船舶航迹/航向控制系统可视化仿真
|
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。
Scientific verification is an indispensable node in science researches. Practical experiments are restricted by experimental conditions and consume mountains of manpower and material resources, may even threaten the life of who takes the experiment. As the development of computer technology, computer simulation has been an important method to compensate for the unaccomplished practical experiments. It was the emerging of virtual reality that made simulation become more vivid. Human-computer interaction gives more effective ways to prove scientific achievements. In recent years, virtual simulation have gained increasingly attention as a significant branch. Majorities of virtual reality technologies adopted in ship control fields are based on half practically simulation or on virtual simulation system established by a series of simulating computers. The simulation system with high cost as mentioned above was not easy to carry out by institute or agency lack of funds, which set a limitation to the spread of virtual reality.
This paper selects a connection of ship orientation/tracking control algorithms and 3D scene by building up a virtual simulation platform on personal computer. A unity of digital simulation and virtual simulation is achieved through Matlab-Visual C++ mixed programming. Moreover, in help of online computation, this platform is able to imitate different kinds of situations in which ship was likely to meet on sea.
Firstly, the kinematic model of ship, and the mathematical models of rudder, ship tracking controller, ship directional controller, and disturbance is simulated.
Secondly, Runge-Kutta numerical integration is applied to digital simulation study in Matlab to study the models above.
Then,3D virtual scene of virtual simulation system is constructed in Creator and Vega, through which virtual environment was founded referenced to real environment.
At last, choosing Visual C++ as the main exploit plat, adopting Matlab-VC++ mixed programming to calculate control algorithm, calling Vega API to edit virtual scene, and making combination through virtual simulation and digital simulation for ship tracking/orientation control virtual simulation systems.
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。
Scientific verification is an indispensable node in science researches. Practical experiments are restricted by experimental conditions and consume mountains of manpower and material resources, may even threaten the life of who takes the experiment. As the development of computer technology, computer simulation has been an important method to compensate for the unaccomplished practical experiments. It was the emerging of virtual reality that made simulation become more vivid. Human-computer interaction gives more effective ways to prove scientific achievements. In recent years, virtual simulation have gained increasingly attention as a significant branch. Majorities of virtual reality technologies adopted in ship control fields are based on half practically simulation or on virtual simulation system established by a series of simulating computers. The simulation system with high cost as mentioned above was not easy to carry out by institute or agency lack of funds, which set a limitation to the spread of virtual reality.
This paper selects a connection of ship orientation/tracking control algorithms and 3D scene by building up a virtual simulation platform on personal computer. A unity of digital simulation and virtual simulation is achieved through Matlab-Visual C++ mixed programming. Moreover, in help of online computation, this platform is able to imitate different kinds of situations in which ship was likely to meet on sea.
Firstly, the kinematic model of ship, and the mathematical models of rudder, ship tracking controller, ship directional controller, and disturbance is simulated.
Secondly, Runge-Kutta numerical integration is applied to digital simulation study in Matlab to study the models above.
Then,3D virtual scene of virtual simulation system is constructed in Creator and Vega, through which virtual environment was founded referenced to real environment.
At last, choosing Visual C++ as the main exploit plat, adopting Matlab-VC++ mixed programming to calculate control algorithm, calling Vega API to edit virtual scene, and making combination through virtual simulation and digital simulation for ship tracking/orientation control virtual simulation systems.
引文
[1]成岳,夏光华.科学研究与工程试验设计方法.武汉：武汉理工大学出版社,2005：1-24页
[2]Encarnacao Rand Pascoal A.Combined trajectory tracking and path following an application to the coordinated control of autonomous marine craft.Proceedings of the 40th IEEE Conference on Decision and Control,Orlando,Florida USA,2001:964-969P
[3]邹早建,王晓飞.基于解析模型预测控制的欠驱动船舶路径跟踪控制研究.上海交通大学博士论文,2009.1-50页
[4]张利军,赵桂梅,喻勇涛.动态目标跟踪控制实验系统可视化仿真研究.哈尔滨：哈尔滨工程大学2010年学术论文集,2010：1-10页
[5]李兴玮,邱晓刚.计算机仿真技术基础.长沙：国防科技大学出版社,2006：3-18页
[6]吴重光.仿真技术.北京：化学工业出版社,2000.2-23页
[7]韦有双,杨湘龙,王飞.虚拟现实与系统仿真.北京：国防工业出版社,2004：1-14页.
