基于Unity3D的船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)虛擬仿真設(shè)計(jì)

李建偉

應(yīng)用研究

基于Unity3D的船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)虛擬仿真設(shè)計(jì)

李建偉1, 2

（1. 青島港灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院，青島 266404；2. 船舶動(dòng)力工程技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(武漢理工大學(xué))，武漢 430063）

以某電力推進(jìn)科考船為母型，在分析電力推進(jìn)結(jié)構(gòu)和原理的基礎(chǔ)上，提出基于Unity3D的虛擬仿真設(shè)計(jì)，并介紹系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵技術(shù)。仿真結(jié)果表明：該設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)虛擬場(chǎng)景的漫游控制、部件檢查、人機(jī)交互等功能，其生成的可執(zhí)行程序有助于電力推進(jìn)系統(tǒng)的操作和培訓(xùn)。

船舶電力推進(jìn) 虛擬仿真 Unity3D

0 引言

船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)以其機(jī)動(dòng)性好、布局靈活等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于大型集裝箱船、超大型散貨船、LNG船、客運(yùn)滾裝船、破冰船、挖泥船等領(lǐng)域。羅成漢利用Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)設(shè)計(jì)船舶電力推進(jìn)模擬平臺(tái)，對(duì)船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)、制動(dòng)和緊急反轉(zhuǎn)進(jìn)行仿真，分析了三種工況下推進(jìn)電機(jī)對(duì)電網(wǎng)的沖擊[1]；秦俊峰等在空間矢量調(diào)制直接轉(zhuǎn)矩控制算法的基礎(chǔ)上利用MATLAB/Simulink建立船舶電力永磁同步推進(jìn)電機(jī)的仿真模型，分析了電力推進(jìn)船舶的額定負(fù)載起動(dòng)、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩突變及低速運(yùn)行性能[2]；宋春楠采用PI模糊控制對(duì)船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中螺旋槳負(fù)載進(jìn)行模擬研究，分析了螺旋槳的三種典型轉(zhuǎn)矩特性，并結(jié)合最小二乘法對(duì)螺旋槳特性曲線進(jìn)行曲線擬合[3]。

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的虛擬仿真研究逐漸展開，但尚未成熟。王成睿利用 Java3D 虛擬現(xiàn)實(shí)軟件平臺(tái)，搭建了吊艙式電力推進(jìn)器的虛擬場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)了推進(jìn)器的虛擬漫游和操控[4]；欒成利用Visual C++6.0 及Open GL對(duì)船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行三維建模，實(shí)現(xiàn)了船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)各部件的模型展示和初步交互[5]。鑒于此，本文利用Unity3D虛擬現(xiàn)實(shí)編輯平臺(tái)，對(duì)船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行虛擬仿真設(shè)計(jì)。

1 虛擬仿真的方案設(shè)計(jì)

基于Unity3D的船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)虛擬仿真設(shè)計(jì)旨在借助Unity3D虛擬現(xiàn)實(shí)編輯平臺(tái)塑造一種可在液晶屏上演示和操作的虛擬人機(jī)交互系統(tǒng)，其演示和操作內(nèi)容涵蓋了船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的相關(guān)理論知識(shí)和實(shí)踐技能，系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程如圖1。

圖1 虛擬仿真構(gòu)建思路

系統(tǒng)設(shè)計(jì)首先整理和分析船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的各組成部分、動(dòng)作原理和操作流程，并結(jié)合實(shí)船調(diào)研資料分析出系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需的數(shù)學(xué)模型，忽略一些次要影響因素，對(duì)模型進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化，為后期的建模提供便利。

根據(jù)數(shù)學(xué)模型的簡(jiǎn)化結(jié)果，采用3dsMax創(chuàng)建船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的三維模型，并對(duì)模型進(jìn)行必要的紋理、渲染、烘焙及動(dòng)畫設(shè)置處理[6]，將三維模型保存成.FBX后綴文件，以方便Unity3D虛擬現(xiàn)實(shí)編輯平臺(tái)的識(shí)別和導(dǎo)入。

