蕩時的船體在z軸的位移；Azz為垂蕩時的船體附連質量；Bzz為垂蕩時的船體阻尼力系數；Czz為垂蕩時的船體恢復力系數；Fzc為波浪擾動力的余弦分量；Fzs為波浪擾動力的正弦分量。

4.3 游艇降速橫傾

游艇回轉橫傾參考船舶回轉運動，回轉降速采用慣性環節模擬柴油發動機轉速方法得出游艇操縱桿給定轉速與n實際轉速y傳遞函數以此為根據建立游艇理想條件下給定航速v與實際航速yv的傳遞函數降速模型

5 游艇駕駛模擬

5.1 游艇操控設備

此虛擬系統的游艇操控設備主要通過車鐘、舵輪、側推器等組成。

圖1 虛擬操控駕駛臺

5.2 游艇駕駛虛擬儀表

本虛擬駕駛分系統基于真實物理模型建立虛擬操控設備應用Unity環境下的GUI系統進行設計。

主機儀表主要是對虛擬游艇主機的運行狀態進行模擬，主要包括主機的水溫、油壓、轉速、運行時間和報警五個方面進行模擬。

磁羅經主要應用于實時指示船體的方位，通過獲取船體的方位傳遞給磁羅經顯示給操作用戶。獲取船體角度并進行計算得出船體的方位變化在此同時將方位變化賦值給建立好的磁羅經物理模型。

舵角指示器用于在進行改變航向時，反饋舵葉的轉動角度。由于將舵葉的實際角度與舵角指示的顯示角度誤差忽略不計，通過函數獲取角度與設置角度值，具體C#語句為：float indicator.transform.rotate.z=rudder.transform.rotate.z。

5.3 游艇運動系統模擬

在虛擬系統中通過外部設備控制虛擬操控物理模型（外部設備主要是鼠標鍵盤和HTC VIVE虛擬設備），實現真實的駕駛流程與虛擬操縱過程模擬。通過以上外部設備的觸發函數調用對應的響應型數學模型完成對游艇運動數學模型的模擬與表達。整個運動系統包含直航運動模擬、回轉運動模擬、橫搖垂蕩運動模擬。

6 系統測試

系統硬件主要是臺式計算機主機、鼠標鍵盤與高清顯示器和HTC Vive進入駕駛模式，開啟左右主機儀表、啟動左右主機，進車操舵在無障礙區域直線航行，分別測試船體航速在3m/s、6m/s、12m/s時的橫搖與垂蕩。以下為直航時相對某時段特定幀率下3m/s時的橫搖與垂蕩實驗仿真數據。

圖2 3m/s時的橫搖仿真曲線

圖3 3m/s時的垂蕩仿真曲線

最大航速25節時，滿舵35度右舷回轉操縱時的回轉軌跡仿真曲線。

定?；剞D直徑：D=176m；相對回轉直徑：D/L=176/22=8m；戰術直徑：=180m，戰術直徑與定常回轉直徑的比值為/D=1.02；正橫距：=92m

圖4 回轉軌跡

7 總結

研究建立了虛擬環境下的游艇五自由度運動方程、游艇橫搖與垂蕩、游艇回轉橫傾與減速運動特征，針對操縱設備、虛擬儀表、運動模擬，建立了游艇虛擬操縱平臺，并通過萬維引擎與Unity實現整個駕駛模擬操縱系統的開發。