[8]龚卓蓉.Vega程序设计.北京：国防科技出版社.2002.23-50页
[9]程启明,万德钧,胨熙源.船舶航迹自动舵的神经网络控制方法研究.仪器仪表学报.1999：8.371-375页.
[10]张薇.船舶运动智能PID控制研究.哈尔滨工程大学硕士论文,2008：3-12页
[11]程启明,万德钧.船舶操纵的控制技术发展综述.东南大学学报,1999,29(1)：14-19页
[12]陈文文.船舶航向非线性系统自抗扰控制器的仿真研究.济南大学硕士论文.2008：2-6页
[13]高安娜.不同海情下的大型船舶航向、航迹控制方法研究.哈尔滨工程大学硕士论文.2008：3-7页
[14]刘文峰.船舶航向模糊控制系统研究.哈尔滨工程大学硕士论文.2008：2-5页
[15]Mahmut Reyhnaoglu, Arjan vander schatf, N. Harris McClamroch, Kolmanovsky. Dymamics and Control of a class of underactated Mechnical Systems. IEEE Transactions on Automatic Conirol.1999, Vol,44, No.9:1663-1671 P
[16]韩冰.欠驱动船舶非线性控制研究.哈尔滨工程大学博士论文,2004：2-24页
[17]Pettersen K.Y., Egeland O. Exponential stabilization of an underactuated surface vessel. Proceeding of the.35th IEEE Conference on Decision and Control. Kobe, Japan, Dec.1996.967-972P
[18]J.M.Godhavn, T. I, Fossen, and S. P. Berge. Noulinear adaptive baekstepping designs for tracking control of ships. Int. J. Adapt. Control Signal Proeessing.1998, vol.12:649-670P
[19]E.Lefeber. Traeking Control of Nonlinear Mechanical Systems. Ph. D. dissertation. Twenie, The Netherlands:Dept.Meth.Eng-Univ,2000
[20]Z.P Jiang. Global tracking control of underactuated ships by Lyapunov's direct method. Automation.2002,vol.38:301-309P
[21]K.Y. Pettersen, H. Nijmeijer. Underaetuated ship tracking control:theory and experiments. Int. J. Cotr..2001, vol.74:1435-1446P
[22]Do K.D., Pan J., Jiang Z.-P. Global exponential tracking control of underactuated surface ships in the body frame. Proceedings of the American Control Conference.Anchorage, Alaska, USA 2002.4702-4707P
[23]彭秀艳,李小军,沈艳,赵希人.大型船舶航迹多变量随机最优控制.船舶工程,2003,Vol.25,No.3：41-45页
[24]于洋.卡尔曼滤波器在船舶航迹跟踪中的应用.江苏船舶,2005,Vol.22,No.2：31-39页
[25]K.D.Do,Z.P.Jiang. Universal controllers for stabilization and tracking of underactuated ships.2002,29-317P
[26]K. D. Do, J. Pan. State-and output-feedback robust path-following controllers for underactuated ships using Serret-Frenet frame. Ocean Engineering. vol.31. pp.587-613,2004
[27]K. D. Do, Z. P. Jiang, J. Pan. Robust path-following of underactuated ships:Theory and experiments on a model ship. Automation.2004, vol.40:929-944P
[28]张毅,王士星等.仿真系统分析与设计.北京：国防工业出版社.2010：3-15页
[29]庄春华,王普.虚拟现实技术及其应用.北京：电子工业出版社.2010.11-25页
[30]琚新刚,李金波.虚拟现实及其应用.河南教育学院学报(自然科学版),2003,12(1)：63-64页
[31]邹湘军,孙健等.虚拟现实技术的演变发展与展望.系统仿真学报,2004,16(9)：1905-1909页
[32]姜学智,李忠华.国内外虚拟现实技术的研究现状.辽宁工程技术大学学报,2004, 23(2)：238-240页
[33]苏建明,张续红,胡庆夕.展望虚拟现实技术.计算机仿真,2004,21(1)：18-21页
[34]吴迪,黄文骞.虚拟现实技术的发展过程及研究现状.海洋测绘,2002,22(6)：15-17页.
