船舶运动建模及虚拟现实技术的实现
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摘要
从古至今,航海业的发展一直是一个国家兴旺发达的重要标志。对于一个70%都被海水覆盖的地球而言,海上防御对于一个国家的安全有着极其重要的战略意义。随着贸易全球化速度的加快,船舶作为运输业中极其重要的力量之一也日益引起了人们的关注。因此对船舶的研究也显得更加有意义。
国内外对船舶的研究一直没有停止过。在理论上,船舶运动方程也经历了从质点运动到二维再到三维的变化。目前也已经有了较为系统的理论。在实际工程设计中,目前采用较多的方法是水池试验法。既把船舶按照适当的比例缩小进行相应的试验设计。在实验室研究中还有半物理方法,建立船舶模型结合理论计算来设计船舶。但是这些方法都存在一个问题,实验场所要求较高,研究费用大。
随着计算机仿真技术的发展,虚拟现实技术的出现,并被成功的引入到船舶研究中,实验场所要求高,耗资巨大这一问题可以得到相应的解决。虚拟现实技术,它是由计算机产生,通过视、听、触觉等作用,使用户产生身临其境感觉的交互式视景仿真。目前国外如美国、丹麦等国家已经先后建立了航海仿真实验室,并成功的应用于海员训练。
本文主要从虚拟现实技术角度出发研究船舶在不同海况下的运动。首先用海浪谱分析法对船舶运动进行建模,研究了船舶在一定海况条件下不同的运动状态,并用实例对船舶的横摇运动、纵摇和垂荡运动进行了数值仿真,接着采用MultiGen公司的视景仿真软件Creator结合Vega建立了船舶的模型以及一个较真实的海洋仿真环境,最后在VC环境下结合Vega的API函数编写了船舶运动的视景仿真程序。同时文中还涉及了对虚拟现实技术系统的实现基本原理的讨论。整个系统可以较真实的反映船舶在一定的海况下的运动情况,对船舶运动的进一步研究有着积极的意义。
In all ages, the development of navigation is always a significant symbol for countries’prosperity. Safeguard on sea is most important for countries’safety especially for the earth which nearly 70% are covered by water. With the accelerate of world wide business, ship as one of the most important part have come to our attention. So shipping research is much more significance.
Doing research on ships has never be stopped in home and abroad. Ship motion has go through two–dimension to three-dimension in theory .Nowadays,theories has become maturity .In engineering, pool experiment used very abroad , making the ships scale-down ,then do researches in the big pool.The another approach for research in the laboratory is half physics, models unite theory compute .But all of these methods have a common disadvantage that is too special for laboratory and too high research fee.
As the development of computer simulations, Virtual Reality technology is introduced in ship researches successfully, the question aboved can be solved .Virtual Reality technology can produced visual simulations by computers which can make users a feeling of real .Nowadays ,lots of countries have built the simulation lads for navigation such as America and Denmark .They successfully used the VR technology for seaman’s training.
This paper do a research on ship motions supported by Virtual Reality technique. First of all model ship motion in math based on ocean wave spectrum analysis and study on the ship motion in different sea states .Secondly make numerical simulations for ship rolling ,heave and pitch motion . Thirdly ,build the model of ship and the simulation environment by software Creator and Vega .Last,make the process of simulation about ship motion in VC environment.The whole system successfully simulate the ship motion in different sea states .For further research it has an active effect .
