基于人機交互技術的船舶智能導航仿真模擬系統

朱鐵櫻，駱 爽，潘光永

（1.金華市現代制造與材料高新技術研發中心，浙江 東陽 322100；2.浙江廣廈建設職業技術大學，浙江 東陽 322100）

0 引言

航海過程中，安全問題最受關注，隨著智能導航系統的發展，可為船舶的安全航行提供更好的保障。為了建立完善、可靠的導航系統，需要對導航方案、系統性能等各方面進行大量、重復性的測試并對系統進行相關優化。

為了節省時間、減少成本，需要對導航系統進行模擬仿真。程章等[1]設計了一種模塊化的船舶慣性導航仿真系統，并進行了相關仿真研究。昌攀[2]開發了基于多源導航信息的三維輔助導航仿真系統，實現了模擬仿真的基本功能。祝中磊等[3]設計了一種新型導航系統模擬仿真平臺，可用于艦船信息算法的設計、分析等。

本文基于人機交互技術，設計一種智能導航仿真模擬系統，該系統可以對航行過程中的狀況進行仿真分析，本文對系統性能進行研究。

1 人機交互技術

人機交互（Human-Computer Interaction，HCI）是指關于設計、實現供人們使用的交互式計算機系統以及相關研究的科學技術。人機交互是計算機科學和認知心理學相結合的技術，同時還涉及到生物學、人機工程學、設計藝術學等。

人機交互系統是一個具有特定功能的整體，如圖1所示。整個系統由人、機、環境3 個部分組成，是一個閉環人機系統。顯示器用來顯示整個人機交互過程中的操作過程情況，操作者首先通過視覺、聽覺等獲取顯示器上的各種信息變化，經過分析和解釋作出相應的人工決策，再通過控制方式實現人機交互過程的調整。

圖1 人機交互系統Fig.1 Human-computer interaction system

以上人和機器之間的信息交流都發生在人機界面上，其功能主要包括顯示和控制，因此人機界面的合理性設計直接關系到人機交互的效果。隨著人工智能、計算機視覺、虛擬現實等技術的發展和成熟應用，人機界面在自然化、人性化、高科技化等方面都得到了很好的發展。

2 基于人機交互技術的船舶智能導航仿真模擬系統

2.1 系統組成

本文基于人機交互技術，建立船舶智能導航仿真模擬系統，系統組成如圖2 所示。

圖2 基于人機交互技術的智能導航仿真模擬系統Fig.2 Intelligent navigation simulation system based on human-computer interaction technology

根據電子海圖顯示與信息系統（Electronic Chart Display and Information System，ECDIS），建立航線數據庫，航線表包括航路點經度、緯度，航線序號等。在仿真模擬時，可以隨機選擇其中一條航線，自動讀取相關航路信息。

在仿真模擬時，要調取船舶模型數據、航向航速、海況信息等多類數據，以便得到最全面、可靠的模擬仿真效果。

人機交互界面中，除了基礎的時間、日期等數據外，要實時顯示航線序號、航速航向、導航信息、海況信息等。同時，還可以根據仿真模擬的需要，實現對航線、航速等數據的在線修改。船舶航行的航跡信息能夠實現實時保存，可用于仿真模擬時的數據對比及分析。

2.2 總體設計方案

2.2.1 硬件模塊

根據系統組成，整個仿真模擬系統需要實現導航信息顯示、船舶狀態設置、通信等多種功能，同時還需要有實時的人機交互界面，整體可以分為以下幾個模塊[4]：

1）人機交互模塊。人機交互界面需要具有良好的實時性、可操作性，要符合人性化、自然化的特點。操作者在仿真模擬過程中對參數的設定、修改主要在人機交互界面上完成。在人機交互界面上，要實時顯示船舶的運動狀態、導航信息、海況信息等。

2）船舶運動軌跡仿真模塊。根據利用對象化的設計思想，船舶運動軌跡仿真模塊還可以再細分為多個模塊，這些模塊之間并沒有直接聯系，只是通過各個函數接口實現通信。操作者在輸入目標航向、速度等初始參數后[5]，選取細分之后的各個模塊進行組合，產生運動軌跡。