[35]胡庆夕,苏建明,张续红.聚焦虚拟现实技术.机电一体化,2002(6)：6-11页
[36]中国科学技术协会,中国系统仿真学会.2009-2010仿真科学与技术发展报告.北京：中国科学技术出版社,2010：3-20页
[37]何金花,彭侠夫,王莺.船舶运动视景仿真系统研究.福建厦门：计算机仿真.2007：08.198-200页
[38]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.舰船科学技术.2004：10.54-56页
[39]康凤举.舰船仿真技术发展综述.舰船电子工程.2004：1.9-11页
[40]李震,李积德,王庆.舰船三维运动视景仿真系统的设计.哈尔滨工程大学学报.2003：2.9-13页
[41]刘旸.智能高速水面艇三维视景可视化仿真研究.哈尔滨工程大学硕士论文.2007.5：2-28页
[42]孙腾达.船舶操纵模拟器三维视景实用化研究.大连海事大学硕士论文.2001：1-83页
[43]吕鹏.基于虚拟现实的船舶操纵系统视景设计与实现.华中科技大学硕士学位论文.2006：2-15页
[44]刘炜,陈宁,佘建国.基于Multigen Vega和Creator的内河港口船舶水面交通过程视景仿真.江苏科技大学学报(自然科学版),2006：20卷第6期.15-17页
[45]袁丽毫.船舶操纵模拟器视景仿真研究.哈尔滨工程大学硕士论文,2007：1-33页
[46]刘慧玲,林孝工.气垫船视景模拟系统研究与设计.计算机仿真.2009,26(1)：233-247页
[47]刘雯.船舶航向/横摇控制系统视景仿真研究.哈尔滨工程大学硕士论文,2009：2-50页
[48]金鸿章,姚绪梁.船舶控制原理.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社,2001：1-3页18-70页,118-130页
[49]张显库,贾欣乐.船舶运动控制.北京：国防工业出版社,2006.3-34页
[50]高淑英,沈火明.理论力学.北京：中国铁道出版社,2004：2-45页
[51]苏兴翘.船舶操纵性.北京：国防工业出版社,1981.5-16页
[52]孙宏放.具有斜舵的船舶综合减摇控制及预报方法研究.哈尔滨工程大学博士论文.2009：13-55页
[53]严敬.工程流体力学.重庆：重庆大学出版社.2007：2-23页
[54]贾欣乐,杨盐生.船舶运动数学模型--机理建模与辨识建模.大连：海事大学出版社,1999：20-34页
[55]李贻斌,陈文文.船舶航向非线性系统自抗扰控制器的仿真研究.山东大学硕士论文,2008：1-23页
[56]孟浩.船舶航行的智能自适应控制研究.哈尔滨工程大学博士论文.2003：26-32页
[57]朱炜.在Windows环境中设置基于VC++的OpenGL图形接口.科技信息(学术研究),2007,(08)：173-174页
[58]胡小强.虚拟现实技术基础与应用.北京：北京邮电大学出版社,2009：1-13页
[59]杨丽,李光耀.场市仿真建模工具-Creator软件教程.同济大学出版社,2007：1-14页,30-46页
[60]平鸽工作室OpenGL高级编程与可视化系统开发.北京：中国水利水电出版社.2003：2-35页
[61]王乘,李利军,周均清,陈大炜.Vega实时三维视景仿真技术.武昌：华中科技大学.2005：5-24页
[62]刘维.精通Matlab与C/C++混合程序设计.第2版.北京：北京航天航空大学出版社,2008.198-253页
[63]周灵,基于COM的VC调用Matlab的方法及实现,中国信息科技,2006,24：131-133.页
[64]陶桂宝,郭少波MATLAB与VC++混合编程在系统仿真中的应用,重庆大学学报,2007,30(7)：26-29页
[65]孙鑫,余安萍.VC++深入详解.北京：电子工业出版社.2006：404-434页
[Al]K. D. Do, J. Pan. State-and output-feedback robust path-following controllers for underactuated ships using Serret-Frenet frame[J]. Ocean Engineering. vol.31. pp. 587-613,2004
[2]Encarnacao Rand Pascoal A.Combined trajectory tracking and path following an application to the coordinated control of autonomous marine craft.Proceedings of the 40th IEEE Conference on Decision and Control,Orlando,Florida USA,2001:964-969P
[3]邹早建,王晓飞.基于解析模型预测控制的欠驱动船舶路径跟踪控制研究.上海交通大学博士论文,2009.1-50页
[4]张利军,赵桂梅,喻勇涛.动态目标跟踪控制实验系统可视化仿真研究.哈尔滨：哈尔滨工程大学2010年学术论文集,2010：1-10页
[5]李兴玮,邱晓刚.计算机仿真技术基础.长沙：国防科技大学出版社,2006：3-18页
[6]吴重光.仿真技术.北京：化学工业出版社,2000.2-23页
[7]韦有双,杨湘龙,王飞.虚拟现实与系统仿真.北京：国防工业出版社,2004：1-14页.
