文档介绍：仿真技术在各相关领域中的应用 585
船舶运动智能控制虚拟现实仿真系统*

郭晨孙建波史成军杨国勋徐黎黎
(大连海事大学航海动态仿真与控制重点实验室, 大连 116026)

摘要本文提出并生成一种应用虚拟现实技术的船舶运动智能控制可视化交互式仿真系统。
论文讨论了状态空间型船舶平面运动数学模型,虚拟立体视觉图象的生成算法,给出船舶运
动智能控制虚拟现实仿真系统实现的主要功能和部分虚拟现实交互式仿真场景。本仿真系统
使研究者可以在实验室环境下方便地研究船舶航向,航迹,减摇等船舶运动控制系统,直接
获得系统的动态和静态特性,实现实时跟踪和监控船舶运动控制多种算法的可视化仿真过程。

船舶运动控制具有复杂多变的特点,是一种复杂的控制问题。只有采用先进的控制策
略,才能给出满意的船舶操纵性能。将模糊逻辑、神经网络和遗传算法等智能技术集成为
一体的混合智能控制可以充分发挥各种智能算法的优势,为解决船舶运动控制问题提供了
一个有效的途径。建立一个良好的仿真环境是检验各种控制算法有效手段。作者完成的船
舶运动场景虚拟现实仿真系统,使船舶操纵及其控制器设计可以在可视化的仿真环境下,
运用不同算法对船舶运动进行控制,操纵仿真,以检验各种算法的有效性。
虚拟现实是一种全新的人-机交互环境,也是一种先进的仿真手段。本文应用虚拟现实
仿真技术,设计生成了一个能够实现船舶运动控制的可视化仿真系统。从而对船舶运动控
制器的各种控制算法的有效性进行评价和检验,提供合理的算法和参数,实现减少海上试
验次数,降低试验成本,缩短开发周期,优化控制系统的目标。

1 状态空间型船舶平面运动数学模型
当进行船舶闭环控制系统的仿真研究时,必须建立船舶运动被控过程的动态数学
模型,并且还应考虑风、浪、流等造成的环境干扰。状态空间型的船舶运动数学模型是
船舶运动控制器设计的基础,以下给出的是二自由度状态空间型船舶运动数学模型。
船舶平面运动如图 1 所示,其中 O - XoYoZo 是惯性坐标系(大地参考坐标系),O 为起
始位置,OXo 指向正北,OYo 指向正东,OZo 指向地心;o -xyz 是附体坐标系,o 为船首尾
之间连线的中点,ox 沿船中线指向船首,oy 指向右舷,oz 指向地心;航向角ψ以正北为零

*基金项目:交通部优秀专业人才资助项目(95-05-05-32); 清华大学智能技术与系统国家重点实验室开
放研究课题基金项目(0107)
586 2003 全国系统仿真学术年会
度,沿顺时针方向取 0 o ~ 360 o ;舵角δ以右舵为正。以船舶等速直线航行状态为平衡点,
此时 u = u0 = V ,v = 0,r = 0,δ= 0 ,µ为前进速度,ν为横漂速度,r 为转首角速度。在该
平衡点附近,把作用于船体的 y 方向上的流体动力Y (v,r,v&,r&,δ) 及作用于绕 z 方向的流体
动力矩 N(v,r,v&,r&,δ) 展开成 v,r,v&,r&,δ的 Taylor 级数,并只取其线性项,这时在附体坐标
系 o-xyz 中,Newton 运动定律被表达为:
X0
N
x
u r
V
ψ o
v
δ y