利用Unity3D編輯平臺(tái)對(duì)導(dǎo)入的三維模型進(jìn)行編輯、調(diào)整和精細(xì)化處理，同時(shí)利用第一人稱攝像機(jī)和Shader渲染出船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的虛擬場(chǎng)景[7]，借助Java腳本和C#腳本實(shí)現(xiàn)船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能，最后發(fā)布成船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)虛擬仿真平臺(tái)。

2 虛擬仿真的關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型及簡(jiǎn)化

基于Unity3D的船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)虛擬仿真以某先進(jìn)的輪渡船為參考模型進(jìn)行建模，其母型船參數(shù)為船長(zhǎng)182.6米、船寬26.8米、型深13.35米、設(shè)計(jì)吃水7.6米、排水量16729噸，載重7828噸，所建數(shù)學(xué)模型涵蓋了電氣、機(jī)械及熱力方面的相關(guān)理論知識(shí)。

船舶電力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型包括柴油同步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型、真空斷路器數(shù)學(xué)模型、推進(jìn)變壓器數(shù)學(xué)模型、艏側(cè)推電機(jī)數(shù)學(xué)模型、傳輸線路數(shù)學(xué)模型、靜態(tài)負(fù)荷數(shù)學(xué)模型、動(dòng)態(tài)負(fù)荷數(shù)學(xué)模型及吊艙式永磁同步推進(jìn)電機(jī)數(shù)學(xué)模型，論文以吊艙式永磁同步推進(jìn)電機(jī)數(shù)學(xué)模型為例進(jìn)行闡述。

永磁同步推進(jìn)電機(jī)電壓等級(jí)690 V，額定轉(zhuǎn)速200 r/min，額定功率560 kW，額定電流583 A。在建模時(shí)，采用坐標(biāo)系下的派克-戈列夫模型，并忽略磁場(chǎng)的高次諧波分量、電樞反應(yīng)、勵(lì)磁繞組和阻尼繞組的漏感，確保穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)性能[8-9]。

永磁同步推進(jìn)電機(jī)的電壓方程為：

u=dΨ/d- ωΨ+ Ri

u=dΨ/d- ωΨ+ Ri

2q/d+ R2q2q0

2d/d+ R2d2d0

磁鏈方程為：

Ψ=Li+ Li2d+ Li

Ψ= Li+ Li2q

2d2di+ Li+ Li

2q2q2q+ Li

電磁轉(zhuǎn)矩方程：

(Ψi-Ψi)

機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程為：

d=T-T-RΩ

為分析和模型控制需要，進(jìn)行如下假設(shè)：

①假設(shè)磁路飽和、磁滯和渦流對(duì)參數(shù)無影響；

②假設(shè)導(dǎo)體的集膚效應(yīng)可以忽略；

③假設(shè)溫度和頻率對(duì)永磁體性能無影響；

④假設(shè)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對(duì)直軸和交軸完全對(duì)稱；

⑤假設(shè)轉(zhuǎn)子阻尼繞組課等效為直軸和交軸兩個(gè)獨(dú)立繞組[10]。

根據(jù)上述假設(shè)，模型簡(jiǎn)化為：

u=dΨ/d- ωΨ+ Ri

u=dΨ/d- ωΨ+ Ri

Ψ=Li+ Li

Ψ= Li

(Ψi-Ψi)=[Lii+(L-L)ii]

以上所述式子中，表示電壓；表示電流；表示磁鏈；為定子直軸分量；為定子交軸分量；2為轉(zhuǎn)子直軸分量；2為轉(zhuǎn)子交軸分量；為電感。

2.2 三維建模及優(yōu)化

基于Unity3D的船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)虛擬仿真的三維建模，是在各機(jī)械數(shù)學(xué)模型和電氣數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，忽略次要影響因素所創(chuàng)建的簡(jiǎn)化模型，進(jìn)而為系統(tǒng)的三維建模提供數(shù)據(jù)支撐[6]。

為保證所構(gòu)建虛擬場(chǎng)景的逼真度，選擇合適的建模方法稱為關(guān)鍵。根據(jù)本系統(tǒng)的實(shí)際建模需要，采用了3ds Max建模軟件提供線框建模、多邊形建模和NURBS建模等建模方法。