[8]龚卓蓉.Vega程序设计.北京：国防科技出版社.2002.23-50页
[9]程启明,万德钧,胨熙源.船舶航迹自动舵的神经网络控制方法研究.仪器仪表学报.1999：8.371-375页.
[10]张薇.船舶运动智能PID控制研究.哈尔滨工程大学硕士论文,2008：3-12页
[11]程启明,万德钧.船舶操纵的控制技术发展综述.东南大学学报,1999,29(1)：14-19页
[12]陈文文.船舶航向非线性系统自抗扰控制器的仿真研究.济南大学硕士论文.2008：2-6页
[13]高安娜.不同海情下的大型船舶航向、航迹控制方法研究.哈尔滨工程大学硕士论文.2008：3-7页
[14]刘文峰.船舶航向模糊控制系统研究.哈尔滨工程大学硕士论文.2008：2-5页
[15]Mahmut Reyhnaoglu, Arjan vander schatf, N. Harris McClamroch, Kolmanovsky. Dymamics and Control of a class of underactated Mechnical Systems. IEEE Transactions on Automatic Conirol.1999, Vol,44, No.9:1663-1671 P
[16]韩冰.欠驱动船舶非线性控制研究.哈尔滨工程大学博士论文,2004：2-24页
[17]Pettersen K.Y., Egeland O. Exponential stabilization of an underactuated surface vessel. Proceeding of the.35th IEEE Conference on Decision and Control. Kobe, Japan, Dec.1996.967-972P
[18]J.M.Godhavn, T. I, Fossen, and S. P. Berge. Noulinear adaptive baekstepping designs for tracking control of ships. Int. J. Adapt. Control Signal Proeessing.1998, vol.12:649-670P
[19]E.Lefeber. Traeking Control of Nonlinear Mechanical Systems. Ph. D. dissertation. Twenie, The Netherlands:Dept.Meth.Eng-Univ,2000
[20]Z.P Jiang. Global tracking control of underactuated ships by Lyapunov's direct method. Automation.2002,vol.38:301-309P
[21]K.Y. Pettersen, H. Nijmeijer. Underaetuated ship tracking control:theory and experiments. Int. J. Cotr..2001, vol.74:1435-1446P
[22]Do K.D., Pan J., Jiang Z.-P. Global exponential tracking control of underactuated surface ships in the body frame. Proceedings of the American Control Conference.Anchorage, Alaska, USA 2002.4702-4707P
[23]彭秀艳,李小军,沈艳,赵希人.大型船舶航迹多变量随机最优控制.船舶工程,2003,Vol.25,No.3：41-45页
[24]于洋.卡尔曼滤波器在船舶航迹跟踪中的应用.江苏船舶,2005,Vol.22,No.2：31-39页
[25]K.D.Do,Z.P.Jiang. Universal controllers for stabilization and tracking of underactuated ships.2002,29-317P
[26]K. D. Do, J. Pan. State-and output-feedback robust path-following controllers for underactuated ships using Serret-Frenet frame. Ocean Engineering. vol.31. pp.587-613,2004
[27]K. D. Do, Z. P. Jiang, J. Pan. Robust path-following of underactuated ships:Theory and experiments on a model ship. Automation.2004, vol.40:929-944P
[28]张毅,王士星等.仿真系统分析与设计.北京：国防工业出版社.2010：3-15页
[29]庄春华,王普.虚拟现实技术及其应用.北京：电子工业出版社.2010.11-25页
[30]琚新刚,李金波.虚拟现实及其应用.河南教育学院学报(自然科学版),2003,12(1)：63-64页
[31]邹湘军,孙健等.虚拟现实技术的演变发展与展望.系统仿真学报,2004,16(9)：1905-1909页
[32]姜学智,李忠华.国内外虚拟现实技术的研究现状.辽宁工程技术大学学报,2004, 23(2)：238-240页
[33]苏建明,张续红,胡庆夕.展望虚拟现实技术.计算机仿真,2004,21(1)：18-21页
[34]吴迪,黄文骞.虚拟现实技术的发展过程及研究现状.海洋测绘,2002,22(6)：15-17页.