国内外对船舶的研究一直没有停止过。在理论上,船舶运动方程也经历了从质点运动到二维再到三维的变化。目前也已经有了较为系统的理论。在实际工程设计中,目前采用较多的方法是水池试验法。既把船舶按照适当的比例缩小进行相应的试验设计。在实验室研究中还有半物理方法,建立船舶模型结合理论计算来设计船舶。但是这些方法都存在一个问题,实验场所要求较高,研究费用大。
随着计算机仿真技术的发展,虚拟现实技术的出现,并被成功的引入到船舶研究中,实验场所要求高,耗资巨大这一问题可以得到相应的解决。虚拟现实技术,它是由计算机产生,通过视、听、触觉等作用,使用户产生身临其境感觉的交互式视景仿真。目前国外如美国、丹麦等国家已经先后建立了航海仿真实验室,并成功的应用于海员训练。
本文主要从虚拟现实技术角度出发研究船舶在不同海况下的运动。首先用海浪谱分析法对船舶运动进行建模,研究了船舶在一定海况条件下不同的运动状态,并用实例对船舶的横摇运动、纵摇和垂荡运动进行了数值仿真,接着采用MultiGen公司的视景仿真软件Creator结合Vega建立了船舶的模型以及一个较真实的海洋仿真环境,最后在VC环境下结合Vega的API函数编写了船舶运动的视景仿真程序。同时文中还涉及了对虚拟现实技术系统的实现基本原理的讨论。整个系统可以较真实的反映船舶在一定的海况下的运动情况,对船舶运动的进一步研究有着积极的意义。
In all ages, the development of navigation is always a significant symbol for countries’prosperity. Safeguard on sea is most important for countries’safety especially for the earth which nearly 70% are covered by water. With the accelerate of world wide business, ship as one of the most important part have come to our attention. So shipping research is much more significance.
Doing research on ships has never be stopped in home and abroad. Ship motion has go through two–dimension to three-dimension in theory .Nowadays,theories has become maturity .In engineering, pool experiment used very abroad , making the ships scale-down ,then do researches in the big pool.The another approach for research in the laboratory is half physics, models unite theory compute .But all of these methods have a common disadvantage that is too special for laboratory and too high research fee.
As the development of computer simulations, Virtual Reality technology is introduced in ship researches successfully, the question aboved can be solved .Virtual Reality technology can produced visual simulations by computers which can make users a feeling of real .Nowadays ,lots of countries have built the simulation lads for navigation such as America and Denmark .They successfully used the VR technology for seaman’s training.
This paper do a research on ship motions supported by Virtual Reality technique. First of all model ship motion in math based on ocean wave spectrum analysis and study on the ship motion in different sea states .Secondly make numerical simulations for ship rolling ,heave and pitch motion . Thirdly ,build the model of ship and the simulation environment by software Creator and Vega .Last,make the process of simulation about ship motion in VC environment.The whole system successfully simulate the ship motion in different sea states .For further research it has an active effect .
引文
[1] St.Denis, .M. and Pierson ,W. J. Jr. On the Motions in Confused Seas [J], Trans.Sname,Vol.61, 1953:280~358P.
[2] Korvin-kroukovski, B. V. Investigation of ship motions in regular waves. Trans. Sname[J], Vol .63, 1955: 386~435P.
[3] Gerrisma, J. &W .Beukelman, Analysis of the Modified Strip Thoery for the calculations of ship motions and wave bending moments[J]. Int. Shipbuilding. Prog,1 4,1967: 319~37p.
[4] Salvesen, N. ,E.O. Tuck & O.Faltinsen, Ship motions and sea loads[J], Trans.Sname,78,1970: 87~250P.
[5] Blok, J. J. and Beuklman, W. , The high-speed displacemegnt ship systematic series hull forms -seakeeping characteristics. Trans.Sname, Vol 92,1984:125~150P.
[6] Guedes Soares , C.Transient response of ship hulls to wave impact. Int.Shipbuliding Pro., Vol 36,: 137~192.
[7] Finkelstein ,A. B. The initial value Problem for transient water wave.Comm. On Pure and Appl.Math.,Vol. 10,1957:511~522P.
[8] Cummins,W.E.The impulse response function and ship motions. Schiffstechnik, Band 9,1962: 101~109P.
[9] Ogilvie,T.F. Recent progress toward the understanding and prediction of ship motions 5th symposium on naval Hydrodynamics,1964:3~8P.
[10] Fonseca, N. and Soares, C. G. Time domain analysis of large-amplitute vertical motions and wave loads .Journal of Ship Research,Vol.42,NO.2,1998: 139~153.
[11] Maruo, H. An improvement of the slender body theory for oscillatingships with zero forward speed [D].BUll. Fac. Eng. Yokohama Nat'1.Univ.,19:1970 45~56P.
[12] Newman,J.N. The theory of ship motions [J].Advances in Applied Mechanics,18 1978,221~283.
[13] ITTC .Proceedings of Int .Towing Tank Conference .Kobe, Japan, 1987.