對(duì)于配電系統(tǒng)的電壓表、電流表等的表盤可采用線框建模，以方便精準(zhǔn)把握表盤尺寸的大小，凹凸程度以及指針的坐標(biāo)，使模型精確細(xì)化，并能有效減少冗余的三角面，方便后期的場(chǎng)景運(yùn)行；對(duì)于形狀規(guī)則的配電板、轉(zhuǎn)換開關(guān)、地氣燈和操作按鈕等則采用多邊形建模，利用3ds Max提供的“編輯多邊形”修改器能方便快捷的創(chuàng)建三維模型；對(duì)于真空斷路器、艏側(cè)推器和吊艙式電力推進(jìn)器則采用非均勻有理數(shù)B-樣條線的NURBS建模方法，圖2為船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)配電裝置，圖3為吊艙式電力推進(jìn)器。

圖2 船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)配電裝置

為了保證所設(shè)計(jì)的虛擬系統(tǒng)運(yùn)行的流暢性和逼真度，同時(shí)兼顧運(yùn)行時(shí)少占用內(nèi)存，必須對(duì)三維模型進(jìn)行必要的優(yōu)化。模型優(yōu)化的目的是有效減少三角面的數(shù)量，常采用MultiRes優(yōu)化法[11]。其方法如下：首先將待優(yōu)化模型轉(zhuǎn)化為可編輯多邊形，然后利用MultiRes命令進(jìn)行優(yōu)化，在優(yōu)化過程中要合理把握模型大小和模型準(zhǔn)確性之間的最優(yōu)解，并設(shè)置分辨率中的點(diǎn)百分比，可有效減少模型的頂點(diǎn)數(shù)和三角面數(shù)，達(dá)到優(yōu)化的效果。

圖3 吊艙式電力推進(jìn)器

2.3 漫游功能及碰撞檢測(cè)

船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)虛擬仿真設(shè)計(jì)的漫游功能可對(duì)各部件進(jìn)行動(dòng)態(tài)展示，宛如在實(shí)際場(chǎng)景中漫步，方便對(duì)各部件的細(xì)節(jié)進(jìn)行檢查并對(duì)關(guān)鍵部位進(jìn)行微調(diào)，漫游功能的實(shí)現(xiàn)主要采用“第一人稱相機(jī)”配合腳本來實(shí)現(xiàn)，最終的人機(jī)交互可通過鼠標(biāo)和鍵盤來控制，也才采用預(yù)制的漫游路徑來展示。

在漫游控制過程中，為了達(dá)到沉浸式的漫游效果，增強(qiáng)參與感，同時(shí)避免“第一人稱相機(jī)”與各部件及周圍環(huán)境的干涉情況出現(xiàn)，必須進(jìn)行碰撞檢測(cè)的設(shè)置。論文采用“基于固定時(shí)間片長(zhǎng)度的碰撞檢測(cè)算法”，即將虛擬場(chǎng)景中的物體運(yùn)動(dòng)過程按時(shí)間劃分為很多等長(zhǎng)的時(shí)間片，在每一個(gè)時(shí)間片結(jié)束時(shí)對(duì)物體進(jìn)行碰撞檢測(cè)。其關(guān)鍵在于選擇合適的時(shí)間片長(zhǎng)度，既可避免出現(xiàn)漏報(bào)現(xiàn)象，又能有效降低計(jì)算機(jī)內(nèi)存占用[6]。

采用該算法中邏輯的空間包圍盒將虛擬物體包裹起來，并將該包圍盒視作剛體，這樣在漫游時(shí)就能快速實(shí)現(xiàn)碰撞檢測(cè)，有效避免物體間的重疊現(xiàn)象。

2.4 真空斷路器的檢修流程

真空斷路器是船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的重要部件，為提高真空斷路器的可靠性，操作人員根據(jù)實(shí)際狀況定期對(duì)真空斷路器進(jìn)行檢修，主要包括檢測(cè)真空滅弧室的真空度、調(diào)整真空斷路器的超行程、整定真空斷路器同期性、調(diào)整真空斷路器的分合閘速度和檢修操作機(jī)構(gòu)[12](運(yùn)動(dòng)部件的磨損、緊固件是否松動(dòng)、清除絕緣表面灰塵和加注潤(rùn)滑脂)。