[35]胡庆夕,苏建明,张续红.聚焦虚拟现实技术.机电一体化,2002(6)：6-11页
[36]中国科学技术协会,中国系统仿真学会.2009-2010仿真科学与技术发展报告.北京：中国科学技术出版社,2010：3-20页
[37]何金花,彭侠夫,王莺.船舶运动视景仿真系统研究.福建厦门：计算机仿真.2007：08.198-200页
[38]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.舰船科学技术.2004：10.54-56页
[39]康凤举.舰船仿真技术发展综述.舰船电子工程.2004：1.9-11页
[40]李震,李积德,王庆.舰船三维运动视景仿真系统的设计.哈尔滨工程大学学报.2003：2.9-13页
[41]刘旸.智能高速水面艇三维视景可视化仿真研究.哈尔滨工程大学硕士论文.2007.5：2-28页
[42]孙腾达.船舶操纵模拟器三维视景实用化研究.大连海事大学硕士论文.2001：1-83页
[43]吕鹏.基于虚拟现实的船舶操纵系统视景设计与实现.华中科技大学硕士学位论文.2006：2-15页
[44]刘炜,陈宁,佘建国.基于Multigen Vega和Creator的内河港口船舶水面交通过程视景仿真.江苏科技大学学报(自然科学版),2006：20卷第6期.15-17页
[45]袁丽毫.船舶操纵模拟器视景仿真研究.哈尔滨工程大学硕士论文,2007：1-33页
[46]刘慧玲,林孝工.气垫船视景模拟系统研究与设计.计算机仿真.2009,26(1)：233-247页
[47]刘雯.船舶航向/横摇控制系统视景仿真研究.哈尔滨工程大学硕士论文,2009：2-50页
[48]金鸿章,姚绪梁.船舶控制原理.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社,2001：1-3页18-70页,118-130页
[49]张显库,贾欣乐.船舶运动控制.北京：国防工业出版社,2006.3-34页
[50]高淑英,沈火明.理论力学.北京：中国铁道出版社,2004：2-45页
[51]苏兴翘.船舶操纵性.北京：国防工业出版社,1981.5-16页
[52]孙宏放.具有斜舵的船舶综合减摇控制及预报方法研究.哈尔滨工程大学博士论文.2009：13-55页
[53]严敬.工程流体力学.重庆：重庆大学出版社.2007：2-23页
[54]贾欣乐,杨盐生.船舶运动数学模型--机理建模与辨识建模.大连：海事大学出版社,1999：20-34页
[55]李贻斌,陈文文.船舶航向非线性系统自抗扰控制器的仿真研究.山东大学硕士论文,2008：1-23页
[56]孟浩.船舶航行的智能自适应控制研究.哈尔滨工程大学博士论文.2003：26-32页
[57]朱炜.在Windows环境中设置基于VC++的OpenGL图形接口.科技信息(学术研究),2007,(08)：173-174页
[58]胡小强.虚拟现实技术基础与应用.北京：北京邮电大学出版社,2009：1-13页
[59]杨丽,李光耀.场市仿真建模工具-Creator软件教程.同济大学出版社,2007：1-14页,30-46页
[60]平鸽工作室OpenGL高级编程与可视化系统开发.北京：中国水利水电出版社.2003：2-35页
[61]王乘,李利军,周均清,陈大炜.Vega实时三维视景仿真技术.武昌：华中科技大学.2005：5-24页
[62]刘维.精通Matlab与C/C++混合程序设计.第2版.北京：北京航天航空大学出版社,2008.198-253页
[63]周灵,基于COM的VC调用Matlab的方法及实现,中国信息科技,2006,24：131-133.页
[64]陶桂宝,郭少波MATLAB与VC++混合编程在系统仿真中的应用,重庆大学学报,2007,30(7)：26-29页
[65]孙鑫,余安萍.VC++深入详解.北京：电子工业出版社.2006：404-434页
[Al]K. D. Do, J. Pan. State-and output-feedback robust path-following controllers for underactuated ships using Serret-Frenet frame[J]. Ocean Engineering. vol.31. pp. 587-613,2004