航海模拟器研发设计之探讨

航海模拟器从开始利用以来,从当初的小型单功能模拟器发展到今天的大型操纵模拟器,对模拟器的使用也从纯粹的教学发展到今天的在通航评估、工程论证等工程项目中发挥了重要的作用.回顾国内模拟器发展的同时介绍了挪威KONGSBERG公司Polaris大型船舶操纵模拟器系统,研究其在设计上的优点,参考STCW马尼拉修正案对船舶操纵模拟器提出的新要求.探讨模拟器今后的研制方向,并就船舶操纵模拟器的研制提出粗浅意见.     

船舶操纵模型硬件模拟器的设计与实现

船舶操纵模拟器可采用物理仿真、半物理仿真及软件仿真3种方法。设计并实现了船舶操纵的半物理硬件电模拟器。详细地讨论了船舶模型的分解与模拟、舵机模型的模拟、外界干扰叠加的模拟、模拟器的器件选取与实现、外界干扰信号的模拟等。模拟器的实际试验结果表明控制精度高、运行稳定可靠。     

超大型船舶靠离泊操纵中拖轮助操的应用

在码头工程通航环境安全评估的专题研究中,应用日本MMG分离建模方法,建立超大型船舶操纵运动的仿真模型;根据超大型船舶操纵运动的特性,给出了超大型船舶靠离泊操纵中所需拖轮数量、配备要求和具体的助操方法.在此基础上,运用大型船舶操纵模拟器,对3×105 t级超大型油轮靠离泊操纵中拖轮的应用进行了仿真试验,仿真结果为超大型船舶在靠离泊过程中拖轮的协调应用提供了科学依据.     

船舶操纵模拟器教练员能力构成初探

STCW78/95公约马尼拉修正案已经在2012年1月1日生效,驾驶台资源管理从以往的建议项变成强制性适任标准。船舶操纵模拟器具有经济和实船无法比拟等多方面的优势,己经成为国内航海院校和培训机构一种主流的教学方式。教练员的能力直接影响了船舶操纵模拟培训的效果。该文从教练员、模拟器、学员构成等多方面对模拟器教练员的要求,对船舶操纵模拟器教练员的能力构成进行探讨。     

可调螺距螺旋桨船舶的操纵运动数学模型

为利用模拟器对可调螺距螺旋桨(CPP)船舶操纵运动进行仿真,应用船舶操纵性分离建模理论,基于荷兰船模试验水池B系列螺旋桨的敞水试验结果,利用Akima插值获得了不同类型的CPP在不同螺距比时的四象限推力系数和扭矩系数,求得CPP的推力和扭矩,建立了CPP船舶的平面运动数学模型.模型充分考虑了风、流对船舶操纵的影响,并可适用于CPP船舶常速域和低速域的操纵运动仿真.仿真结果与实船试验结果吻合较好,能够满足大型船舶操纵模拟器对船舶运动数学模型仿真精度的要求.     

内置操纵特性的导航接口模拟器设计与实现

为方便在软件中高效地实现船舶操纵运动数学模型实时计算功能,综合考虑船舶操纵运动数学模型的代码量和执行效率,提出在软件内嵌数学模型开发中使用MATLAB和VC++混合编程技术。使用VC++实现界面的绘制并完成导航接口模拟器的程序编写,船舶操纵运动数学模型计算得到的船舶运动状态数据按照导航协议通过以太网接口发送给"海浪监测设备"进行设备测试。软件测试结果表明混合编程满足了软件的设计需求。通过VC++、MATLAB混合编程的方式实现了复杂数学模型的软件设计,极大地提高软件开发效率。     

引航员船舶操纵评估题型的设计与运用

本文从分析三级引航员船舶操纵评估大纲入手,提出三级引航员船舶操纵评估题型的设计方案,并应用信度理论分析法对方案的可信度进行论证,运用大型船舶操纵模拟器对引航员船舶操纵评估项目予以实践与佐证。     

高斯与墨卡托投影变换在船舶操纵模拟器中的应用

为了解决船舶操纵模拟器中不同投影方式海图的投影变换问题，应用幂级数展开理论和三角级数回求方法，给出了子午线弧长，等量纬度的直接正反解算法模型及高斯投影与墨卡托投影的相互转化算法，这些算法具有非常高的计算精度，避免了迭代运算，在船舶操纵模拟器中得到广泛应用。     

船舶操纵模拟器视景系统中视点跟踪的实现

首先对船舶操纵模拟器视点的必要性以及实现方法进行分析，提出了“有限视点跟踪”的概念，通过在视景系统中设置多个彼此独立的视点，相应视点的视景显示通过不同的通道，从而实现船舶操纵模拟器的视点跟踪，这种方法与利用传感器技术的观点跟踪相比较，实现相对容易，而且对视景系统的更新速率不会造成影响。     

基于航海模拟器的典型渔船碰撞事故案例教学

利用航海模拟器的强大仿真模拟功能,在海船及渔业船员培训过程中,通过典型的渔船碰撞案例教学,使学生更加重视关于船舶操纵与避碰的理论学习,能按照避碰规则的要求,在模拟器上采取更加规范、合理的避碰措施及应急救助手段,以加深对理论知识的理解,增强安全意识,培养规范的操纵程序。     

视景仿真系统中三维地形的实时生成方法

三维地形是虚拟自然环境中不可缺少的因素,也是虚拟仿真领域中视景系统的重要组成部分.三维地形的巨大数据量一直是视景仿真研究中的难点与热点.本文提出用函数曲面来保存地形顶点数据,在渲染开始前预先载入和计算生成地形数据,而在渲染阶段则利用视点相关LOD(Level of Detail)模型来简化渲染数据,实现大规模地形网格的绘制.实验结果表明,该方法能有效减少实时绘制时的计算量,提高绘制速度,较好地保证了大规模三维地形的实时生成效果.     