[14] 周正全、缪全明等. 船舶在波浪中的相对运动的三维预报方法[J],中国造船,1990 增刊.
[15] Lin ,W.M .and Yue ,D .k.P. Numerical solutions for large amplitude ship motions In thetime-domain .Proc,18th Symp.On naval Hydrodynamics Ann Arbor,MI ,1990: 41~65P.
[16] 段文洋. 船舶大幅运动非线性水动力研究 [D]. 哈尔滨工程大学博士学位论文,1995 年.
[17] Yeung ,R.W. A Singularity-Distribution Method for Free-surface Flow Problems with an Oscillating Body Technical report NA 73-6,College of Engineering ,University of California ,Berkeley,August 1973.
[18] 戴遗山,贺五洲. 简单 Green 函数法求解三维水动力系数[J] . 中国造船, 1986 (3)5~10P.
[19] Ivan Sutherland ,The Ultimate Display , IFIP conference 1965.
[20] R.Bowen loftin .Aerospace applications of virtual environment technology .Computer graphics, 1996,30(4): 33~35
[21] Markus H.Gross. Computer graphics in medicine : from visualization to surgery simulation ,Computer Graphics ,1998,32 (1) : 49~54
[22] Martin Gobel .Industrial applications of VEs.IEEE Computer Graphics and Applications,1996,16(1): 10~13
[23] David Kahaner .Japaneses activities in virtual reality .IEEE Computer Graphics and Applications , 1994,14(1):75~78
[24] 赵沁平. 怀进鹏 虚拟现实研究概况[J] . 计算机研究与发展 , 1996,33(7):493~500
[25] 高文. 虚拟人面部行为的图像合成技术 智能计算机接口与应用进展第三届中国计算机智能接口与智能应用学术会议论文集 北京:电子工业出版社 1997 :6~16
[26] 孙伟 . 实用 VR 技术研究及应用[D]. 北方工业大学检测与自动化装置硕士论文 2000
[27] 何四华,李天伟,韩云东 . 虚拟现实技术及其在航海仿真中的应用[J]. 船舶科学技术 ,2004年 10 月.
[28] 汪成为, 高文, 王行仁. 灵境(虚拟现实)技术的理论及应用[M], 清华大学出版社, 1996.
[29] Tereza Goncalves Kirner –Claudio Kirner . Simulation of Real-Time Systems: An Object-Oriented Approach Supported by a Virtual Reality-Based Tool . Computer Society 2005.
[30] RenZhong Zhang Virtual Reality for Operating Control of Underwater Vehicle [J]. IEEE International Conference on Intelligent Processing Systems ,1997.
[31] Carl Machover SteveE.Tice .Virtual Reality [J] IEEE Computer Graphics &Application, 1994.
[32] Young-woo Lee .Nonlinear Ship Motion Models to Predict Capsize in regular Beam Seas [D]. Naval architecture and Marine Engineering in The University of Michigan Doctor degree ,2001.
[33] 郑彦平, 贺钧. 虚拟现实技术的应用现状及发展[J] . 信息技术 , 2005 年第 12 期.
[34] 孙长勇 . 虚拟现实中三维建模技术的分析与研究[D]. 解放军信息工程大学计算机应用技术硕士论文.
[35] 鲁鹏寿 .虚拟现实软件的研究 ——MultiGen Creator 结构与实现的分析与研究[D]. 电子科技大学计算机应用硕士论文.
[36] 荆兆寿 ,刘胜 . 控制系统工程设计[M] . 哈尔滨工程大学出版社,1993 年 9 月第一版
[37] 杨楠 . 船舶运动的理论预报与研究[D] . 大连理工大学船舶与海洋结构物设计与制造硕士学位论文 2005 年
[38] 蒋维清 . 船舶原理[M] . 大连海事大学出版社, 1998 年 8 月第一版
[39] 盛振邦 , 刘应中 . 船舶原理(下册)[M] .上海交通大学出版社,2004 年 5 月第一版350~430
[40] 李殿璞 .船舶运动与建模[M] 哈尔滨工程大学出版社, 1999 年 12 月第一版
[41] 杨奕 船舶运动预报方法研究[D] 哈尔滨工程大学船舶与海洋结构设计制造硕士论文 2005 年
[42] 马山 . 基于二维半理论的垂向船舶运动和波浪载荷预报[D] . 哈尔滨工程大学 船舶与海洋结构物设计制造专业硕士论文 . 2002 年.