在實(shí)船上，通常將真空斷路器裝入高壓開關(guān)柜中，并安裝起隔離電路作用的隔離開關(guān)、起安全保障作用的接地開關(guān)和起過電壓保護(hù)作用的RC吸收器等[13]。為了確保操作者的安全，RC吸收器必須充分放電，檢修操作必須嚴(yán)格按照既定的操作規(guī)程進(jìn)行，其流程如下：

2.5 交互功能及打包發(fā)布

船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)所涉及的交互功能主要由腳本來實(shí)現(xiàn)，Unity3D提供了Boo腳本語(yǔ)言、Java腳本語(yǔ)言和C#腳本語(yǔ)言[14]，其中Boo腳本語(yǔ)言在Unity3D編程中很少使用，Java腳本語(yǔ)言屬于弱類型，后期的維護(hù)和調(diào)試比較繁瑣，可用于實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的交互，諸如“轉(zhuǎn)換開關(guān)”的選擇切換、“指示燈”的顏色改變、“操作部件”的平移、“高壓開關(guān)柜”的打開及關(guān)閉等。

圖4 真空斷路器檢修流程圖

C#腳本語(yǔ)言使用比較廣泛，可用于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯關(guān)系，同時(shí)用戶可根據(jù)習(xí)慣編寫自定義腳本，并能輕易建立腳本之間的連接和調(diào)用，整合各類Event事件，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜邏輯的實(shí)時(shí)仿真。

為了更好展示船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的虛擬仿真程序，需要對(duì)所編輯的虛擬場(chǎng)景進(jìn)行打包和發(fā)布。在打包時(shí)，需要設(shè)置Rendering參數(shù)、Identification參數(shù)、Configuration參數(shù)及Optimization參數(shù)，并配合Build按鈕進(jìn)行打包[16]。

Unity3D平臺(tái)可將編輯好的虛擬仿真場(chǎng)景發(fā)布成macOS或Windows系統(tǒng)程序。對(duì)于macOS系統(tǒng)，發(fā)布成app bundle，囊括了所有的資源，且可以直接執(zhí)行；對(duì)于Windows系統(tǒng)則發(fā)布成.exe后綴名的可執(zhí)行文件，同時(shí)生成XXX_Data文件，方便瀏覽和查閱。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于Unity3D虛擬仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)并開發(fā)了船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)，模擬了船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)電操作、并車操作、配電操作、真空斷路器的檢修、艏側(cè)推器的啟動(dòng)及吊艙式電力推進(jìn)器的工作過程，并增加了First Person Conttroller，提升了用戶的體驗(yàn)效果，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的人機(jī)交互。

該仿真系統(tǒng)具良好的交互功能和逼真的沉浸感，操作者可以在虛擬環(huán)境中體驗(yàn)船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的各種操作，滿足船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)操作人員培訓(xùn)的基本要求，具有對(duì)于理順船舶電力系統(tǒng)的操作流程和人員培訓(xùn)具有較高的參考價(jià)值。

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Virtual Simulation Design of Marine Electric Propulsion System Based on Unity3D

Li Jianwei1, 2

(1. Department of Marine Engineering, Qingdao Harbor Vocational And Technical College, Qingdao 266404, Fujian, China；2. the Key Laboratory of MarinePower Engineering &Technology(Wuhan University of Technology), Ministry of Transport, Wuhan 430063, China)

U665.1

A

1003-4862(2021)02-0007-04

2020-09-10

船舶動(dòng)力工程技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(武漢理工大學(xué))開放課題基金資助項(xiàng)目（No.KLMPET2018-07)；山東省高等學(xué)校科技計(jì)劃項(xiàng)目(J18KB034)

李建偉(1981-)，男，副教授。研究方向：虛擬仿真。E-mail: joyleejianwei@163.com