“蛟龙号”机械手水下作业的交互仿真设计

针对载人潜水器水下作业机械手操作人员的培训中存在培训成本高、安全风险大的问题,以我国第一台载人深潜器"蛟龙号"为仿真原型建立三维物理模型。采用D-H方法建立搭载机械手的运动学模型,并求出正、逆运动学解;利用VC++及OpenGL图形库搭建机械手运动学算法的验证与解算平台;基于虚拟现实技术、碰撞检测技术以及三维交互技术,调用运动学解算接口,实现机械手水下作业过程的交互仿真开发。     

偏微分方程数值计算在虚拟现实中应用与研究

随着虚拟现实(Virtual Reality,VR)相关硬件的发展以及软件技术的日趋成熟,VR技术正在进入人们的日常生活.然而不可否认,VR的核心问题之一——物理真实感依然没有很好的解决.其原因大多都是由于解算模型控制方程耗费了大量的时间,从而迫使人们采用牺牲精度的方法以满足实时性的要求.而许多的物理模型的解算都归结于偏微分方程求解,因此如何准确高效快速的求解偏微分方程(PDE)和PDE方程组对于提升虚拟现实系统的物理真实感有着至关重要的作用.本文从求解典型PDE出发,建立相应的PDE求解器,并对计算结果进行验证.最后将该思想应用于计算流体力学领域,通过对流体力学中的NS方程和水力学中的浅水波方程的求解,得到计算区域的速度场或高度场,并且对结果进行验证.结果表明,该方法具有较高的可信度.     

船舶自动避碰仿真平台的构建与测试方法研究

船舶避碰智能决策的自动生成是实现船舶自动避碰的关键技术之一,如何利用船舶操纵模拟器技术来检验现阶段的研究成果是值得研究的课题。根据船舶避碰智能化方法的研究现状,简述船舶避碰智能自动化方法的基本思想;着重论述基于船舶操纵模拟器技术的“航行安全及自动避碰(NSACA)仿真测试平台”的构建及其实现船舶自动避碰仿真试验的方法;并列举一个典型的仿真试验示例加以分析。试验结果表明:该平台已实现了宽水域船舶避碰决策自动生成与避碰过程自动监控的测试,不失为一种行之有效的测试方法;与实船试验相比,这种测试方法具有灵活高效、安全性和经济性等优点。     

雷达模拟器训练评估系统的设计

提出雷达模拟器训练评估系统软件的模块化设计方法,将评估系统分为计算模块、标准避让决策模块、评估模块三个模块。计算模块完成船舶运动参数的计算并同时计算D_(CPA)、T_(CPA)值,标准避让决策模块中建立了船舶会遇态势、避碰决策、避碰行动幅度的数学模型,评估模块利用通过非参数假设检验方法得到的统计数学评估模型对学生成绩进行评估。这一系统能恰当地反映出评估的客观性和可靠性,能进行定量的综合评估。     

基于电子海图矢量数据建模的无人船路径规划

栅格地图在自主船路径规划领域应用广泛.为解决栅格地图在表示多种类型障碍物共存的复杂环境时所存在精度不高及路径可靠性不足的问题,提出一种基于电子海图矢量数据——点、线、面要素建立精确环境势场的方法,可用于描述不同类型障碍物及狭窄水域.在此基础上,改进了基于静态环境势场及动态环境引力和斥力的混合路径规划算法,并结合M ariner典型船型及比例微分控制,进行了多船多障碍动态环境和狭窄水域静态环境的仿真测试.试验结果表明,该算法实现了《国际海上避碰规则》约束下的船舶实时自主避碰,并兼顾多种形状和类型的障碍物.建模方法简单实用,具有与电子海图显示与信息系统相结合的潜力.      

半潜船航海模拟器的压载水系统仿真

为了提高半潜船操纵及船员培训水平，用VB实现了半潜船航海模拟器的压载水系统仿真。建立了空压机、泵、压载舱的压力、电流、液住数学模型，以动画和数字形式显示空压机的电流和压载舱的液位、容积和压力。     

海上搜救模拟器的直升机悬停鲁棒控制

为了研制海上搜救模拟器的直升机模拟系统,给出了直升机模拟的系统结构,建立了直升机的悬停数学模型.用镜像映射方法和闭环增益成形算法设计了直升机的悬停鲁棒控制器.用Simulink进行了仿真实验,当直升机处于悬停状态时,系统的输出为输入的18%且抖动频率明显降低,当系统加了0.5 s纯滞后模型摄动后,系统的输出为输入的32%且抖动频率明显降低.仿真结果显示系统具有较强的稳定性和鲁棒性.     

船用窄带直接印字电报系统仿真

为克服采用真实设备进行全球海上遇险与安全系统(Global Maritime Distress and Safety System,GMDSS)培训容易产生误报警、干扰正常通信及成本昂贵的缺点,需要研发基于局域网的GMDSS仿真设备,如窄带直接印字电报(Narrow Band Direct Printing Telegraph,NBDP),Inmarsat-C船站,Inmarsat-B船站等.在分析NBDP系统组成、工作原理和通信流程的基础上,研究并给出了NBDP系统的仿真模型.考虑了信道条件对通信效果的影响,搭建了基于局域网的NBDP仿真系统平台.采用VC++6.0为开发工具,研制了NBDP仿真系统.通过教学实践验证,该仿真系统具有仿真度高、界面友好、系统稳定等优点.     

航海模拟器中适应式鲁棒航迹保持算法

为了更方便地使用航海模拟器进行培训,减少大船、小船自动操纵中的算法切换或参数调整.采用将船舶操纵性指数计算代入控制器设计中的方法,基于闭环增益成形算法,给出一种通用的适应式鲁棒航迹保持算法.通过对11条船的测试,控制效果令人满意.该算法实施过程简单、物理意义明显且具有一定的鲁棒性.     

航海模拟器中破碎浪的建模

为实现航海模拟器视景系统中破碎浪的仿真,对近岸区域容易产生的崩碎波和卷碎波进行建模.采用光滑粒子动力学(Smooth Particle Hydrodynamics,SPH)方法对流体进行建模,以容易产生浪花的港区岸壁、码头等 为目标模拟区域进行抽象确定边界.基于SPH流体的粒子无序性和同时间步长位置相对固定等特点,对链表搜索法进行改进,提出前向链表搜索法,对SPH模型的近邻搜索算法进行了改进,使得粒子搜索时间复杂度大大降低,提高了粒子近邻搜索的效率.所建立的破碎浪模型具有较好的实时性效果.