[43] 李毓江. 船舶在波浪中大幅度运动和载荷时域预报 [D] . 武汉理工大学流体力学硕士论文 2004 年.
[44] 鲁晓光. 船舶流体动力系数计算的 TASAI 方法与计算机实现[D] 天津大学船舶与海洋结构物设计制造硕士论文 2003 年.
[45] 胡开业 .船舶在波浪中的非线性横摇运动及其稳定性分析[D]. 哈尔滨工程大学船舶与海洋结构物设计与制造硕士论文 2006 年.
[46] 蒋学炼 .波浪作用下的数值模拟[D] .天津大学港口.海岸及近海工程硕士学位论文 2003年 7 月.
[47] 贾欣乐 ,杨盐生 .船舶运动数学模型 [M] . 大连海事大学出版社 ,1999 年 4 月第一版.
[48] 徐黎黎. 船舶运动智能控制及其虚拟仿真的研究[D] . 大连海事大学控制理论与控制工程 硕士论文 , 2004 年.
[49] 王乘, 周均清. 等 Creator 可视化仿真建模技术[M]. 华中科技大学出版社, 2005 年 3 月
[50] 孟小梅, 刘文庆 . MultiGen Creator 教程[M] .国防工业出版社, 2005 年 7 月
[51] 陆畅 船舶机舱虚拟现实仿真系统得研究与开发[D]. 武汉理工大学轮机工程硕士论文 ,2005 年.
[52] 梁永恩 皱勇 丁方颐 Creator/Vega 及其在船舶航行视景仿真系统中的应用[J] . 应用科技 , 2005 年 4 月第 4 期.
[53] 翟丽平. 基于 MultlGen 的虚拟现实三维建模技术研究与实现[D]. 重庆大学控制理论与控制工程硕士论文,2005.
[54] 王乘 ,李利军. Vega实时三维视景仿真技术[M]. 华中科技大学出版社 2005年12月第一版.
[55] 余进. 无人作战飞机任务控制站的仿真研究[D]. 西北工业大学计算机应用技术硕士论文,2003
[56] 逢守文,陈辉,陆畅. 大型船舶虚拟机舱视景仿真系统的开发[J].船海工程,2005年 第5期.
[57] 孙江龙 ,叶恒奎. 船舶在波浪中运动的计算机仿真[J]. 计算机仿真 ,2004年1月第一期..
[58] 杨波 .虚拟现实技术[D]. 电子科技大学计算机应用硕士论文, 2002.
[59] 文建平. 虚拟现实及其在航海仿真中的应用[J].交通科技, 2001.6.
[60] 徐定杰, 邹勇. 军事海洋环境视景仿真研究[J],计算机仿真. 2006.6.
[61] 张晋堂 . 基于 Vega 的视景仿真技术在无人机舱中的应用研究[D]. 哈尔滨工程大学 核能科学与工程硕士论文.
[62] 杜健 . MFC 框架下基于 Vega 的航海仿真系统视景驱动程序的开发[D] . 大连海事大学 交通信息工程及控制专业硕士论文 ,2005 年.
[2] Korvin-kroukovski, B. V. Investigation of ship motions in regular waves. Trans. Sname[J], Vol .63, 1955: 386~435P.
[3] Gerrisma, J. &W .Beukelman, Analysis of the Modified Strip Thoery for the calculations of ship motions and wave bending moments[J]. Int. Shipbuilding. Prog,1 4,1967: 319~37p.
[4] Salvesen, N. ,E.O. Tuck & O.Faltinsen, Ship motions and sea loads[J], Trans.Sname,78,1970: 87~250P.
[5] Blok, J. J. and Beuklman, W. , The high-speed displacemegnt ship systematic series hull forms -seakeeping characteristics. Trans.Sname, Vol 92,1984:125~150P.
[6] Guedes Soares , C.Transient response of ship hulls to wave impact. Int.Shipbuliding Pro., Vol 36,: 137~192.
[7] Finkelstein ,A. B. The initial value Problem for transient water wave.Comm. On Pure and Appl.Math.,Vol. 10,1957:511~522P.