基于四叉树LOD技术绘制大地形的改进算法

分析基于四叉树的多分辨率网格简化技术LOD（Level Of Detail）的优缺点,在Lindstrom的基于定点化简准则的基础上,提出基于四叉树的LOD模型改进方法,即用最小二乘法估计地形精细度,用时间连续性方法处理视觉突起,用空间连续性方法处理T型裂缝。实验表明,改进的算法在一定程度上提高了地形漫游的运行效率并实现视点移动时地形绘制的平滑过渡。     

面向飞行模拟的大气效果实时绘制技术

针对飞行模拟器视景仿真系统特点,提出了一种适用于大规模场景、基于物理的大气效果实时绘制方法。介绍了大气效果的基本概念、实时绘制的简化模型和图形处理器(GPU)加速方法;修正了光照模型,使大气散射效果随高度而变化;使用开源视景仿真软件OSG(OpenSceneGraph),实现了大场景单散射大气效果的实时绘制。结果表明,基于物理的大气效果绘制,能增加飞行模拟视景仿真的真实感。     

基于"流"机制的实时多分辨率模型结构

大规模地形的实时显示技术已成为虚拟仿真领域中的研究热点．为研究更合理的多分辨率模型的表达技术,结合漫游时视景体内数据的流动变化特征。提出了使用4棵四叉树表达的地形多分辨率的模型结构;并运用动态数据调度策略实现对数据以“流”的方式进行处理和绘制．该模型已在自行开发的三维地形仿真系统(Sei3D)中得到成功的应用。并最终实现了海量地形数据的无缝漫游。     

基于OsgEarth绘制线状矢量数据的模板体技术

结合Martin Schneider矢量数据渲染算法,基于OSG开源平台及DEM构建的地形,分析了OsgEarth中绘制线状矢量数据的模板体技术和该技术所隐藏的场景层次结构.通过实践证明了该技术的可行性,表明其算法具有实时性、高效性和精确性等优点,探讨了该技术所存在的难点问题.     

一种基于kd树的实时大规模地形可视化算法

大地形实时可视化在GIS、虚拟现实、仿真、游戏等领域有大量应用.对已有算法进行综合和改进,提出了一种简单、快速的实时大规模三维地形绘制算法.该算法主要包括:对所有数据进行空间分块(tile);块内采用改进后的kd树进行进一步空间剖分;方便三维数据交互显示操作的“静态池”和“动态池”数据结构;针对海量数据的外部存储(out-of-core)技术;加速OpenGL的优化方法等.算法运行良好,在微机上达到较高的帧率和较好的显示效果.     

船舶航行三维显示系统的地形建模

根据船舶航行对视界内视景和水下地形的几何精确度与图像真实感要求,应用三维真实感地形生成理论,提出两种基于海图等高线和等深线数据的地形三角构网方法,在不加入新插值点的情况下对平面散乱点进行三角剖分,实现了基于ECDIS和AIS的船舶航行三维显示系统的地形建模.     

三维地形的实时绘制与漫游

三维地形的实时绘制与漫游有着广阔的应用前景，它能够交互式地从各个不同的角度更形象更直观地展示三维地形，具有很大的实用价值。这里介绍了三维地形的实时绘制与漫游在PC机上的研究与实现，本系统采用了基于层面叠加的场景绘制技术，实现了立体视觉，同时还提供了方便的交互工具，使整个系统的实时性和画面的真实感程度都达到了较高的水平。     

基于Multigen Creator的三维地形应用实现

结合三维建模软件MultiGen Creator2.6的地形数据库模块,分析了三维地形生成的方法和技术.以航天发射场的地形为研究区域,根据航天发射场建模要求较高的实时性、精确性和真实感的特点,分别提出了新的地形源数据（栅格地图）转换方法,总结出了利用等高线带贴纹理的方法,并提出了Polymesh/Irregular Mesh（多边形网格/不规格网格）算法与采样型网格简化算法结合的方法.在此基础上,形成了一套行之有效的三维地形生成应用方案,成功建立了视觉效果较好的三维地形,已应用于航天发射场的三维模拟系统中.     

一种基于小波的三维地形绘制集成技术

本文利用现有地形绘制技术和小波多尺度分析方法,结合大规模地形应用特点,研究了三维地形绘制算法．首先,根据地形高程模型（DEM）的数据结构的特点,阐述了它可以借助于小波方法进行分析处理的可行性：其次,得到了提取多尺度地形数据基本特征的方法：并通过小波系数来表达低频概貌和高频细节,生成多尺度的地形数据方法;提出了”地形网格的小波渐进重构”规则,设计了动态的渐进重构不同细节的地形网格;最后,构造了绘制算法流程图,实现了三维地形绘制集成技术,解决了多块不同分辨率模型的无缝拼接问题,提高了绘制效率,并通过实验验证了该方法的高效性和可行性．