船舶航迹/航向控制系统可视化仿真

论文摘要

在科学的研究中,科学验证是必不可少的环节,但实物实验受实验条件的制约,耗费大量的人力物力,甚至危及实验人员的人身安全,随着计算机技术的发展,计算机仿真成为了科学验证的必要手段,虚拟现实技术的出现使仿真更加直观,更好的实现人机交互,能够更有效的对科学研究成果进行验证,可视化仿真作为虚拟现实仿真的一个重要分支,近年来成为了研究的热点。在船舶控制领域,虚拟现实仿真大多数为半实物仿真或以图形工作站为中心的仿真机群构建的视景仿真系统,科研成本较高,对于缺少科研经费的机构或组织很难进行此方面的研究,限制了虚拟现实技术的普及及推广。本论文以个人计算机为硬件基础,以船舶的航迹／航向控制系统为对象,利用虚拟现实技术搭建了可视化仿真系统,将控制算法与三维视景有机结合；利用Matlab与VisualC++混合编程,实现了数字仿真与可视化仿真的统一；利用在线运算的算法编程模式,在线模拟船舶在海上运动时遇到的多种情况。具体内容如下：首先,分别选定了船舶的运动模型、舵机、船舶航迹控制器与航向控制器的数学模型及干扰的数学模型。其次,采用龙格库塔法数值积分法,利用Matlab对于预先建立的数学模型进行适用于在线运算的数字仿真研究。再次,利用Multigen Creator与Vega模拟真实环境对虚拟现实环境进行了建模,为可视化仿真系统搭建了三维虚拟场景。最后,以Visual C++为开发环境,利用基于COM的Matlab与VC++混合编程用于控制算法的运算,利用Vega API进行虚拟场景的编译,将可视化仿真与数字仿真有机融合,并可将数字仿真曲线与三维场景元素的运动同步展现在船舶航迹／航向控制的可视化仿真系统中。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 论文研究的背景与意义
• 1.1.1 船舶运动控制可视化仿真研究的意义
• 1.1.2 可视化仿真技术概述
• 1.1.3 船舶控制可视化仿真的关键问题
• 1.2 船舶航迹/航向控制系统可视化仿真研究的历史与现状
• 1.2.1 船舶航迹/航向控制的研究现状
• 1.2.2 可视化仿真技术的研究现状
• 1.2.3 船舶运动控制可视化仿真技术的研究现状
• 1.3 本文的主要工作
• 1.3.1 主要工作
• 1.3.2 章节安排
• 第2章 船舶航迹/航向控制系统仿真建模
• 2.1 船舶运动方程
• 2.1.1 线性运动模型
• 2.1.2 非线性运动模型
• 2.1.3 欠驱动船舶路径跟踪数学模型
• 2.2 舵机模型
• 2.3 扰动模型
• 2.3.1 海风
• 2.3.2 海浪
• 2.3.3 海流
• 2.4 船舶航迹/航向控制器模型
• 2.4.1 船舶航向控制器模型
• 2.4.2 船舶航迹控制器模型
• 2.5 本章小结
• 第3章 数字仿真研究
• 3.1 数字仿真技术概述
• 3.1.1 关键数学模型数值积分法解算
• 3.1.2 数字仿真程序总体设计
• 3.2 船舶航迹/航向控制系统数字仿真
• 3.2.1 船舶航向控制数字仿真
• 3.2.2 船舶航迹控制数字仿真
• 3.2.3 海浪干扰的数字仿真
• 3.3 本章小结
• 第4章 虚拟现实环境建模与仿真
• 4.1 虚拟仿真的三维建模技术
• 4.1.1 三维仿真软件概述
• 4.1.2 MultiGen Creator界面
• 4.1.3 三维建模的关键技术
• 4.2 船舶三维模型的建立
• 4.2.1 基本结构建模
• 4.2.2 模型的优化处理
• 4.2.3 螺旋桨、舵的建模
• 4.3 基于Vega的虚拟环境创建
• 4.3.1 Vega与Lynx用户界面
• 4.3.2 Vega虚拟环境仿真
• 4.3.3 虚拟仿真视景部分效果
• 4.4 本章小结
• 第5章 可视化仿真系统设计
• 5.1 软件系统设计关键技术
• 5.1.1 开发语言与软件平台概述
• 5.1.2 基于COM的Matlab与C++混合编程技术
• 5.1.3 在线仿真运算技术
• 5.1.4 可视化仿真中运动体的位姿控制——自定义运动模式
• 5.1.5 VC++下数字仿真曲线的绘制
• 5.1.6 数字仿真与可视化仿真的融合
• 5.2 可视化仿真系统总体设计
• 5.3 软件模块设计
• 5.4 软件系统仿真实验
• 5.4.1 软件界面介绍
• 5.4.2 软件系统功能试验结果
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 附录A 船舶航迹控制器模型