[8] Cummins,W.E.The impulse response function and ship motions. Schiffstechnik, Band 9,1962: 101~109P.
[9] Ogilvie,T.F. Recent progress toward the understanding and prediction of ship motions 5th symposium on naval Hydrodynamics,1964:3~8P.
[10] Fonseca, N. and Soares, C. G. Time domain analysis of large-amplitute vertical motions and wave loads .Journal of Ship Research,Vol.42,NO.2,1998: 139~153.
[11] Maruo, H. An improvement of the slender body theory for oscillatingships with zero forward speed [D].BUll. Fac. Eng. Yokohama Nat'1.Univ.,19:1970 45~56P.
[12] Newman,J.N. The theory of ship motions [J].Advances in Applied Mechanics,18 1978,221~283.
[13] ITTC .Proceedings of Int .Towing Tank Conference .Kobe, Japan, 1987.
[14] 周正全、缪全明等. 船舶在波浪中的相对运动的三维预报方法[J],中国造船,1990 增刊.
[15] Lin ,W.M .and Yue ,D .k.P. Numerical solutions for large amplitude ship motions In thetime-domain .Proc,18th Symp.On naval Hydrodynamics Ann Arbor,MI ,1990: 41~65P.
[16] 段文洋. 船舶大幅运动非线性水动力研究 [D]. 哈尔滨工程大学博士学位论文,1995 年.
[17] Yeung ,R.W. A Singularity-Distribution Method for Free-surface Flow Problems with an Oscillating Body Technical report NA 73-6,College of Engineering ,University of California ,Berkeley,August 1973.
[18] 戴遗山,贺五洲. 简单 Green 函数法求解三维水动力系数[J] . 中国造船, 1986 (3)5~10P.
[19] Ivan Sutherland ,The Ultimate Display , IFIP conference 1965.
[20] R.Bowen loftin .Aerospace applications of virtual environment technology .Computer graphics, 1996,30(4): 33~35
[21] Markus H.Gross. Computer graphics in medicine : from visualization to surgery simulation ,Computer Graphics ,1998,32 (1) : 49~54
[22] Martin Gobel .Industrial applications of VEs.IEEE Computer Graphics and Applications,1996,16(1): 10~13
[23] David Kahaner .Japaneses activities in virtual reality .IEEE Computer Graphics and Applications , 1994,14(1):75~78
[24] 赵沁平. 怀进鹏 虚拟现实研究概况[J] . 计算机研究与发展 , 1996,33(7):493~500
[25] 高文. 虚拟人面部行为的图像合成技术 智能计算机接口与应用进展第三届中国计算机智能接口与智能应用学术会议论文集 北京:电子工业出版社 1997 :6~16
[26] 孙伟 . 实用 VR 技术研究及应用[D]. 北方工业大学检测与自动化装置硕士论文 2000
[27] 何四华,李天伟,韩云东 . 虚拟现实技术及其在航海仿真中的应用[J]. 船舶科学技术 ,2004年 10 月.
[28] 汪成为, 高文, 王行仁. 灵境(虚拟现实)技术的理论及应用[M], 清华大学出版社, 1996.
[29] Tereza Goncalves Kirner –Claudio Kirner . Simulation of Real-Time Systems: An Object-Oriented Approach Supported by a Virtual Reality-Based Tool . Computer Society 2005.
[30] RenZhong Zhang Virtual Reality for Operating Control of Underwater Vehicle [J]. IEEE International Conference on Intelligent Processing Systems ,1997.
[31] Carl Machover SteveE.Tice .Virtual Reality [J] IEEE Computer Graphics &Application, 1994.
[32] Young-woo Lee .Nonlinear Ship Motion Models to Predict Capsize in regular Beam Seas [D]. Naval architecture and Marine Engineering in The University of Michigan Doctor degree ,2001.
[33] 郑彦平, 贺钧. 虚拟现实技术的应用现状及发展[J] . 信息技术 , 2005 年第 12 期.
[34] 孙长勇 . 虚拟现实中三维建模技术的分析与研究[D]. 解放军信息工程大学计算机应用技术硕士论文.
