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VR技术在船舶设计中的应用研究

2019/6/4    来源:e-works    作者:智广信  瞿荣泽  李伟  田伟      
关键字:船舶稳性  虚拟现实  人机交互  
船舶稳性是船舶设计过程中极为重要的一个指标参数,船舶设计单位可以结合虚拟现实的可视化分布式仿真技术,通过人机交互的手段,进行船舶摇荡运动的模拟仿真,从不同的视点观察该船在风浪流联合作用的真实海况下的摇荡状态。为船舶领域应用VR虚拟技术提供实践参考。

0 引言

    船舶航行时,由于受到风、浪、流等海洋环境联合扰动的作用,不可避免地产生各种摇荡。摇荡严重时会产生砰击、上浪、失速和螺旋浆飞车,甚至翻船等动力效应及现象,对船舶的适航性和安全性,对船上设备、货物及船上人员都产生不利影响,甚至导致悲剧的产生。因此船舶规范在建造检验部分指出,完工的船舶都要进行航行试验,期间船舶航行状态将极大地影响试航实验的操作安排,如若推迟一天,那将需要投入大量的人力,财力和物力,更严重的还可能增加试验的危险性,而利用虚拟仿真技术,可以在船舶试航前,甚至设计时就进行大量的虚拟仿真实验,从而把实体实验的危险降到最低。

1 VR技术简介

    虚拟现实技术(Virtual Reality,简称VR技术)是一种高度逼真地模拟人在自然环境中视、听、动等行为的人机界面技术。这种模拟具有两种基本特征,即“沉浸”特征和“交互”特征。VR的“沉浸”特征要求计算机所创建的三维虚拟环境能使“参与者”得到全身心置于该环境之中的体验。VR的“交互”特性主要是指参与者通过使用专用设备实现用人类自然技能对虚拟环境中的实体进行交互考察与操作。因此,VR技术将从根本上改变人与计算机系统的交互操作方式。

    可视化仿真技术隶属于虚拟现实技术,虚拟现实技术是在综合计算机图形技术、传感技术、计算机仿真技术、显示技术等多科学技术的基础上发展起来的一门交叉技术,其主要特点是用户可以身临其境地与计算机生成的三维虚拟环境进行自然交互,它是一个由计算机所产生的三维立体空间,即一个虚拟场景。

    基于虚拟现实(VR)的分布式协同仿真是分布式仿真技术与VR技术相结合的产物,它能够使得多个用户在同一个虚拟环境中进行各类交互式仿真,从而能够广泛用于复杂产品设计、军事演习、复杂操作训练、过程排演等领域。它也是上述的多用户协同装配仿真的支撑技术。

2 VR技术在船舶设计中的应用

    从海洋工程角度来看,构建一个逼真的海浪虚拟场景不仅在视觉上满足用户,同时也影响到其对船舶结构作用的仿真研究。如二维不规则长峰波海浪虚拟场景,用户在这个虚拟场景中可以同虚拟对象如船舶进行交互,除有较好的视觉效果外,还可以通过键盘或者鼠标进行控制和操作其中的对象,并可在场景中随用户的意志变化而变化,进而产生沉浸感及参与感。另外,在虚拟现实仿真环境下实现船舶运动控制,为船舶运动控制仿真提供了一个直观的、生动的表述平台。

    船舶设计单位可以基于某个局域网的分布式仿真,从不同视角,将观察到的目标船的摇荡情况分布在局域网内的主机屏幕上。例如首先通过数学建模软件建立海浪、船舶的数学模型,应用虚拟现实建模软件建立船舶三维模型,再应用高级视景仿真应用软件及其相关模块实现船舶在不同波倾角、不同风速、不同航速下的分布式视觉仿真,通过人机交互,从不同的视点观察船舶运行摇荡情况,给人以身临其境的感觉。

    针对数学建模软件本身的不足,利用其与通用编程语言应用程序接口,以提高程序执行速度,得到准确、高效的数学仿真;通过通用编程语言应用程序接口来实现船舶在长峰波浪中航行时横摇状态的数学仿真到视觉仿真的转换,最终将分布式显示船舶的摇荡情况,以其强烈的沉浸感,给观察者以不同观察感受,从而减小实体实验阶段的危险发生。平台系统框图如下图1。

平台系统框图

图1 平台系统框图

    海浪是一个很复杂的随机过程,是引起船舶摇荡的主要扰动,船舶摇荡同样具有非常复杂和不确定的非线性特性。建立精确的海浪扰动和船舶摇荡运动数学模型是非常困难的。为了有效地研究船舶摇荡,海浪及摇荡运动的有效准确预报是一个很重要的课题,它对于提高船舶的耐波性和适航性具有重要的意义。现在随着利用小波分析法,以及自适应模糊系统在海浪方面的应用,在海浪研究领域会有大的突破。仿真屏幕样例截图如下图2。

船舶摇荡视觉仿真图

图2 船舶摇荡视觉仿真图

3 结论

    虚拟现实技术为海浪和船舶运动控制研究领域提供了先进的手段和环境。随着计算机网络的发展及其现实生活的需要,分布式技术快速发展,通过分屏显示,通过网络在不同区域进行协同合作。

    相信随着对上述海浪、船舶、分布式视觉仿真研究的不断深入,计算机性能的提升,资金的投入,VR技术将在船舶安全领域发挥其重大作用。虚拟现实现在已经取得了空前的发展,应用领域涉及到国民经济的各个方面,特别是随着分布式视觉仿真的发展和将其应用到船舶领域后,解决了很多船海工程中很棘手的问题。

责任编辑:程玥
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