3）仿真驗證模塊。主要是對仿真模擬系統的輸出數據進行驗證，并生成相關的導航信息，再反饋至仿真模塊，得到數據間的誤差。信息顯示模塊主要顯示仿真模擬中各方面的數據。

4）通信模塊。需要實現仿真模擬系統中所有數據的傳輸、共享，由于船舶仿真模擬系統需要實時傳輸大量的數據，選用UDP（User Data Protocol）協議，UDP是面向非連接的協議，不需要與對方建立連接，利用時鐘函數實現各個模塊間的數據傳輸，具有較好的傳輸速度和傳輸效率[6]。

2.2.2 軟件基礎

根據系統總體功能，利用OpenGL、MFC、ActiveX控件等技術，設計出功能齊全的船舶智能導航仿真模擬系統。仿真模擬系統的軟件基礎是動態鏈接庫DLL（Dynamic Link Library）和ActiveX 控件的應用。DLL有助于實現數據共享和傳輸，提高內存的使用效率。ActiveX 控件主要用來完成某一個或某一組任務，并實現時間日期顯示、數據通信等功能。

2.3 運動模型建立

2.3.1 船舶運動方程

本文建立的運動方程的坐標系如圖3 所示，X0Y0Z0O0為固定坐標系，XYZO為船舶運動坐標系，O為船舶的重心。

圖3 船舶運動坐標系Fig.3 Coordinate system of ship motion

圖中，u、v、w分別表示船舶的橫向速度、縱軸速度、垂蕩速度；p、q、r分別表示船舶的首橫搖角速度、縱橫搖角速度、搖角速度；ψ表示航向角；δ表示舵角。

基于牛頓第二定律和動量守恒定理，采用分離式模式，建立船舶運動數學模型：

式中：X、Y、Z分別為船舶所受外力（包括水動力、空氣動力等）的總和；K、M、N均為外部動量總和；Ixx、Iyy、Izz均為船舶的慣性張量。

同時，還可以根據固定坐標系和船舶運動坐標系之間的關系，以及2 個坐標系中速度分量推導出船舶運動的軌跡方程：

式中，?為船舶橫傾角。

2.3.2 船舶所受力和力矩

船舶所受力和力矩包括船體力和力矩、舵力和舵力矩、螺旋槳力和力矩，使用的經驗表達式為：

根據式（3）可以計算船體所受的流體力和力矩。其中，R為流體阻力；U為船舶速度；ρ為水密度；W、GM分別為船舶的排水量和船舶重心高度。

船舶受到的舵力和力矩的經驗表達式為：

式中，FN為舵的法向力。

船舶受到的螺旋槳推力和扭矩的表達式為：

式中：t為推力減額；nP為螺旋槳轉速；DP為螺旋槳直徑；KT、KQ、JP分別為推力系數、轉矩系數和進速系數。

2.3.3 海浪方向譜

船舶的運動不僅要考慮上述的船體力、舵力和螺旋槳力的作用外，還要考慮海上的外界因素，如浪、流等影響。為了更好地進行仿真模擬，得到更可靠的數據，需要對海浪進行研究。

海浪可以看成一種不規則波，目前，應用相對比較廣泛的Pierson-Moskowitz（P-M）譜，表達式如下：

為了更加真實地研究海浪對船舶運動的影響，引入海浪方向譜，結合P-M 譜，得出船舶的響應譜：

式中：μ為主波向和所求方向譜方向之間的夾角；H(w)為傳遞函數。

2.4 實驗結果

根據工作原理及系統構成，構建基于人機交互技術的船舶智能導航仿真模擬系統，圖4 為人機交互界面顯示的部分信息。

圖4 人機交互界面顯示的部分信息Fig.4 Part of the information displayed in the man-machine interface

可以看出，該系統能夠較好地實現仿真模擬過程中的信息交互。在此界面上，操作者可以完成對仿真模擬參數的設置和修改。

在整體功能實現的情況下，進行船舶航行過程中的仿真模擬實驗，圖5 為模擬過程中的偏航角和航行速度誤差。

圖5 導航誤差結果Fig.5 Results of navigation error

可以看出，在模擬過程中，隨著航行距離的不斷增大，偏航角和航行速度的誤差均在可控范圍內。

3 結語

本文基于人機交互技術，構建了船舶智能導航仿真模擬系統，并對系統性能進行測試實驗。從實驗結果看出，該系統能夠實現人機實時交互，仿真模擬的誤差均在誤差范圍內，能夠為導航系統提供更加可靠的參考數據，保證船舶的安全航行。