[35] 鲁鹏寿 .虚拟现实软件的研究 ——MultiGen Creator 结构与实现的分析与研究[D]. 电子科技大学计算机应用硕士论文.
[36] 荆兆寿 ,刘胜 . 控制系统工程设计[M] . 哈尔滨工程大学出版社,1993 年 9 月第一版
[37] 杨楠 . 船舶运动的理论预报与研究[D] . 大连理工大学船舶与海洋结构物设计与制造硕士学位论文 2005 年
[38] 蒋维清 . 船舶原理[M] . 大连海事大学出版社, 1998 年 8 月第一版
[39] 盛振邦 , 刘应中 . 船舶原理(下册)[M] .上海交通大学出版社,2004 年 5 月第一版350~430
[40] 李殿璞 .船舶运动与建模[M] 哈尔滨工程大学出版社, 1999 年 12 月第一版
[41] 杨奕 船舶运动预报方法研究[D] 哈尔滨工程大学船舶与海洋结构设计制造硕士论文 2005 年
[42] 马山 . 基于二维半理论的垂向船舶运动和波浪载荷预报[D] . 哈尔滨工程大学 船舶与海洋结构物设计制造专业硕士论文 . 2002 年.
[43] 李毓江. 船舶在波浪中大幅度运动和载荷时域预报 [D] . 武汉理工大学流体力学硕士论文 2004 年.
[44] 鲁晓光. 船舶流体动力系数计算的 TASAI 方法与计算机实现[D] 天津大学船舶与海洋结构物设计制造硕士论文 2003 年.
[45] 胡开业 .船舶在波浪中的非线性横摇运动及其稳定性分析[D]. 哈尔滨工程大学船舶与海洋结构物设计与制造硕士论文 2006 年.
[46] 蒋学炼 .波浪作用下的数值模拟[D] .天津大学港口.海岸及近海工程硕士学位论文 2003年 7 月.
[47] 贾欣乐 ,杨盐生 .船舶运动数学模型 [M] . 大连海事大学出版社 ,1999 年 4 月第一版.
[48] 徐黎黎. 船舶运动智能控制及其虚拟仿真的研究[D] . 大连海事大学控制理论与控制工程 硕士论文 , 2004 年.
[49] 王乘, 周均清. 等 Creator 可视化仿真建模技术[M]. 华中科技大学出版社, 2005 年 3 月
[50] 孟小梅, 刘文庆 . MultiGen Creator 教程[M] .国防工业出版社, 2005 年 7 月
[51] 陆畅 船舶机舱虚拟现实仿真系统得研究与开发[D]. 武汉理工大学轮机工程硕士论文 ,2005 年.
[52] 梁永恩 皱勇 丁方颐 Creator/Vega 及其在船舶航行视景仿真系统中的应用[J] . 应用科技 , 2005 年 4 月第 4 期.
[53] 翟丽平. 基于 MultlGen 的虚拟现实三维建模技术研究与实现[D]. 重庆大学控制理论与控制工程硕士论文,2005.
[54] 王乘 ,李利军. Vega实时三维视景仿真技术[M]. 华中科技大学出版社 2005年12月第一版.
[55] 余进. 无人作战飞机任务控制站的仿真研究[D]. 西北工业大学计算机应用技术硕士论文,2003
[56] 逢守文,陈辉,陆畅. 大型船舶虚拟机舱视景仿真系统的开发[J].船海工程,2005年 第5期.
[57] 孙江龙 ,叶恒奎. 船舶在波浪中运动的计算机仿真[J]. 计算机仿真 ,2004年1月第一期..
[58] 杨波 .虚拟现实技术[D]. 电子科技大学计算机应用硕士论文, 2002.
[59] 文建平. 虚拟现实及其在航海仿真中的应用[J].交通科技, 2001.6.
[60] 徐定杰, 邹勇. 军事海洋环境视景仿真研究[J],计算机仿真. 2006.6.
[61] 张晋堂 . 基于 Vega 的视景仿真技术在无人机舱中的应用研究[D]. 哈尔滨工程大学 核能科学与工程硕士论文.
[62] 杜健 . MFC 框架下基于 Vega 的航海仿真系统视景驱动程序的开发[D] . 大连海事大学 交通信息工程及控制专业硕士论文 ,2005 年.